CN108761388A - 基于uwb高精度测距定位系统的天线延迟校准方法 - Google Patents

Abstract

一种基于UWB高精度测距定位系统的天线延迟校准方法，通过将各待校准UWB模块设置于正多边形的各个顶点且面向正多边形的中心并与服务端通过总线相连，利用蒙特卡罗算法从初始值开始迭代双向测距并通过误差函数优化各个UWB模块的参数设置，直至确定每个UWB模块的天线延迟校准值。本发明能够不依赖于标准模块，采用优化的全局最优解搜索方法实现天线延迟校准。

Description

基于UWB高精度测距定位系统的天线延迟校准方法

技术领域

本发明涉及的是一种超宽带定位领域的技术，具体是一种基于超宽带(UltraWideband，UWB)测距定位系统中天线延迟的校准方法。

背景技术

UWB是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，其采用测量信号时间的方法测距，以到达时间法(TOF)和到达时间差法(TDOA)为应用最广，定位精度最高可达5～15cm。

在UWB收发模块中，准确的定位依赖于时间的精确测量。然而实际应用中，由于电路设计、天线设计的各不相同，会为信号发射与接收过程引入不同程度的延迟，而1ns的延迟会产生30cm的测量误差。现有的延迟校正方法为，以标准收发模块为依照，调节延迟参数使得测量结果与标准模块一致。在实际应用中，往往需要自行设计、定制和扩展模块功能，模块的参数也因设计的差别而各不相同，因此每个模块都需要单独校准，一次仅能校准一个模块，效率低下，不具有普适性。

发明内容

本发明针对现有校准方法中存在的不足，提出了一种基于UWB高精度测距定位系统的天线延迟校准方法，能够不依赖于标准模块，同时校准多个模块，采用优化的全局最优解搜索方法实现天线延迟校准，校准之后的误差3σ区间缩小至10cm以内。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明通过将各待校准UWB模块设置于正多边形的各个顶点且面向正多边形的中心并与服务端通过总线相连，利用蒙特卡罗算法从初始值开始迭代双向测距并通过误差函数优化各个UWB模块的参数设置，直至确定每个UWB模块的天线延迟校准值。

所述的待校准UWB模块与服务端借助IIC通信协议与服务端建立连接，完成测量校准，参数设定等一系列过程。

待校准的m个UWB模块设置在正m边形的各个顶点处，且天线需面向正多边形的中心，模块之间的距离需设置为固定长度，长度为通信芯片在所选发射频率和工作通道模式下对应的零偏工作距离并有实际距离矩阵L_a∈R^m×m。

所述的误差函数F＝||L_m-L_a||为取两个矩阵之间的距离的函数，其中：L_a代表各模块之间的真实距离矩阵，L_m代表某次双向测距获得的测量距离矩阵，F函数值越小，则测量值与真实值之差越小，校准越精确。

所述的迭代双向测距是指：各UWB模块两两进行双向测距，将结果传送至服务端进行误差函数计算，根据服务器回传的优化设定参数重设各个UWB模块，重复上述迭代过程，直到误差函数计算误差减小至满足误差3σ区间在10cm以内，即可认为校准过程完成，得到最优校准参数，即天线延迟校准值。

所述的迭代双向测距具体包括以下步骤：

1)初始参数设置：设待校准模块个数为m，随机设置n组各模块天线延迟组合向量，分别记为Delay₁，Delay₂，…Delay_n，其中：Delay_i＝[d₁ d₂ … d_m]为该组延迟向量中m个UWB模块各自的延迟数值。

2)将n组延迟分别作为各个UWB模块测距参数，进行双向测距，获得n个测距结果矩阵，和n个误差函数值，按照误差函数自小到大排序后，取出误差函数值最小的25％结果对应的延迟组合向量(Delay₁～Delay_[0.25n])。

3)将步骤2)取出的最优的25％延迟向量直接加入新的延迟向量组合，每组最优延迟向量分别随机叠加微小的变化量Δd之后，再加入新的延迟向量组合，最后扩充到n组延迟组合向量，另外扩充的50％采用随机生成的方式，循环步骤2)，直到达到最大迭代次数或达到上述误差范围内。

4)取出误差函数值最小的20％的天线延迟集合作为最优解集合，对其取均值作为最终的用于设置UWB模块延迟参数的天线延迟校准值。

技术效果

与现有技术相比，本发明不需要标准模块，普使用于任意自行设计扩展的UWB测距定位系统。在未知天线延迟数值的情况下，同时校准多个UWB模块，结合了随机生成与蒙特卡罗方法，优化误差函数，经过一定次数的迭代后能够达到较高精度。

附图说明

图1为本发明架构示意图；

图2为实施例示意图；

图3为本发明校准方法示意图；

图4作为图3的一部分，为实施例误差函数优化过程框图；

图中：A，B，C分别为三个待校准模块。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例包括：三个按照规则设置的待校准模块A、B、C，通过IIC连接总线与其相连的服务器端。

三个UWB模块的设置位置关系如图2所示，实施例所采用的模块尺寸为103mm×37mm×5mm。三个UWB模块分别位于等边三角形三个顶点，天线正面面对三角形的中心。正三角形边长为一确定已知的值l_a，该距离需要根据所选用芯片特性，选择芯片工作在零偏测距功率点时候的距离。

