CN107948920A - 一种基于ads‑twr的井下uwb多基站定位区域判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于ADS‑TWR的井下UWB多基站定位区域判定方法，通过在井下多基站定位中，采用超宽带通信技术，利用非对称双边双向测距算法，引入“区域判定”、“区域校正”机制，降低定位复杂度。本发明并不是在每次定位时都向所有测距基站请求连接，而是首先利用ADS‑TWR算法的高精度测距优势，准确判定移动标签的区域，然后在定位时只与区域内测距基站建立UWB通信，有效解决了移动标签每次定位都需广播Poll请求帧而产生大量无效通信的问题，大幅减少上位机获取一组测距信息的时间。同时，本发明降低节点功耗，为高精度、高实时性定位的实现提供保障。

Description

一种基于ADS-TWR的井下UWB多基站定位区域判定方法

技术领域

本发明涉及移动无线通信以及位置的服务技术领域，具体涉及一种基于ADS-TWR的井下UWB多基站定位区域判定方法。

背景技术

随着工业物联网与人工智能技术在煤矿领域的不断发展，煤矿井下人员与设备的位置信息已经成为十分重要的基础信息。目前，多采用RFID、WiFi、ZigBee、蓝牙等无线技术实现矿井巷道下的物体定位，但由于定位精度差等问题，无法满足井下高精度定位的要求。而超宽带(Ultra Wideband,UWB)技术具有时间分辨率高，穿透力强，抗多径衰弱能力和抗干扰能力强等特点，能够有效克服传统井下无线定位技术的缺陷。

UWB定位技术通常是基于TOF(Time of Fligh)传播时间测距算法、TW-TOF(TwoWay TOF)双向测距算法来实现。但是，TOF算法对测距基站与移动标签的时钟同步有严格要求，TW-TOF算法易受节点时钟偏移的影响，导致测距精度都不高，从而影响定位精度。而ADS-TWR(Asymmetric Double Sided Two-Way Ranging)非对称双边双向算法既可消除节点时钟未同步对精度的影响，又能够有效抑制节点时钟偏移引起的误差，因此满足高精度测距要求。

考虑到井下狭长空间中多基站分布情况，移动标签的每一次定位通常都需要向井下所有测距基站广播Poll帧，并与通信范围内的测距基站按ADS-TWR测距原理实现信息交互并测距，而完成井下移动标签一维定位只需要两个基站参与测距即可。所以对于这种定位方式，除了与参与定位的两个基站建立的通信是有效的，其余通信都是无效的，这样既大量消耗节点功率，又大幅增加获取一组距离的时间，严重影响定位的实时性和定位精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ADS-TWR的井下UWB多基站定位区域判定方法，以解决井下UWB多基站定位中移动标签广播Poll请求帧而产生大量无效通信的问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于ADS-TWR的井下UWB多基站定位区域判定方法，包括以下步骤：

(1)根据测距基站与UWB移动标签的通信距离，将多个测距基站按照不大于通信距离的尺寸等间距的分布在井下巷道壁的一侧，并保持在同一水平上，每两个相邻的测距基站确定一个区域R_j；

(2)将UWB移动标签配置在井下定位目标上，初始化移动标签，通过移动标签向所有测距基站广播Poll请求帧，移动标签通信范围内的测距基站分别与其建立连接，计算测距基站相对移动标签的距离；

(3)测距基站将距离信息通过Report帧回传给移动标签，移动标签根据获取的距离集选择两个最近的测距基站并判定所在区域；

(4)根据判定区域，移动标签向判定区域内的测距基站发送Poll帧，并时刻检测与区域内测距基站信息交互过程中的异常情况以及测距基站通过Report帧回传的距离信息，判断移动标签所在区域的变化和异常，进行区域校正；

(5)上位机获取到区域内测距基站测得的距离信息，根据测距基站固定坐标，通过定位算法解算出移动标签的坐标，完成一维定位。

进一步的，所述步骤(2)中，计算测距基站相对移动标签的距离采用ADS-TWR测距算法，具体包括以下步骤：

(21)通过UWB移动标签向测距基站发送Poll请求帧，测距基站接收Poll帧，并向移动标签发送应答帧Resp，计算距基站接收Poll帧和发送应答帧的时间间隔t_replyB；

