CN107708204B - 基于卡尔曼滤波的uwb定位系统基站自标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于卡尔曼滤波的UWB定位系统基站自标定方法,包括如下步骤:假设0号基站的位置为(0,0,h0),假设1号基站的位置为(0,l01,h1),其中,l01表示1号基站和0号基站位置的距离,2号基站可以和0号基站和1号基站进行通信,测得l02和l12;分别对l02和l12进行卡尔曼滤波;根据2号基站的高度h2得到2号基站的坐标;依此类推,第n个基站通过测量其和第n‑1和n‑2个基站的距离,结合自身传感器测得的高度来解算出自己的坐标。采用本发明的方法,基站的位置可以自行标定,减小了UWB室内定位系统布置和展开时的难度,增加了系统的可移动性;算法简单,得到的基站位置精度较高;所提基站标定方法可以很容易地拓展至多个基站的情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用超宽带(Ultra Wideband,UWB)无线电波进行相对定位的系统中基站位置的自标定方法。
背景技术
目前,室内定位系统尚无较为完善的解决方案。基于UWB的室内定位方法由于具有抗多路径效应好、精度高、不需要载波调制等特点得到了广泛的研究和应用。基于UWB的室内定位系统由至少需要3个基站和若干个标签组成。在进行定位之前,首先要进行精密测量以确定基站的位置。而对基站位置的标定是较为困难的,尤其是在地面没有任何标志的情况下。这增加了UWB室内定位系统布置和展开时的难度,限制了系统的可移动性。浙江大学林志赟(专利申请号201710293070.4)针对三个基站的UWB定位系统,提出利用UWB无线通信技术进行通信获得任意两个基站之间的距离,然后得到由三个基站建立的平面直角坐标系的方法。该方法中隐含一个必要的条件,即假设所有的基站高度均相同。
发明内容
本发明旨在提出一种适用于UWB室内定位系统的基站位置自标定方法,该方法将赋予基站对自己位置进行标定的能力,减小了UWB室内定位系统系统布置和展开时的难度,增加了系统的可移动性。本发明可为基于UWB的无线电定位系统提供支撑,从而为无人飞行器、地面机器人等无人智能体提供局部范围内(例如室内)的高精度的位置、速度等信息。
本发明的技术方案如下:
基于卡尔曼滤波的UWB定位系统基站自标定方法,包括如下步骤:
步骤1:假设0号基站的位置为(0,0,h0),假设1号基站的位置为(0,l01,h1),其中,l01表示1号基站和0号基站位置的距离,2号基站可以和0号基站和1号基站进行通信,测得l02和l12;
步骤2:分别对l02和l12进行卡尔曼滤波;
步骤3:根据2号基站的高度h2得到2号基站的坐标;
步骤4:依步骤1-3的方法类推,第n个基站通过测量其和第n-1和n-2个基站的距离,结合自身传感器测得的高度来解算出自己的坐标。
进一步,所述第一步,假设当前为n号基站,在第k次迭代的过程中,若n=0,则直接可以将其位置定义为(0,0,h0),跳过之后的步骤;若n=1,则和0号基站通信,获得两者之间的距离;若n>1,则和n-1和n-2号基站分别进行通信,获取距离参数l(n-1)n和l(n-2)n。
进一步,所述第二步,分别对l(n-1)n和l(n-2)n进行卡尔曼滤波,滤波过程中,假设基站n是固定不动的;返回第一步,直到k大于设置的迭代次数;
进一步,所述第四步,确定基站的位置;
如果n=1,则其位置为(0,l01,h1);如果n>1,则有:
其中,l01、l(n-2)n、l(n-1)n、l(n-2)(n-1)均为第k次卡尔曼滤波得到的距离值,l01、l(n-2)n、l(n-1)n可以通过UWB通信测测得,l(n-2)(n-1)可以由n-2号基站和n-1号基站的位置计算得到;至此即可得到基站n的位置坐标,从而完成基站位置的自标定。
本发明的有益效果如下:
1、本发明提供一种可用于UWB定位的基站自标定方法,基站的位置可以自行标定,不需要人工再进行测量,减小了UWB室内定位系统布置和展开时的难度,增加了系统的可移动性。背景技术中的方法中隐含一个必要的条件,即假设所有的基站高度均相同,本发明不需要这一前提。
