CN109451426B - 一种基于uwb室内定位系统中定位锚点快速布局的方法 - Google Patents

一种基于uwb室内定位系统中定位锚点快速布局的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于UWB室内定位系统中定位锚点快速布局的方法。在定位系统中采用超宽带（UWB）无线通信技术及TD‑TWR算法，使用8个UWB定位锚点作为参考，每个锚点采用TD‑TWR算法获得自己和锚点之间的距离，确定原点和基线后，通过返回的测距值和锚点之间的几何关系来进行摆放。本发明方法克服了锚点布局时的机械测量费时长、精度低的缺点，实现了UWB室内定位系统中快速与精准地布局锚点。

Description

一种基于UWB室内定位系统中定位锚点快速布局的方法
技术领域
本发明涉及一种基于UWB室内定位系统中定位锚点快速布局的方法，尤其是涉及可以工作在室内及室外小型区域的UWB室内定位系统中定位锚点快速布局的方法。
背景技术
超宽带(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，具有发射功率小、传输速度快、信道容量大、抗干扰性强的特点。它的高时间分辨率和短波长加强了其抗多径干扰和衰落的能力，因而UWB信号非常适用于室内环境下使用。
在基于UWB室内定位系统通常采用时分的TDoA技术通过检测信号到达两个锚点的时间差进行定位。因为TDoA不要求标签与锚点时钟同步，只要求锚点之间的时钟同步，降低了时间同步的要求，在几种定位方法中有着更加突出的地位。
采用UWB技术和时分的TDoA技术构建的定位系统在实际应用中精度受限于锚点摆放的精度。系统中的8个锚点位于长方体的8个顶点，通常在确定锚点位置时需要进行多次机械测量，费时费力，同时也不可避免地引入测量误差。而测量误差的引入将导致定位空间的扭曲，使得定位系统的精度下降。
本发明提供了一种基于UWB室内定位系统中定位锚点快速布局的方法，通过为8个锚点分配时隙，并采用TD-TWR计算出锚点之间的距离，作为布局锚点时的测量值。8个锚点分四组，固定在4根垂直于地面的杆上，通过几何的方法，根据测量值不断调整杆到预期的位置，可以快速和精准的实现锚点布局，同时也减少了人力物力的消耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于UWB室内定位系统中定位锚点快速布局的方法，使锚点摆放更加快速和精确，同时减少人力物力的消耗。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于UWB室内定位系统中定位锚点快速布局的方法，提供一UWB三维定位系统，包括8个锚点，所述锚点均由无线接口、串口、显示屏及UWB定位模块组成；所述8个锚点位于长方体的8个顶点，构成三维的定位区域；所述8个锚点分成A0/A4、A1/A5、A2/A6、A3/A7四组，每组的两个锚点固定在垂直于地面锚点杆；所述定位锚点快速布局的方法实现如下：
构造临近地面A0、A1、A2、A3四个锚点，使之成为所需的矩形；以A0为原点，找到A1使之距离为规定的矩形长；找到A2，使A0，A1，A2构成直角三角形；找到A3，使A0，A1，A3构成直角三角形；具体步骤如下，
1)通过串口或者无线接口，设置矩形的长宽(m，n)参数，在每个锚点的显示屏上画出期望的矩形B0B1B2B3；
2)确定A0作为原点，在屏幕上显示与B0重合；移动A1，当A1与A0的距离为m时，在屏幕上显示与B1重合；确定A0，A1之后，建立坐标系，以A0为原点，直线A0A1为x轴；移动A2，假设其坐标为(x,y)，在A2的显示屏上观察A2的运动趋势，直至A2在屏幕上与B2重合；
通过下述方程计算A2所处坐标(x,y)：
Figure BDA0001895655940000021
Figure BDA0001895655940000022
其中，d1、d0为由8时隙TD-TWR算法经过多次测量得到的A2A0、A2A1的距离；
同理确定A3；
由于8个锚点分成A0/A4、A1/A5、A2/A6、A3/A7四组，且每组的两个锚点固定在垂直于地面锚点杆，由此即可实现定位锚点的快速布局。
进一步的，所述8时隙TD-TWR算法，是基于时分的双向测距法，其具体实现如下：
为8个锚点分配T0～T7时隙，在时隙T0开始时刻，锚点A0发送定位信号，并记录发送时间戳，A1～A7为接收状态，并将接收到的时间戳存储在A1、A2～A7对应位置；8个时隙周期后，每个锚点中均存储了7个接收时间戳以及自身的发送时间戳；以A0，A1为例描述距离计算过程：
锚点A1中存储有rxStamp0、txStamp1、rxTime；锚点A1从A0发送的定位包中读取txStamp0，remoteRx、remoteTx；其中，rxStamp0表示T0时隙，接收到A0发送时间戳；txStamp1表示T1时隙，A1发送时间戳；rxTime表示8个时隙周期后，T0时隙，接收到A0发送时间戳；txStamp0表示T0时隙，A0发送时间戳；remoteRx表示T1时隙，A0接收到A1发送的时间戳；remoteTx表示8个时隙周期后，T0时隙，A0发送时间戳；由此可以计算出：
