CN108692726A - 一种uwb室内定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种UWB室内定位方法，该方案采用一级定位基站和二级定位基站的配置，仅在一级定位基站配置本地时钟，能够无需铺设同步电缆，无需对若干个二级定位基站进行时钟同步，即可得到精确的到达时差，实现TDOA算法计算得出标签点的定位信息。

Description

一种UWB室内定位方法
技术领域
本发明涉及的是UWB定位领域，尤其是一种UWB室内定位方法。
背景技术
UWB定位系统普遍采用的是一个上位机和多个下位机的结构，实现了目标物体的室内定位以及在上位机中显示目标物体的置的功能。下位机负责获取时间戳，上位机主要是负责计算位置和显示目标物体的位置，上位机和下位机的通信通过ｎＲＦ２４Ｌ０１实现。下位机的硬件部分是基于ＵＷＢ（ＩＥＥＥ８０２．１５．４）协议组成的无线传感器网络，包括４个锚节点（Ａｎｃｈｏｒ）、１个标签节点（Ｔａｇ），软件部分主要是通过锚节点和标签节点的信息交互来获取时间戳，然后通过ｎＲＦ２４Ｌ０１发送到上位机。上位机软件通过串口接收到数据，并利用改进的ＴＤＯＡ定位算法和卡尔曼滤波算法计算并显示出目标物体的位置。
但是，由于定位系统是基于ＴＤＯＡ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ，到达时间差）定位思想实现的，需要所有的锚节点在开始工作的时候实现时钟同步。为了实现时钟同步，目前采用的方式都是在各个锚节点之间安装同步电缆，导致了UWB定位系统前期铺设成本较高。
并且，由于同步电缆在较大的场地中实施也会产生较大的误差，因此制约了UWB定位系统在大场地（上万平米）的实施和应用发展。
发明内容
本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种UWB室内定位方法技术方案，该方案采用一级定位基站和二级定位基站的配置，仅在一级定位基站配置本地时钟，能够无需铺设同步电缆，无需对若干个二级定位基站进行时钟同步，即可得到精确的到达时差，实现TDOA算法计算得出标签点的定位信息。
本方案是通过如下技术措施来实现的：
一种UWB室内定位方法，包括有以下步骤：
a、在定位区域内设置一个定位标签点、一个一级定位基站，若干个二级定位基站；
b、对各个定位基站编号，其中一级定位基站编号为1号，其余二级定位基站依次从2号编至n号；
c、分别测量各个二级定位基站传输基站编码信号至一级定位基站的时间，记为tn’，n为二级定位基站编号；
d、定位标签点发出的标签信号均会被一级定位基站和所有二级定位基站接收，并且二级定位基站在接收到标签信号时同步向一级定位基站发送基站编码信号；
e、在定位标签点发出定位信号时一级定位基站开始同步计时，一级定位基站通过本地时钟记录接收到标签信号的时间t1；一级定位基站通过本地时钟记录接收到各个二级定位基站传输的基站编码信号的时间Tn，n为二级定位基站编号；
d、计算出定位标签点发出的标签信号传输至各个二级定位基站的时间tn：
tn=Tn- tn’；
e、计算得出定位标签点发出的标签信号传输至各个二级定位基站的时间tn与一级定位基站通过本地时钟记录接收到标签信号的时间t1之间的时间差△tn：
△tn= tn-t1
即△tn= Tn- tn’- t1
n为二级定位基站编号；
f、计算得出各个二级定位基站之间接收到定位标签点发出的标签信号的时间差△tn/n+X：
△tn/n+X=tn+X-tn
即△tn/n+X=Tn+X- tn+X’- Tn + tn’
其中，X为自然数；
g、将计算得出的△tn和△tn/n+X代入TDOA算法并结合卡尔曼滤波算法即可计算出定位标签点的位置信息，完成定位。
作为本方案的优选：二级定位基站的数量不少于3个。
作为本方案的优选：二级定位基站中不设置本地时钟。
作为本方案的优选：二级定位基站与一级定位基站之间无同步电缆连接。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中二级定位基站在接收到标签信号后会同时向一级定位基站发送编码信号，信号的接收计时均由一级定位基站的本地时钟统一计时，由此免去了各个基站分别计时所需的时钟信号同步的问题，无需额外铺设同步电缆，极大地减少了设备安装成本，降低了系统误差。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的示意图。
图2为二级定位基站向一级定位基站传输编码信号的示意图。
图3为定位标签点向各个基站传输标签信号的示意图。
图中，1为一级定位基站，2-4为二级定位基站，5为定位标签点。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
如图所示，设置有一个定位标签点，一个一级定位基站（1号），三个二级定位基站（2、3、4号），在设备安装完成后。首先按照图2所示，测试各个二级定位基站传输编码信号至一级定位基站的时间，分别为t2’、 t3’、 t4’。
然后按照图1所示，开始定位工作，在定位标签点发出标签信号的同时，一级定位基站（1号基站）本地时钟开始计时，接收到标签信号的二级定位基站向一级定位基站传输编码信号，一级定位基站分别记录接收到标签信号和各个编码信号的时间：T1、T2、T3、T4。
然后通过计算得到定位标签点发出的标签信号传输至各个二级定位基站的时间tn，即：
t2=T2- t2’
t3=T3- t3’
t4=T4- t4’。
然后即可计算得到各个二级定位基站的时间tn与一级定位基站通过本地时钟记录接收到标签信号的时间t1之间的到达时差△tn，即：
△t2= t2-t1
△t3= t3-t1
△t4= t4-t1。
另外，相应的也能够计算出两个二级定位基站之间的定位标签信号的到达时差△tn/n+X，即：
△t2/3=t3-t2
△t3/4=t4-t3
△t2/4=t4-t2
将上述各组到达时差代入TDOA算法中并结合卡尔曼滤波算法即可计算出定位标签点的位置信息，完成定位。
本发明无需铺设同步电缆，无需对若干个二级定位基站进行时钟同步，即可得到精确的到达时差，实现TDOA算法计算得出标签点的定位信息。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (4)

