CN109283565A - 基于uwb融合gps与惯性导航的室内外定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统及方法，由标签分系统、基站分系统、数据处理分系统组成。是一种基于UWB融合GPS与惯性导航捷联的室内外定位系统和定位方法，利用UWB技术和惯性导航实现目标用户在室内室外不同环境中的动态精确定位及完整数据采集。主要应用于物联网行业、旅游行业、商业场所、机场、消防、公安、军事、停车场、医院、机器人、无人机、隧道矿井等。

Description

基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统，属于电子信息技术领域。

背景技术

导航定位技术的应用已经渗透到国民经济和社会发展的各个领域。室外定位以全球导航卫星系统(GNSS)为代表，发展已经很成熟，具有无需布设传输线路且传输速度快，不受距离限制等优点，因此GNSS更适用于在相对空旷的地方进行定位。随着社会需要的发展，众多行业对室内定位技术也提出迫切的需求，例如物联网行业、旅游行业、商业场所、机场、消防、公安、军用、停车场、医院、机器人、无人机、隧道矿井等。而能同时在室内室外取得高精准度定位的产品寥寥无几，本发明就是要解决室内室外定位数据无缝衔接，精准无误的问题。

目前关于室内定位虽然有多种解决方案，例如WIFI定位、超声波定位、蓝牙定位、地磁定位、卫星定位、射频识别、红外线定位、Zigbee定位等，但是由于技术局限以及成本问题，尚未有像GNSS定位技术一样让不同用户满意的成熟产品，这些技术要么定位精度无法满足要求，要么成本太高难以推广，因此室内定位技术已成为在人员管理、资产管理、公共安全、突发事件处理等方面的研究热点。

UWB(Ultra Wideband)是一种无载通信技术，根据美国联邦通信委员会(FederalCommunications Commission of the United States)的标准，UWB的工作频段为3.1～10.6GHz，-10dB带宽与系统中心频率的比值大于20％，系统带宽至少为500MHz。利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，相较于传统的无线通讯方式，UWB有本质的区别。

UWB定位过程中，先确定一个参照标签的具体位置，然后通过四周安装好的基站得出目标携带的UWB标签相对于参照标签的位置信息，最终传给远程主机。UWB技术在挑战性的应用环境中依然具有较高的定位精度和很好的稳定性，并且具有以下优点：高抗干扰能力、厘米级的定位精度、低能耗、收发器体积小等，使其能够满足高精度室内定位要求。并且我们结合惯性导航模块，对人员姿态数据进行采集，对于即将发生的危险进行预警告知，对已经发生的情况及时定位报警。

当人员即将脱离UWB信号收发范围时，根据标签内部程序自动对UWB信号和GPS信号的定位方式进行切换，同时在切换过程中，通过惯导对切换期位置进行定位，达到位置信息不断线，行进数据不丢失。

由于室内环境复杂多变，且无法接收GPS信号，使得目前室内定位有一定的困难。虽然UWB可以满足室内高精度定位的要求，但是在多数条件下人员无可避免的会在室外活动，而此时则需要使用GPS定位，若使用两套信号接收设备势必会增加使用人员的负担，同时提高定位成本。将室内高精度定位与室外定位集成在同一系统是当前的攻关难点，同时也是一次技术的革新。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统及方法，克服现有技术不能同时满足室内室外使用同一系统进行高精度定位、UWB与GPS切换以及UWB与GPS信号不能无缝衔接、位置数据不连贯不完整的问题。提供一种基于UWB融合GPS与惯性导航捷联的室内外定位系统和定位方法，利用UWB技术和惯性导航实现目标用户在室内室外不同环境中的动态精确定位及完整数据采集。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统，包括基站分系统、标签分系统、数据处理分系统；

所述基站分系统由若干基站组成，基站固定在室内不同位置，每个独立室内目标区域至少需要固定四个基站；

所述标签分系统由若干可移动的标签组成，标签设置于每个目标用户上；

所述基站包括Cortex-M4芯片、基站DWM1000模块、基站串口模块、LED指示灯、以太网模块；基站DWM1000模块、以太网模块、基站串口模块、LED指示灯均与Cortex-M4芯片相连；

所述标签包括Cortex-M3芯片、标签DWM1000模块、标签串口模块、GPS模块、GPRS模块、惯性导航模块、电源模块、LED指示灯；标签DWM1000模块、标签串口模块、GPS模块、GPRS模块、惯性导航模块、电源模块、LED指示灯均与Cortex-M3芯片相连；