tround1＝remoteRx-txStamp0
treply1＝txStamp1-rxStamp0
tround2＝rxTime-txStamp1
treply2＝remoteTx-remoteRx
采用分时的方法得到以上四个值后，根据以下公式算出A1与A0的距离值，
Figure BDA0001895655940000023
Distance10＝C*Tof
同理可以算出A1与其余锚点的距离值；
采用TD-TWR算法可以算出，每个锚点与其余锚点的距离。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明方法克服了锚点布局时的机械测量费时长、精度低的缺点，实现了UWB室内定位系统中快速与精准地布局锚点。
附图说明
图1为UWB三维定位系统。
图2为锚点A2的布局过程。
图3为TD-TWR算法时序图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种基于UWB室内定位系统中定位锚点快速布局的方法，提供一UWB三维定位系统(如图1所示)，包括8个锚点，所述锚点均由无线接口、串口、显示屏及UWB定位模块组成；所述8个锚点位于长方体的8个顶点，构成三维的定位区域；所述8个锚点分成A0/A4、A1/A5、A2/A6、A3/A7四组，每组的两个锚点固定在垂直于地面锚点杆；所述定位锚点快速布局的方法实现如下：
构造临近地面A0、A1、A2、A3四个锚点，使之成为所需的矩形；以A0为原点，找到A1使之距离为规定的矩形长；找到A2，使A0，A1，A2构成直角三角形；找到A3，使A0，A1，A3构成直角三角形；具体步骤如下，
1)通过串口或者无线接口，设置矩形的长宽(m，n)参数，在每个锚点的显示屏上画出期望的矩形B0B1B2B3；
2)确定A0作为原点，在屏幕上显示与B0重合；移动A1，当A1与A0的距离为m时，在屏幕上显示与B1重合；确定A0，A1之后，建立坐标系，以A0为原点，直线A0A1为x轴；移动A2，假设其坐标为(x,y)，在A2的显示屏上观察A2的运动趋势，直至A2在屏幕上与B2重合；
通过下述方程计算A2所处坐标(x,y)：
Figure BDA0001895655940000031
Figure BDA0001895655940000032
其中，d1、d0为由8时隙TD-TWR算法经过多次测量得到的A2A0、A2A1的距离；
同理确定A3；
由于8个锚点分成A0/A4、A1/A5、A2/A6、A3/A7四组，且每组的两个锚点固定在垂直于地面锚点杆，由此即可实现定位锚点的快速布局。
进一步的，所述8时隙TD-TWR算法，是基于时分的双向测距法，其具体实现如下：
为8个锚点分配T0～T7时隙，每个锚点在自己对应的时隙发送定位信号，在其他7个时隙接收定位信号。每个锚点保存自己发送时间戳，接收来自其他锚点发送时间戳，并在每8个时隙周期结束后利用这些时间戳，并使用TD-TWR的算法计算出自己和其他7个锚点之间的距离。
具体的，所述TD-TWR算法，描述如下，在时隙T0开始时刻，锚点A0发送定位信号，并记录发送时间戳，A1～A7为接收状态，并将接收到的时间戳存储在A1、A2～A7对应位置；8个时隙周期后，每个锚点中均存储了7个接收时间戳以及自身的发送时间戳；以A0，A1为例描述距离计算过程，如图2所示：
锚点A1中存储有rxStamp0、txStamp1、rxTime；锚点A1从A0发送的定位包中读取txStamp0，remoteRx、remoteTx；其中，rxStamp0表示T0时隙，接收到A0发送时间戳；txStamp1表示T1时隙，A1发送时间戳；rxTime表示8个时隙周期后，T0时隙，接收到A0发送时间戳；txStamp0表示T0时隙，A0发送时间戳；remoteRx表示T1时隙，A0接收到A1发送的时间戳；remoteTx表示8个时隙周期后，T0时隙，A0发送时间戳，如图3所示；由此可以计算出：
tround1＝remoteRx-txStamp0
treply1＝txStamp1-rxStamp0
tround2＝rxTime-txStamp1
treply2＝remoteTx-remoteRx
采用分时的方法得到以上四个值后，根据以下公式算出A1与A0的距离值，
Figure BDA0001895655940000041
Distance10＝C*Tof
同理可以算出A1与其余锚点的距离值；