1.一种UWB室内定位方法，其特征是：包括有以下步骤：
a、在定位区域内设置一个定位标签点、一个一级定位基站，若干个二级定位基站；
b、对各个定位基站编号，其中一级定位基站编号为1号，其余二级定位基站依次从2号编至n号；
c、分别测量各个二级定位基站传输基站编码信号至一级定位基站的时间，记为tn’，n为二级定位基站编号；
d、定位标签点发出的标签信号均会被一级定位基站和所有二级定位基站接收，并且二级定位基站在接收到标签信号时同步向一级定位基站发送基站编码信号；
e、在定位标签点发出定位信号时一级定位基站开始同步计时，一级定位基站通过本地时钟记录接收到标签信号的时间t1；一级定位基站通过本地时钟记录接收到各个二级定位基站传输的基站编码信号的时间Tn，n为二级定位基站编号；
d、计算出定位标签点发出的标签信号传输至各个二级定位基站的时间tn：
tn=Tn- tn’；
e、计算得出定位标签点发出的标签信号传输至各个二级定位基站的时间tn与一级定位基站通过本地时钟记录接收到标签信号的时间t1之间的时间差△tn：
△tn= tn-t1
即△tn= Tn- tn’- t1
n为二级定位基站编号；
f、计算得出各个二级定位基站之间接收到定位标签点发出的标签信号的时间差△tn/n+X：
△tn/n+X=tn+X-tn
即△tn/n+X=Tn+X- tn+X’- Tn + tn’
其中，X为自然数；
g、将计算得出的△tn和△tn/n+X代入TDOA算法并结合卡尔曼滤波算法即可计算出定位标签点的位置信息，完成定位。
2.根据权利要求1所述的一种UWB室内定位方法，其特征是：所述二级定位基站的数量不少于3个。
3.根据权利要求1所述的一种UWB室内定位方法，其特征是：所述二级定位基站中不设置本地时钟。
4.根据权利要求1所述的一种UWB室内定位方法，其特征是：所述二级定位基站与一级定位基站之间无同步电缆连接。
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