(22)移动标签接收Resp帧，并向移动标签向测距基站发送终止帧Final，计算移动标签发送Poll请求帧与接收Resp帧之间的时间间隔t_roundA；

(23)测距基站接收Final帧，计算测距基站发送应答帧与接收Resp帧的时间间隔t_roundB；

(24)通过以下公式计算测距基站相对移动标签的距离：

其中，t_tof为移动标签与测距基站间UWB信号单向传播时间为，d为距离值，c为电磁波传播速度值。

进一步的，所述步骤(3)中，判定所在区域，具体包括以下步骤：

(31)建立三元组模型：

RD-＞{I,D,R}

其中，I表示测距基站编号的集合，D表示测距基站回传给同一移动标签的距离集合，R表示划分区域的集合；

(32)将所有移动标签通信范围内的测距基站与移动标签进行信息交互，完成测距，并分别将距离信息通过Report帧发送至移动标签，在移动标签端构成距离集D；

(33)移动标签根据测距基站回传给同一移动标签的距离集合D与测距基站编号的映射关系，选择测最近基站，并根据测距基站与测距基站编号的映射关系判定移动标签所在区域R_j。

进一步的，所述步骤(4)中，进行区域校正，具体为：

判定测距基站是否相邻，若测距基站无法判定移动标签所在区域，则返回步骤(2)、(3)进行区域校正；

在定位过程中，移动标签多次向区域内测距基站发送Poll帧时，若测距基站未接收到相应的应答帧Resp，则返回所述步骤(2)、(3)，进行区域校正；

定位过程中，区域内测距基站向移动标签回传距离后，移动标签接收回传帧Report超时，则返回所述步骤(2)、(3)，进行区域校正；

根据区域内测距基站通过Report回传的距离，若判定区域已不是移动标签实际所在区域，需返回步骤(2)、(3)，进行区域校正。

本发明采用UWB技术，移动标签获取到各测距基站测得的距离信息，选择最近的两个测距基站，判定所在区域，并引入“区域校正”机制，确保移动标签区域的准确性。

由上述技术方案可知，本发明所述的移动标签区域判定方法，利用ADS-TWR算法的高精度测距优势，判定移动标签的准确区域，并在多基站定位中只与区域内测距基站建立UWB通信，而不是向所有测距基站请求连接，有效解决了移动标签每次定位都需广播Poll请求帧而产生大量无效通信的问题，大幅减少上位机获取一组测距信息的时间，同时降低节点功耗，为实现高精度、高实时性定位提供保障。

附图说明

图1为本发明实例中井下多基站分布图；

图2为本发明实例中UWB移动标签与测距基站的结构框图；

图3为本发明实例中ADS-TWR测距算法示意图；

图4为本发明实例中基于ADS-TWR的回传帧工作机制示意图；

图5为本发明实例中区域判定三元组模型关系图；

图6为本发明实例中基于区域判定的定位流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1-6所示，一种基于ADS-TWR的井下UWB多基站定位区域判定方法，具体步骤如下：

S1：多基站等间距分布：

根据测距基站与UWB移动标签的通信距离，将多个测距基站按照不大于通信距离的尺寸等间距的分布在井下巷道壁的一侧，并保持在同一水平上，每两个相邻的测距基站确定一个区域R_j；

如图1所示，如多个UWB测距基站A0～An，将所有测距基站等间距地分布在井下巷道壁的一侧，设测距基站与移动标签T的通信距离可达m米，选取测距基站间距l≤m米，例如l＝m/2米，每两个相邻的测距基站便构成了一个长为m米的区域Rj，配置移动标签在井下定位目标上，例如某个移动标签T所在区域为R₂。

其中，UWB测距基站与UWB移动标签均由主处理器(MCU)以及连接在主处理器上的UWB无线收发模块、其他外设组成。如图2所示，本发明采用含有以太网模块的STM32F107芯片作为MCU，DW1000芯片作为UWB无线收发模块。

S2：测距基站的高精度测距：

移动标签初始化后，向所有测距基站广播Poll请求帧，移动标签通信范围内的测距基站分别与其建立UWB通信，并按图3所示ADS-TWR测距算法完成信息交互，最终计算出相对于移动标签的精确距离。ADS-TWR测距算法的具体过程如下：

S21：由UWB移动标签发起，向UWB测距基站发送请求帧Poll，记发送时刻为t₁，测距基站在a₁时刻接收到Poll帧，并经过t_replyB时间，在a₂时刻向移动标签发送应答帧Resp，则t_replyB＝a₂–a₁；

S22：移动标签在t₂时刻接收到Resp帧，则t_roundA＝t₂–t₁。并经过t_replyA时间，在t₃向测距基站发送终止帧Final，便有t_replyA＝t₃–t₂；

S23：测距基站在a₃时刻接收到Final帧，则t_roundB＝a₃–a₂；

S24：设移动标签与测距基站间UWB信号单向传播时间为t_tof，则：

2t_tof＝t_roundA-t_replyB (1)

2t_tof＝t_roundB-t_replyA (2)