采用TD-TWR算法可以算出，每个锚点与其余锚点的距离。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于UWB室内定位系统中定位锚点快速布局的方法，其特征在于，提供一UWB三维定位系统，包括8个锚点，所述锚点均由无线接口、串口、显示屏及UWB定位模块组成；所述8个锚点位于长方体的8个顶点，构成三维的定位区域；所述8个锚点分成A0/A4、A1/A5、A2/A6、A3/A7四组，每组的两个锚点固定在垂直于地面锚点杆；所述定位锚点快速布局的方法实现如下：
构造临近地面A0、A1、A2、A3四个锚点，使之成为所需的矩形；以A0为原点，找到A1使之距离为规定的矩形长；找到A2，使A0，A1，A2构成直角三角形；找到A3，使A0，A1，A3构成直角三角形；具体步骤如下，
1)通过串口或者无线接口，设置矩形的长宽(m，n)参数，在每个锚点的显示屏上画出期望的矩形B0B1B2B3；
2)确定A0作为原点，在屏幕上显示与B0重合；移动A1，当A1与A0的距离为m时，在屏幕上显示与B1重合；确定A0，A1之后，建立坐标系，以A0为原点，直线A0A1为x轴；移动A2，假设其坐标为(x,y)，在A2的显示屏上观察A2的运动趋势，直至A2在屏幕上与B2重合；
通过下述方程计算A2所处坐标(x,y)：
Figure FDA0002361965400000011
Figure FDA0002361965400000012
其中，d1、d0为由8时隙TD-TWR算法经过多次测量得到的A2A1、A2A0的距离；
同理确定A3；
由此即可实现定位锚点的快速布局；
所述8时隙TD-TWR算法，是基于时分的双向测距法，其具体实现如下：
为8个锚点分配T0～T7时隙，在时隙T0开始时刻，锚点A0发送定位包，并记录发送时间戳，A1～A7为接收状态，并将接收到的时间戳存储在A1～A7对应位置；8个时隙周期后，每个锚点中均存储了7个接收时间戳以及自身的发送时间戳；A0，A1距离计算过程如下：
锚点A1中存储有rxStamp0、txStamp1、rxTime；锚点A1从A0发送的定位包中读取txStamp0，remoteRx、remoteTx；其中，rxStamp0表示T0时隙，接收到A0发送时间戳；txStamp1表示T1时隙，A1发送时间戳；rxTime表示8个时隙周期后，T0时隙，接收到A0发送时间戳；txStamp0表示T0时隙，A0发送时间戳；remoteRx表示T1时隙，A0接收到A1发送的时间戳；remoteTx表示8个时隙周期后，T0时隙，A0发送时间戳；由此可以计算出：
tround1＝remoteRx-txStamp0
treply1＝txStamp1-rxStamp0
tround2＝rxTime-txStamp1
treply2＝remoteTx-remoteRx
采用分时的方法得到以上四个值后，根据以下公式算出A1与A0的距离值，
Figure FDA0002361965400000021
Distance10＝C*Tof
同理可以算出A1与其余锚点的距离值；
采用TD-TWR算法可以算出，每个锚点与其余锚点的距离。
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Application publication date: 20190308

Assignee: Xiamen Jintuo Electronic Technology Co.,Ltd.

Assignor: XIAMEN University

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Denomination of invention: A Method for Quick Layout of Location Anchors in UWB Indoor Positioning System

Granted publication date: 20200612

License type: Common License

Record date: 20230324

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Assignee: Xiamen Douya Software Technology Co.,Ltd.

Assignor: XIAMEN University

Contract record no.: X2023350000181

Denomination of invention: A Method for Quick Layout of Location Anchors in UWB Indoor Positioning System

Granted publication date: 20200612

License type: Common License

Record date: 20230412

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