2、采用卡尔曼滤波对UWB基站测得的距离进行滤波,在一段时间之后,在通过测得的距离根据几何关系解算基站的坐标,算法简单,得到的基站位置精度较高。
3、所提基站标定方法可以很容易地拓展至多个基站的情况。
附图说明
图1是本发明中基站自标定的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明基于卡尔曼滤波的UWB定位系统基站自标定方法,先假设0号基站的位置为(0,0,h0),h0可以由其他传感器(例如超声波传感器、激光测距模块等)测得,假设1号基站的位置为(0,l01,h1),其中,l01表示1号基站和0号基站位置的距离,该距离可以通过UWB设备测得,h1可以由其他传感器测得;2号基站可以和0号基站和1号基站进行通信,测得l02和l12,并对l02和l12进行卡尔曼滤波,然后再根据2号基站的高度h2(由其他传感器测得)即可以得到2号基站的坐标。依此类推,第n个基站可以通过测量其和第n-1和n-2个基站的距离,结合自身传感器测得的高度来解算出自己的坐标。
本发明的具体步骤如下:
第一步,假设当前为n号基站,在第k次迭代的过程中,若n=0,则直接可以将其位置定义为(0,0,h0),h0可以由其他传感器(例如超声波传感器、激光测距模块等)测得,跳过之后的步骤;若n=1,则和0号基站通信,获得两者之间的距离;若n>1,则和n-1和n-2号基站分别进行通信,获取距离参数l(n-1)n和l(n-2)n;
第二步,分别对l(n-1)n和l(n-2)n进行卡尔曼滤波,滤波过程中,假设基站n是固定不动的;
第三步,返回第一步,直到k大于设置的迭代次数;
第四步,确定基站的位置。如果n=1,则其位置为(0,l01,h1);如果n>1,则有:
其中,l01、l(n-2)n、l(n-1)n、l(n-2)(n-1)均为第k次卡尔曼滤波得到的距离值,l01、l(n-2)n、l(n-1)n可以通过UWB通信测测得,l(n-2)(n-1)可以由n-2号基站和n-1号基站的位置计算得到。至此即可得到基站n的位置坐标,从而完成基站位置的自标定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.基于卡尔曼滤波的UWB定位系统基站自标定方法,包括如下步骤:
步骤1:假设0号基站的位置为(0,0,h0),假设1号基站的位置为(0,l01,h1),其中,l01表示1号基站和0号基站位置的距离,2号基站可以和0号基站和1号基站进行通信,测得l02和l12;其中,h0、h1、h2分别表示0、1、2号基站距离地面的高度,l02表示2号基站与0号基站的距离,l12表示2号基站与0号基站的距离;
步骤2:分别对l(n-1)n和l(n-2)n进行卡尔曼滤波,滤波过程中,假设基站n是固定不动的;返回步骤1,直到k大于设置的迭代次数;其中,l(n-1)n表示n号基站与n-1号基站的距离,l(n-2)n表示n号基站与n-2号基站的距离;
步骤3:根据2号基站的高度h2得到2号基站的坐标;
步骤4:依步骤1-3的方法类推,第n个基站通过测量其和第n-1和n-2个基站的距离,结合自身传感器测得的高度来解算出自己的坐标;
如果n=1,则其位置为(0,l01,h1);如果n>1,则有:
其中,l01、l(n-2)n、l(n-1)n、l(n-2)(n-1)均为第k次卡尔曼滤波得到的距离值,l01、l(n-2)n、l(n-1)n可以通过UWB通信测得,l(n-2)(n-1)可以由n-2号基站和n-1号基站的位置计算得到;至此即可得到基站n的位置坐标,从而完成基站位置的自标定;其中,l(n-2)(n-1)表示n-1号基站与n-2号基站的距离。
2.根据权利要求1所述的基于卡尔曼滤波的UWB定位系统基站自标定方法,其特征在于:所述步骤1,假设当前为n号基站,在第k次迭代的过程中,若n=0,则直接可以将其位置定义为(0,0,h0),跳过之后的步骤;若n=1,则和0号基站通信,获得两者之间的距离;若n>1,则和n-1和n-2号基站分别进行通信,获取距离参数l(n-1)n和l(n-2)n。
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