所述Cortex-M4芯片为STM32F4系列，用于执行基站DWM1000模块定位的相关代码及数据的储存收发；

所述Cortex-M3芯片为STM32F10x系列，用于执行标签DWM1000模块定位的相关代码及数据的储存收发；

所述DWM1000模块用于对室内目标距离数据的测量收发，并通过多基站对标签不同距离数据解算出目标精确位置信息；

所述GPS模块对室外目标位置进行定位，所述GPRS模块将定位信息发送至解算服务器；

所述基站串口模块采用USB虚拟串口输出与UART4输出，用于外接电源、数据传输和调试；

所述标签串口模块采用UART4输出，用于调试；

所述惯性导航模块检测GPS模块与标签DWM1000模块在空间中的姿态来消除误差，同时在GPS信号与UWB信号进行切换产生盲区时，依据上一位置数据提供目标的可靠位置信息；进一步的，当室内UWB信号产生遮蔽或无法接收时，启动惯导继续定位并产生位置信息；

所述以太网模块用于基站和数据处理分系统之间的位置数据传输；

所述数据处理分系统由解算服务器和上位机软件组成，用于对接收的位置数据进行结算存储；所述上位机软件可适用于PC端和移动端，采用BS模式或CS模式。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：

前述基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统，基站控制方法为：

当基站上电后，程序开启定时器，若定时器走完没有被中断，则代表基站注册表为空，基站进入BLK_WAIT状态，等待接收标签广播的blk消息，若收到blk消息，则构造标签的结构体将其依次放入基站注册表中并中断定时器，开启定时器进入RNG_SEND状态，若基站没有收到blk消息，则程序回到等待接收blk信息状态；

若定时器被打断，则基站进入RNG_SEND状态，按照注册表中标签顺序对该顺序标签发送range_init消息，之后进入FINAL_WAIT状态，基站打开接收程序，若收到标签发来的final消息，则解析final消息包，获取标签的range_init接收时戳和final发送时戳，根据range_init接收时戳和final发送时戳的时间差乘以光速计算基站和标签的距离，并将距离上报服务器，之后清空该标签在注册表位置，待定时器中断跳出循环回到RANGE_SEND状态，若基站没有接收到final消息，则程序将该标签随机插到注册表其他位置，对注册表下一个标签发送range_init消息。

前述基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统，标签控制方法为：

当标签上电之后，首先进入BLK-SEND状态，以广播的方式向周围基站发送bLk消息，发送后进入接收RNG_WAIT状态；当标签收到基站发送的rangr_init消息后，进入FINAL_SEND状态，向基站点对点发送final消息；若标签未收到range_init消息，则进入休眠状态。

前述基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统，室内定位的方法为：

室内定位时，将基站固定于室内不同位置，其位置需通过其他方法测量，输入到系统中作为参考点；标签是需要定位的目标，定位的过程为：每个定位标签分别与每个基站进行通信，以得到标签与基站之间的距离，每个基站将测距结果传输到数据处理分系统，当数据处理分系统同时得到一个标签与两个基站之间的距离的时候，就可以对该标签进行二维定位，当数据处理分系统同时得到一个标签与三个基站之间的距离的时候，就可以对该标签进行三维定位；在测距的同时，通过惯导获取标签的姿态，当对两个以上的基站进行测距后，即可进行第一次定位解算，得到标签的粗略位置，根据此粗略位置与标签的姿态，计算标签与基站的相对方向，然后查找标签与每个基站的延迟参数，通过算法将该方向对应的延迟量消除掉，从而得到精确的距离，然后使用这些修正后的精确距离进行第二次定位解算，即可得到标签的精确位置。

前述基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统，室外定位方法为：

室外定位时，标签是需要定位的目标，当标签打开接通电源时，Cortex-M3芯片首先会启动标签DWM1000模块，确定无法与基站DWM1000模块建立通讯连接后，Cortex-M3芯片控制标签DWM1000模块进入睡眠状态，同时启动GPRS模块和GPS模块接收卫星定位数据；在GPS模块稳定接收卫星定位信号后，通过GPRS模块将当前位置传输至数据处理分系统。

前述基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统，标签在室内与室外之间移动时定位方法为：

标签是需要定位的目标，基站与标签通讯范围由数据处理分系统中的上位机软件设置，当目标从室内移动至室外时，标签UWB信号超过离此时距离目标最近基站通讯范围时且数据处理分系统判断标签位置数据不在基站信号范围时，Cortex-M3芯片控制标签DWM1000模块进入睡眠状态，同时启动GPRS模块和GPS模块接收卫星定位数据；在标签DWM1000模块进入睡眠状态，GPS模块还未稳定接收卫星定位数据时的空白期，Cortex-M3芯片控制惯导模块来弥补UWB信号丢失或者UWB信号处于NLOS状态下导致无法定位的情况；UWB在该情况下，主要是给惯导模块提供上一时刻定位系统的定位信息作为这一时刻惯导模块的初始位置信息，然后利用惯导模块在三个方向的加速度增量信息来估算这一时刻运动载体的具体位置信息；