S25：移动标签通过Final帧将t_roundA、t_replyA值发送至测距基站端，测距基站再根据t_replyB、t_roundB计算出t_tof值：

t_tof确定后，测距基站计算出相对于移动标签的距离：

d＝c×t_tof (4)

其中，d为距离值，c为电磁波传播速度值。

结合图1，移动标签T初始化后，向测距基站A₀至A_n广播Poll请求帧，由于测距基站A₄～A_n所在位置超过移动标签T的通信距离，只有测距基站A₀～A₃与移动标签T建立UWB通信，并分别根据以上ADS-TWR算法的具体过程进行信息交互，完成高精度测距，最终测距精度可达20cm以内。

S3：移动标签的区域判定:

图4是基于ADS-TWR的回传帧工作机制，在ADS-TWR测距的基础上，增加一个回传帧Report，将测距基站测得的高精度距离发送至移动标签端，移动标签根据距离集选择两个最近的基站并判定所在区域，实现本发明提出的基于ADS-TWR的区域判定方法。

移动标签区域判定方法的具体过程如下：

S31：对于区域判定方法，建立三元组模型：

RD-＞{I,D,R}

其中，I表示测距基站编号的集合，D表示测距基站回传给同一移动标签的距离集合，R表示划分区域的集合。设测距基站A_i、A_j构成区域R_j(i、j为测距基站编号，并满足j＝i+1)，测得距离为d_i、d_j，则三元组I、D、R之间关系如图5。

根据关系图5，得到各元组映射关系：

f(D)＝{i,j},i,j∈I (5)

其中i、j满足条件d_i＝min(D)，d_j＝min(D-d_i)或d_j＝min(D)，d_i＝min(D-d_j)。

f(i,j)＝R_j,i＝j-1 (6)

g(R_j)＝{i,j},i＝j-1 (7)

S32：所有移动标签通信范围内的测距基站将测得的高精度距离信息通过Report帧发送至移动标签，在移动标签端构成距离集D。

S33：移动标签根据式(5)选择测距基站A_i、A_j作为最近测距基站，并通过式(6)判定移动标签所在区域R_j。

结合图1，可与移动标签T实现通信的测距基站A₀～A₃分别通过Report帧将测得距离d₀～d₃回传给T，在移动标签端构成距离集D{d₀，d₁，d₂，d₃}。移动标签T根据式(5)判断最短的两个距离d₁、d₂，即A₁、A₂为最近相邻测距基站，再根据式(6)判定T所在区域为R₂。

S4：移动标签的区域校正：

区域确定后，在此后的定位时，移动标签根据式(7)，确定区域内测距基站A_i、A_j，便只向A_i、A_j发送Poll帧，并时刻检测如图4信息交互中的异常情况以及测距基站A_i、A_j回传的距离信息d_i、d_j，判断移动标签区域的变化和异常，进行区域校正；

区域校正的情况包括：

(1)j≠i+1。即最近基站不相邻。移动标签初始化后，根据距离集D，由式(5)返回最近测距基站编号i、j，假设j>i，而j≠i+1，则测距基站A_i、A_j无法判定移动标签所在区域，需返回步骤2、3，进行区域校正。

(2)测距基站无响应。定位过程中，移动标签多次尝试向区域内测距基站A_i或A_j发送Poll帧时，未接收到A_i或A_j的应答帧Resp，表明测距基站A_i、A_j至少有一个已不在移动标签通信范围内，需返回步骤2、3，进行区域校正。

(3)距离回传超时。定位过程中，区域内测距基站A_i、A_j向移动标签回传距离后，移动标签接收回传帧Report超时，即移动标签无法确定距离d_i、d_j，因此便无法根据式(8)判断区域R_j的变化以及异常的产生，影响定位的实现，需返回步骤2、3，进行区域校正。

(4)回传距离d_i、d_j变化。对于区域内测距基站A_i、A_j通过Report回传的距离d_i、d_j，根据式(8)，若d_j>l且d_i<l，R_j＝R_j-1；若d_j<l且d_i>l，R_j＝R_j+1；若d_j<l且d_i<l，区域R_j不变；若d_j>l且d_i>l，则区域R_j已不是移动标签实际所在区域，需返回步骤2、3，进行区域校正。

结合图1，移动标签T所在区域R₂确定后，便只与区域内测距基站A₁、A₂进行UWB通信，同时检测图4信息交互中出现的异常信号，当出现上述异常情况和区域变化时，进行移动标签T的区域校正。

