CN107529144A - 基于uwb通信的智能安全帽定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于UWB通信的智能安全帽定位系统。其包括UWB定位装置、位置解算服务器和客户端，UWB定位装置包括至少一个标签单元和至少四个基站单元。本发明利用标签单元在进入定位区域时同时与各个基站单元进行UWB通信，采用TDOA算法计算标签单元与各个基站单元的距离，再采用三边测量法计算得到标签单元的坐标信息，最后利用客户端在全局地图中显示标签单元的定位点，从而直观的展示出安全帽在室内的具体位置，方便对安全帽进行管理。

Description

基于UWB通信的智能安全帽定位系统
技术领域
本发明属于无线定位技术领域，尤其涉及一种基于UWB通信的智能安全帽定位系统。
背景技术
UWB(Ultra Wide Band)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。有人称它为无线电领域的一次革命性进展，认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。
UWB技术最基本的工作原理是发送和接收脉冲间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲，超短时单周期脉冲决定了信号的带宽很宽，接收机直接用一级前端交叉相关器就把脉冲序列转换成基带信号，省去了传统通信设备中的中频级，极大地降低了设备复杂性。
目前市场上智能安全帽定位功能的实现主要依赖于GPS模块，GPS定位在室外定位功能强大，但是一旦进入室内，GPS信号迅速衰减，几乎无法收到GPS信号，在室内情况下基本上无法实现对安全帽的定位。
发明内容
本发明的发明目的是：为了解决现有技术中的以上问题，本发明提出了一种基于UWB通信的智能安全帽定位系统，实现对安全帽在室内的精确定位。
本发明的技术方案是：一种基于UWB通信的智能安全帽定位系统，包括：
UWB定位装置，用于获取智能安全帽的定位信息；所述UWB定位装置包括至少一个标签单元和至少四个基站单元；所述标签单元集成在智能安全帽内，用于在进入定位区域时同时与各个基站单元进行UWB通信；所述基站单元用于与所述标签单元进行UWB通信，获取所述标签单元与基站单元进行UWB通信的时间并通过网络上传至位置解算服务器；
位置解算服务器，用于接收各个基站单元上传的标签单元与其进行UWB通信的时间，根据标签单元与各个基站单元进行UWB通信的时间采用TDOA算法计算标签单元与各个基站单元的距离，再根据标签单元与各个基站单元的距离采用三边测量法计算得到标签单元的坐标信息，并将标签单元的坐标信息通过网络发送至客户端；
客户端，用于接收所述位置解算服务器发送的标签单元的坐标信息，通过构建定位区域的全局地图，在全局地图中显示标签单元的定位点。
进一步地，所述标签单元与基站单元进行UWB通信时向基站单元发送设备号，所述设备号用于对安全帽进行唯一性标记。
进一步地，所述位置解算服务器根据标签单元与各个基站单元进行UWB通信的时间采用TDOA算法计算标签单元与各个基站单元的距离具体为分别计算标签单元与各个基站中两个基站单元进行UWB通信的时间差，根据UWB通信的时间差与电磁波速度的乘积得到标签单元与各个基站中两个基站单元的距离差，得到标签单元相对于两个基站单元的双曲线形运动轨迹。
进一步地，所述位置解算服务器根据标签单元与各个基站单元的距离采用三边测量法计算得到标签单元的坐标信息具体为将标签单元相对于各个基站中两个基站单元的多组双曲线形运动轨迹相交，采用三边测量法计算得到标签单元的坐标信息。
本发明的有益效果是：本发明利用标签单元在进入定位区域时同时与各个基站单元进行UWB通信，采用TDOA算法计算标签单元与各个基站单元的距离，再采用三边测量法计算得到标签单元的坐标信息，最后利用客户端在全局地图中显示标签单元的定位点，从而直观的展示出安全帽在室内的具体位置，方便对安全帽进行管理。
附图说明
图1是本发明的基于UWB通信的智能安全帽定位系统的结构示意图。
图2是本发明实施例中UWB定位装置在定位区域中的安装示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明的基于UWB通信的智能安全帽定位系统的结构示意图。一种基于UWB通信的智能安全帽定位系统，包括：
UWB定位装置，用于获取智能安全帽的定位信息；所述UWB定位装置包括至少一个标签单元和至少四个基站单元；所述标签单元集成在智能安全帽内，用于在进入定位区域时同时与各个基站单元进行UWB通信；所述基站单元用于与所述标签单元进行UWB通信，获取所述标签单元与基站单元进行UWB通信的时间并通过网络上传至位置解算服务器；
位置解算服务器，用于接收各个基站单元上传的标签单元与其进行UWB通信的时间，根据标签单元与各个基站单元进行UWB通信的时间采用TDOA算法计算标签单元与各个基站单元的距离，再根据标签单元与各个基站单元的距离采用三边测量法计算得到标签单元的坐标信息，并将标签单元的坐标信息通过网络发送至客户端；
客户端，用于接收所述位置解算服务器发送的标签单元的坐标信息，通过构建定位区域的全局地图，在全局地图中显示标签单元的定位点。