当目标从室外移动至室内时，数据处理分系统检测到目标位置数据已进入基站通讯范围时，Cortex-M3芯片激活标签DWM1000模块，同时控制GPS模块进入睡眠状态，此时依靠惯导以最后一个GPS卫星定位数据为参考点，继续进行定位，并通过GPRS模块将位置数据传输至数据处理分系统；当标签DWM1000模块与基站DWM1000模块实现稳定通讯时，Cortex-M3芯片控制GPRS模块进入睡眠状态，此时由基站将标签位置数据传输至数据处理分系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明将不同定位装置集成在同一套系统，在室内室外都可以进行定位，无需人工切换信号接收模式，使用携带方便。

2、本发明通过将UWB模块和GPS模块与惯导捷连，不仅提升了定位精度，还能使位置信息连贯，即使在UWB和GPS信号切换产生盲区时，也能精准定位且无需保持各个惯导初始化时的一致性，相比较传统的多惯导应用中必须保持各惯导初始化一致，能够避免初始化之间的偏差，同时消除由于突发状况等对定位产生的影响，降低了定位实现的复杂度。

3、本发明的室内定位系统安全性高，抗干扰效果良好，系统复杂度低。

4、本发明的室内定位系统定位精度高，达到10cm～30cm。

5、本发明查看方式多样，界面友好，操作简便。

附图说明

图1为基站组成示意图；

图2为标签组成示意图；

图3为基站工作流程示意图；

图4为标签工作流程示意图；

图5为系统室内定位示意图；

图6为系统室外定位示意图；

图7为系统室内外定位信号转换流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，基站包括Cortex-M4芯片、基站DWM1000模块、基站串口模块、LED指示灯、以太网模块。当基站工作时，通过基站串口模块或者以太网模块供电，LED指示灯点亮，Cortex-M4芯片控制基站DWM1000模块收发信号，之后通过以太网模块将位置数据传输至数据处理分系统。

如图2所示，标签包括Cortex-M3芯片、标签DWM1000模块、标签串口模块、GPS模块、GPRS模块、惯性导航模块、电源模块、LED指示灯。当标签工作时，通过标签自带电源供电，LED指示灯点亮，在室内定位时，Cortex-M3芯片控制标签DWM1000模块接收基站信号，通过惯导获取标签姿态数据以调整角度误差，提高定位精确度，之后通过标签DWM1000模块将数据发送回基站。在室外定位时，Cortex-M3芯片控制GPS模块接收卫星定位数据，通过GPRS模块将数据发送给数据处理分系统。

如图3所示，当基站上电后，程序开启定时器，若定时器走完没有被中断，则代表基站注册表为空，基站进入BLK_WAIT状态，等待接收标签广播的blk消息。若收到blk消息，则构造标签的结构体将其依次放入基站注册表中并中断定时器，开启定时器进入RNG_SEND状态。若基站没有收到blk消息，则程序回到等待接收blk信息状态。

若定时器被打断，则基站进入RNG_SEND状态，按照注册表中标签顺序对该顺序标签发送range_init消息，之后进入FINAL_WAIT状态，基站打开接收程序。若收到标签发来的final消息，则解析final消息包，获取标签的range_init接收时戳和final发送时戳，根据range_init接收时戳和final发送时戳的时间差乘以光速计算基站和标签的距离，并将距离上报服务器，之后清空该标签在注册表位置，待定时器中断跳出循环回到RANGE_SEND状态。若基站没有接收到final消息，则程序将该标签随机插到注册表其他位置，对注册表下一个标签发送range_init消息。

如图4所示，当标签上电之后，首先进入BLK-SEND状态，以广播的方式向周围基站发送bLk消息，发送后进入接收RNG_WAIT状态。当标签收到基站发送的rangr_init消息后，进入FINAL_SEND状态，向基站点对点发送final消息。若标签未收到range_init消息，则进入休眠状态。