S5：移动标签的定位解析：

如图5，引入“区域判定”和“区域校正”思想后，移动标签在定位过程中能够准确判断其所在区域，只需与区域内测距基站通信便能完成定位，解决了传统多基站定位系统中所有测距基站参与同一移动标签定位的问题，降低了定位复杂度，增强定位的实时性和稳定性。上位机只需获取到区域内测距基站A_i、A_j测得的距离信息d_i、d_j，根据测距基站固定坐标A_i(x_i,y_i)、A_j(x_j,y_j)，通过定位算法解算出移动标签的坐标，完成移动标签的一维定位。

结合图1，移动标签T的区域内测距基站A₁、A₂测得高精度距离，并上传至上位机，上位机根据A₁、A₂已知坐标A₁(x₁,y₁)、A₂(x₂,y₂)，通过定位算法便可解算出移动标签T的横向坐标，实现T的一次一维定位。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于ADS-TWR的井下UWB多基站定位区域判定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据测距基站与UWB移动标签的通信距离，将多个测距基站按照不大于通信距离的尺寸等间距的分布在井下巷道壁的一侧，并保持在同一水平上，每两个相邻的测距基站确定一个区域R_j；

(2)将UWB移动标签配置在井下定位目标上，初始化移动标签，通过移动标签向所有测距基站广播Poll请求帧，移动标签通信范围内的测距基站分别与其建立连接，计算测距基站相对移动标签的距离；

(3)测距基站将距离信息通过Report帧回传给移动标签，移动标签根据获取的距离集选择两个最近的测距基站并判定所在区域；

(4)根据判定区域，移动标签向判定区域内的测距基站发送Poll帧，并时刻检测与区域内测距基站信息交互过程中的异常情况以及测距基站通过Report帧回传的距离信息，判断移动标签所在区域的变化和异常，进行区域校正；

(5)上位机获取到区域内测距基站测得的距离信息，根据测距基站固定坐标，通过定位算法解算出移动标签的坐标，完成一维定位。

2.根据权利要求1所述的基于ADS-TWR的井下UWB多基站定位区域判定方法，其特征在于：所述步骤(2)中，计算测距基站相对移动标签的距离采用ADS-TWR测距算法，具体包括以下步骤：

(21)通过UWB移动标签向测距基站发送Poll请求帧，测距基站接收Poll帧，并向移动标签发送应答帧Resp，计算距基站接收Poll帧和发送应答帧的时间间隔t_replyB；

(22)移动标签接收Resp帧，并向移动标签向测距基站发送终止帧Final，计算移动标签发送Poll请求帧与接收Resp帧之间的时间间隔t_roundA；

(23)测距基站接收Final帧，计算测距基站发送应答帧与接收Resp帧的时间间隔t_roundB；

(24)通过以下公式计算测距基站相对移动标签的距离：

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>o</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>4</mn> </mfrac> <mo>(</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>o</mi> <mi>u</mi> <mi>n</mi> <mi>d</mi> <mi>A</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>p</mi> <mi>l</mi> <mi>y</mi> <mi>A</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>o</mi> <mi>u</mi> <mi>n</mi> <mi>d</mi> <mi>B</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>p</mi> <mi>l</mi> <mi>y</mi> <mi>B</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>d</mi> <mo>=</mo> <mi>c</mi> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>o</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

其中，t_tof为移动标签与测距基站间UWB信号单向传播时间为，d为距离值，c为电磁波传播速度值。

3.根据权利要求1所述的基于ADS-TWR的井下UWB多基站定位区域判定方法，其特征在于：所述步骤(3)中，判定所在区域，具体包括以下步骤：

(31)建立三元组模型：

RD-＞{I,D,R}

其中，I表示测距基站编号的集合，D表示测距基站回传给同一移动标签的距离集合，R表示划分区域的集合；

(32)将所有移动标签通信范围内的测距基站与移动标签进行信息交互，完成测距，并分别将距离信息通过Report帧发送至移动标签，在移动标签端构成距离集D；

(33)移动标签根据测距基站回传给同一移动标签的距离集合D与测距基站编号的映射关系，选择测最近基站，并根据测距基站与测距基站编号的映射关系判定移动标签所在区域R_j。

4.根据权利要求1所述的基于ADS-TWR的井下UWB多基站定位区域判定方法，其特征在于：所述步骤(4)中，进行区域校正，具体为：

判定测距基站是否相邻，若测距基站无法判定移动标签所在区域，则返回步骤(2)、(3)进行区域校正；

在定位过程中，移动标签多次向区域内测距基站发送Poll帧时，若测距基站未接收到相应的应答帧Resp，则返回所述步骤(2)、(3)，进行区域校正；

定位过程中，区域内测距基站向移动标签回传距离后，移动标签接收回传帧Report超时，则返回所述步骤(2)、(3)，进行区域校正；

根据区域内测距基站通过Report回传的距离，若判定区域已不是移动标签实际所在区域，需返回步骤(2)、(3)，进行区域校正。