本发明的UWB定位装置包括至少一个标签单元和至少四个基站单元，例如在一个四边形的定位区域中最少需要四个基站单元才能实现完整覆盖，四个基站单元所围成的区域就是可以实现精确定位的定位区域。标签单元集成在智能安全帽内，即可根据对标签单元的精确定位实现对安全帽的精确定位，标签单元在进入定位区域时同时与各个基站单元进行UWB通信，向基站单元发送设备号，设备号用于对安全帽进行唯一性标记。基站单元设置在定位区域的边缘位置，其同时具备UWB通信功能及网络通信功能，根据标签单元同时发送的设备号，可以测量得到标签单元与基站单元进行UWB通信的时间，通过网络通信功能将标签单元设备号和信号到达时间上传到位置解算服务器。
本发明的位置解算服务器通过网络接收各个基站装置上传的标签单元设备编号及信号到达时间数据，采用TDOA算法计算标签单元与各个基站单元的距离，具体为分别计算标签单元与各个基站中两个基站单元进行UWB通信的时间差，根据UWB通信的时间差与电磁波速度的乘积得到标签单元与各个基站中两个基站单元的距离差，得到标签单元相对于两个基站单元的双曲线形运动轨迹；位置解算服务器再根据标签单元与各个基站单元的距离采用三边测量法计算得到标签单元的坐标信息，具体为将标签单元相对于各个基站中两个基站单元的多组双曲线形运动轨迹相交，采用三边测量法计算得到标签单元的坐标信息；最后位置解算服务器将标签单元的坐标信息通过网络发送至客户端。
本发明的客户端用于展示安全帽在室内地图上的具体位置信息，同时对安全帽进行管理。客户端通过位置解算服务器得到安全帽的坐标信息后，通过构建定位区域的全局地图，在全局地图上描绘标签单元的坐标点，从而显示出在地图上具体的位置点，实现精确定位显示。
下面结合具体实施例对发明的基于UWB通信的智能安全帽定位系统作进一步详细说明。
如图2所示，为本发明实施例中UWB定位装置在定位区域中的安装示意图。本发明定位区域中部署UWB定位装置，实现一个精确定位至少需要部署4个定位基站装置，记为BS1、BS2、BS3、BS4，分别安装在该区域的边缘处；在所需被定位的安全帽中安装标签单元，记为1、2。
当人员佩戴安全帽进入所需定位区域时，安全帽中的定位标签单元与定位区域内的各个基站单元通过UWB通信功能进行同时通信；各个基站单元通过与标签单元的通信获得标签单元的唯一设备号，及标签单元发射信号到达各个基站单元的时间，然后基站单元通过网络通信功能将标签单元设备号和信号到达时间上传到位置解算服务器。
位置解算服务器通过网络收集各个基站装置发送上来的标签单元设备编号及信号到达时间数据，并通过TDOA算法和三边测量法计算得到安装有标签单元的安全帽具体位置坐标，并将安全帽坐标通过网络发送到显示客户端软件。TDOA算法是一种基于无线电信号的定位技术，它是通过测量无线电信号到达不同信号监测装置天线的时间差，来实现对无线电信号发射装置进行定位。标签单元同时向基站单元BS1和BS4发送UWB信号，基站单元测量得到信号到达时间T1与T2，时间差为T1-T2，那么距离差＝时间差X电磁波速度，由此可以得到一条双曲线，标签单元在该曲线上；四个基站装置两两组合可以得到3个时间差，即3条双曲线，根据3条双曲线相交来实现对带标签装置安全帽的定位。
客户端软件通过加载所定位区域的室内地图，并将位置解算服务器所计算得到的坐标描绘在该室内地图上，从而直观的展示出该安全帽在室内的具体位置。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于UWB通信的智能安全帽定位系统，其特征在于，包括：
UWB定位装置，用于获取智能安全帽的定位信息；所述UWB定位装置包括至少一个标签单元和至少四个基站单元；所述标签单元集成在智能安全帽内，用于在进入定位区域时同时与各个基站单元进行UWB通信；所述基站单元用于与所述标签单元进行UWB通信，获取所述标签单元与基站单元进行UWB通信的时间并通过网络上传至位置解算服务器；
位置解算服务器，用于接收各个基站单元上传的标签单元与其进行UWB通信的时间，根据标签单元与各个基站单元进行UWB通信的时间采用TDOA算法计算标签单元与各个基站单元的距离，再根据标签单元与各个基站单元的距离采用三边测量法计算得到标签单元的坐标信息，并将标签单元的坐标信息通过网络发送至客户端；
客户端，用于接收所述位置解算服务器发送的标签单元的坐标信息，通过构建定位区域的全局地图，在全局地图中显示标签单元的定位点。
2.如权利要求1所述的基于UWB通信的智能安全帽定位系统，其特征在于，所述标签单元与基站单元进行UWB通信时向基站单元发送设备号，所述设备号用于对安全帽进行唯一性标记。
3.如权利要求1所述的基于UWB通信的智能安全帽定位系统，其特征在于，所述位置解算服务器根据标签单元与各个基站单元进行UWB通信的时间采用TDOA算法计算标签单元与各个基站单元的距离具体为分别计算标签单元与各个基站中两个基站单元进行UWB通信的时间差，根据UWB通信的时间差与电磁波速度的乘积得到标签单元与各个基站中两个基站单元的距离差，得到标签单元相对于两个基站单元的双曲线形运动轨迹。
4.如权利要求3所述的基于UWB通信的智能安全帽定位系统，其特征在于，所述位置解算服务器根据标签单元与各个基站单元的距离采用三边测量法计算得到标签单元的坐标信息具体为将标签单元相对于各个基站中两个基站单元的多组双曲线形运动轨迹相交，采用三边测量法计算得到标签单元的坐标信息。
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