如图5所示，室内定位时，将基站固定于室内不同位置，其位置需通过其他方法测量，输入到系统中作为参考点。标签是需要定位的目标，定位的过程为：每个定位标签分别与每个基站进行通信，以得到标签与基站之间的距离，每个基站将测距结果传输到数据处理分系统，当数据处理分系统同时得到一个标签与两个基站之间的距离的时候，就可以对该标签进行二维定位，当数据处理分系统同时得到一个标签与三个基站之间的距离的时候，就可以对该标签进行三维定位。在测距的同时，通过惯导获取标签的姿态，当对两个以上的基站进行测距后(此时的距离带有群延迟误差)，即可进行第一次定位解算，得到标签的粗略位置，根据此粗略位置与标签的姿态，计算标签与基站的相对方向，然后查找标签与每个基站的延迟参数，通过算法将该方向对应的延迟量消除掉，从而得到精确的距离，然后使用这些修正后的精确距离进行第二次定位解算，即可得到标签的精确位置。

如图6所示，室外定位时，标签是需要定位的目标。当标签打开接通电源时，Cortex-M3芯片首先会启动标签DWM1000模块，确定无法与基站DWM1000模块建立通讯连接后，Cortex-M3芯片控制标签DWM1000模块进入睡眠状态，同时启动GPRS模块和GPS模块接收卫星定位数据。在GPS模块稳定接收卫星定位信号后，通过GPRS模块将当前位置传输至数据处理分系统。

如图7所示，标签是需要定位的目标，基站与标签通讯范围由数据处理分系统中的上位机软件设置。当目标从室内移动至室外时，标签UWB信号超过离此时距离目标最近基站通讯范围时且数据处理分系统判断标签位置数据不在基站信号范围时，Cortex-M3芯片控制标签DWM1000模块进入睡眠状态，同时启动GPRS模块和GPS模块接收卫星定位数据。在标签DWM1000模块进入睡眠状态，GPS模块还未稳定接收卫星定位数据时的空白期，Cortex-M3芯片控制惯导模块来弥补UWB信号丢失或者UWB信号处于NLOS状态下导致无法定位的情况。UWB在该情况下，主要是给惯导模块提供上一时刻定位系统的定位信息作为这一时刻惯导模块的初始位置信息，然后利用惯导模块在三个方向的加速度增量信息来估算这一时刻运动载体的具体位置信息。

当目标从室外移动至室内时，数据处理分系统检测到目标位置数据已进入基站通讯范围时，Cortex-M3芯片激活标签DWM1000模块，同时控制GPS模块进入睡眠状态，此时依靠惯导以最后一个GPS卫星定位数据为参考点，继续进行定位，并通过GPRS模块将位置数据传输至数据处理分系统。当标签DWM1000模块与基站DWM1000模块实现稳定通讯时，Cortex-M3芯片控制GPRS模块进入睡眠状态，此时由基站将标签位置数据传输至数据处理分系统。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统，其特征在于，包括基站分系统、标签分系统、数据处理分系统；

所述基站分系统由若干基站组成，基站固定在室内不同位置，每个独立室内目标区域至少需要固定四个基站；

所述标签分系统由若干可移动的标签组成，标签设置于每个目标用户上；

所述基站包括Cortex-M4芯片、基站DWM1000模块、基站串口模块、LED指示灯、以太网模块；基站DWM1000模块、以太网模块、基站串口模块、LED指示灯均与Cortex-M4芯片相连；

所述标签包括Cortex-M3芯片、标签DWM1000模块、标签串口模块、GPS模块、GPRS模块、惯性导航模块、电源模块、LED指示灯；标签DWM1000模块、标签串口模块、GPS模块、GPRS模块、惯性导航模块、电源模块、LED指示灯均与Cortex-M3芯片相连；

所述Cortex-M4芯片为STM32F4系列，用于执行基站DWM1000模块定位的相关代码及数据的储存收发；

所述Cortex-M3芯片为STM32F10x系列，用于执行标签DWM1000模块定位的相关代码及数据的储存收发；

所述DWM1000模块用于对室内目标距离数据的测量收发，并通过多基站对标签不同距离数据解算出目标精确位置信息；

所述GPS模块对室外目标位置进行定位，所述GPRS模块将定位信息发送至解算服务器；

所述基站串口模块采用USB虚拟串口输出与UART4输出，用于外接电源、数据传输和调试；

所述标签串口模块采用UART4输出，用于调试；

所述惯性导航模块检测GPS模块与标签DWM1000模块在空间中的姿态来消除误差，同时在GPS信号与UWB信号进行切换产生盲区时，依据上一位置数据提供目标的可靠位置信息；进一步的，当室内UWB信号产生遮蔽或无法接收时，启动惯导继续定位并产生位置信息；