优选地，本实施例中的UWB芯片使用Decawave的DW1000芯片为例，该芯片在发射功率-41.3dBm/MHz，脉冲重复频率64MHz，通道5工作模式下，零偏工作距离l_a为5.01m。

优选地，本实施例中采用树莓派Raspberry PI 3B+作为服务端。

如图3所示，本实施例具体通过以下步骤实现校准：

1)设置最大迭代次数N，微调幅度限制Δd_max，延迟参数组集合大小n，实际距离矩阵根据模块所采用设计方案，设定最大延迟参数d_max，在0～d_max范围内随机产生n组初始天线延迟参数，分别记为Delay₁，Delay₂，…Delay_n。每个Delay_i＝[d₁ d₂d₃]，(i＝1～n)保存了第一、二、三校准模块的延迟参数，其中d_j代表第j模块上延迟参数，n的值需要根据校准精度的需求进行设置。

2)将n组延迟分别设置为各个UWB模块测距延迟参数，启动双向测距，获得n个测距结果矩阵L_m1，L_m2，…L_mn和n个误差函数值F₁，F₂…F_n，(i＝1～n)，其中：l_jk为j模块上所测得的j与k之间的距离。

所述的误差函数F_i＝||L_mi-L_a||，(i＝1～n)。

3)如图4所示，将误差函数值从小到大排列，取出误差函数值最小的25％结果对应的延迟向量(Delay₁～Delay_[0.25n])，更新n组延迟向量，随后回到步骤2)，直到达到设定迭代次数N，具体步骤如下：

3.1)将误差函数最小的延迟向量(Delay₁～Delay_[0.25n])加入新的集合；

3.2)对误差函数最小的延迟向量(Delay₁～Delay_[0.25n])分别叠加随机的微小变化量Δd，加入新的集合，其中Δd≤Δd_max，Δd_max为微调幅度限制；

3.3)剩余的0.5n组延迟向量采用(1)中所述的方法随机产生。

4)取出迭代最终结果中最优的20％延迟向量，取均值作为校准的最终结果。此时，经过多次迭代和搜索，n组延迟向量集合中始终含有上一次迭代中误差最优的一部分解，并继续进入下一次迭代过程，因此通过若干次的迭代过程，最优的一部分解得以保留，新搜索到的更优解会被记录并进入下一次迭代过程。最终，保留下来的是最接近真实延迟值的延迟向量，满足F_optimize＝||L_m-L_a||取得最小值。

如精度未达要求，可更改参数n，参数Δd_max和迭代次数N后重新运行校准。最后，将校准值写入UWB模块的寄存器中保存。

现有依靠标准模块的校准方法准确性高，依赖于精确校准过的标准参考模块，但是效率低下，标准模块难以获得。在Decawave的校准实验中，使用标准参考模块校准后的3σ区间范围缩小至4.5cm。

与现有技术相比，本方法可将误差3σ区间范围缩小至10cm以下，同样能够满足绝大多数的应用场景需求。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种基于UWB高精度测距定位系统的天线延迟校准方法，其特征在于，通过将各待校准UWB模块设置于正多边形的各个顶点且面向正多边形的中心并与服务端通过总线相连，利用蒙特卡罗算法从初始值开始迭代双向测距并通过误差函数优化各个UWB模块的参数设置，直至确定每个UWB模块的天线延迟校准值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，待校准的m个UWB模块设置在正m边形的各个顶点处，且天线需面向正多边形的中心，模块之间的距离需设置为固定长度，长度为通信芯片在所选发射频率和工作通道模式下对应的零偏工作距离并有实际距离矩阵L_a∈R^m×m。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的误差函数F＝||L_m-L_a||为取两个矩阵之间的距离的函数，其中：L_a代表各模块之间的真实距离矩阵，L_m代表某次双向测距获得的测量距离矩阵。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的迭代双向测距是指：各UWB模块两两进行双向测距，将结果传送至服务端进行误差函数计算，根据服务器回传的优化设定参数重设各个UWB模块，重复上述迭代过程，直到误差函数计算误差减小至满足误差3σ区间在10cm以内，即可认为校准过程完成，得到最优校准参数，即天线延迟校准值。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征是，所述的迭代双向测距具体包括以下步骤：

1)初始参数设置：设待校准模块个数为m，随机设置n组各模块天线延迟组合向量，分别记为Delay₁，Delay₂，…Delay_n，其中：Delay_i＝[d₁ d₂…d_m]为该组延迟向量中m个UWB模块各自的延迟数值；

2)将n组延迟分别作为各个UWB模块测距参数，进行双向测距，获得n个测距结果矩阵，和n个误差函数值，按照误差函数自小到大排序后，取出误差函数值最小的25％结果对应的延迟组合向量(Delay₁～Delay_[0.25n])；

3)将步骤2)取出的最优的25％延迟向量直接加入新的延迟向量组合，每组最优延迟向量分别随机叠加微小的变化量Δd之后，再加入新的延迟向量组合，最后扩充到n组延迟组合向量，另外扩充的50％采用随机生成的方式，循环步骤2)，直到达到最大迭代次数或达到上述误差范围内；

4)取出误差函数值最小的20％的天线延迟集合作为最优解集合，对其取均值作为最终的用于设置UWB模块延迟参数的天线延迟校准值。