所述以太网模块用于基站和数据处理分系统之间的位置数据传输；

所述数据处理分系统由解算服务器和上位机软件组成，用于对接收的位置数据进行结算存储；所述上位机软件可适用于PC端和移动端，采用BS模式或CS模式。

2.如权利要求1所述的基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统的基站控制方法，其特征在于，

当基站上电后，程序开启定时器，若定时器走完没有被中断，则代表基站注册表为空，基站进入BLK_WAIT状态，等待接收标签广播的blk消息，若收到blk消息，则构造标签的结构体将其依次放入基站注册表中并中断定时器，开启定时器进入RNG_SEND状态，若基站没有收到blk消息，则程序回到等待接收blk信息状态；

若定时器被打断，则基站进入RNG_SEND状态，按照注册表中标签顺序对该顺序标签发送range_init消息，之后进入FINAL_WAIT状态，基站打开接收程序，若收到标签发来的final消息，则解析final消息包，获取标签的range_init接收时戳和final发送时戳，根据range_init接收时戳和final发送时戳的时间差乘以光速计算基站和标签的距离，并将距离上报服务器，之后清空该标签在注册表位置，待定时器中断跳出循环回到RANGE_SEND状态，若基站没有接收到final消息，则程序将该标签随机插到注册表其他位置，对注册表下一个标签发送range_init消息。

3.如权利要求1所述的基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统的标签控制方法，其特征在于，

当标签上电之后，首先进入BLK-SEND状态，以广播的方式向周围基站发送bLk消息，发送后进入接收RNG_WAIT状态；当标签收到基站发送的rangr_init消息后，进入FINAL_SEND状态，向基站点对点发送final消息；若标签未收到range_init消息，则进入休眠状态。

4.如权利要求1所述的基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统的室内定位方法，其特征在于，

室内定位时，将基站固定于室内不同位置，其位置需通过其他方法测量，输入到系统中作为参考点；标签是需要定位的目标，定位的过程为：每个定位标签分别与每个基站进行通信，以得到标签与基站之间的距离，每个基站将测距结果传输到数据处理分系统，当数据处理分系统同时得到一个标签与两个基站之间的距离的时候，就可以对该标签进行二维定位，当数据处理分系统同时得到一个标签与三个基站之间的距离的时候，就可以对该标签进行三维定位；在测距的同时，通过惯导获取标签的姿态，当对两个以上的基站进行测距后，即可进行第一次定位解算，得到标签的粗略位置，根据此粗略位置与标签的姿态，计算标签与基站的相对方向，然后查找标签与每个基站的延迟参数，通过算法将该方向对应的延迟量消除掉，从而得到精确的距离，然后使用这些修正后的精确距离进行第二次定位解算，即可得到标签的精确位置。

5.如权利要求1所述的基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统的室外定位方法，其特征在于，室外定位时，标签是需要定位的目标，当标签打开接通电源时，Cortex-M3芯片首先会启动标签DWM1000模块，确定无法与基站DWM1000模块建立通讯连接后，Cortex-M3芯片控制标签DWM1000模块进入睡眠状态，同时启动GPRS模块和GPS模块接收卫星定位数据；在GPS模块稳定接收卫星定位信号后，通过GPRS模块将当前位置传输至数据处理分系统。

6.如权利要求1所述的基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统的标签在室内与室外之间移动时定位方法，其特征在于，

标签是需要定位的目标，基站与标签通讯范围由数据处理分系统中的上位机软件设置，当目标从室内移动至室外时，标签UWB信号超过离此时距离目标最近基站通讯范围时且数据处理分系统判断标签位置数据不在基站信号范围时，Cortex-M3芯片控制标签DWM1000模块进入睡眠状态，同时启动GPRS模块和GPS模块接收卫星定位数据；在标签DWM1000模块进入睡眠状态，GPS模块还未稳定接收卫星定位数据时的空白期，Cortex-M3芯片控制惯导模块来弥补UWB信号丢失或者UWB信号处于NLOS状态下导致无法定位的情况；UWB在该情况下，主要是给惯导模块提供上一时刻定位系统的定位信息作为这一时刻惯导模块的初始位置信息，然后利用惯导模块在三个方向的加速度增量信息来估算这一时刻运动载体的具体位置信息；当目标从室外移动至室内时，数据处理分系统检测到目标位置数据已进入基站通讯范围时，Cortex-M3芯片激活标签DWM1000模块，同时控制GPS模块进入睡眠状态，此时依靠惯导以最后一个GPS卫星定位数据为参考点，继续进行定位，并通过GPRS模块将位置数据传输至数据处理分系统；当标签DWM1000模块与基站DWM1000模块实现稳定通讯时，Cortex-M3芯片控制GPRS模块进入睡眠状态，此时由基站将标签位置数据传输至数据处理分系统。