CN109640256B - 基于uwb定位的分层立体监测方法及系统 - Google Patents

基于uwb定位的分层立体监测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于UWB定位的分层立体监测方法及系统，其中，所述方法包括：将施工场地的三维空间划分为至少两个三维区域，每个三维区域均设置4个UWB定位基站；施工人员携带UWB定位标签进入施工场地，当标签位于任意一个三维区域内，标签与该三维区域内的4个基站均进行通信；各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息被实时上传至上位机；上位机根据各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息判定标签位于哪个三维区域；根据确定的三维区域内的4个基站与标签之间的距离信息，进行坐标解算，得到UWB定位标签的三维坐标；显示三维定位图像。与现有技术相比，本发明使得安全管理人员可以实时准确地监测各施工人员的位置信息。

Description

基于UWB定位的分层立体监测方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于UWB定位的分层立体监测方法及系统，属于三维立体监测技术领域。
背景技术
在建筑施工场地，施工人员往往要在多层楼面上同时进行作业，由于环境的复杂性，安全问题往往不能被安全管理人员及时知晓。目前，一般是利用监控摄像头来对于建筑工地的人员安全进行监测。但是，随着施工的进展，监控区域的遮挡越来越大，监控摄像头无法及时对施工人员的安全进行监测。另外，由于是在室内或者有楼宇遮挡的施工场地，卫星信号会被严重影响，从而导致无法通过GPS或者北斗对施工人员进行定位，因此，对人员位置的监控则需要利用室内定位技术来实现。常见的室内无线定位技术有Wi-Fi、蓝牙、超宽带(UWB)：Wi-Fi定位可以实现复杂的大范围定位，但精度只能达到2米左右，无法做到精准定位；蓝牙系统的稳定性较差，噪声对信号干扰大；在进行三维空间定位时，常规的UWB定位技术虽然精度高，但定位基站之间以及定位基站与定位标签之间的通信距离会受到很大的限制，不能进行长距离的定位，因此不适用于建筑施工场地的定位监测。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于UWB定位的分层立体监测方法及系统，可以至少解决上述技术问题之一。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种基于UWB定位的分层立体监测方法，包括：步骤S1，将施工场地的三维空间划分为至少两个三维区域，其中，每个三维区域均设置4个两两之间可通信的UWB定位基站；步骤S2，施工人员携带UWB定位标签进入施工场地，当所述UWB定位标签位于任意一个三维区域内，所述UWB定位标签与该三维区域内的4个UWB定位基站均进行通信；施工场地中的各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息被实时上传至上位机；步骤S3，所述上位机根据各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息判定所述UWB定位标签位于哪个三维区域；步骤S4，所述上位机根据所述步骤S3确定的三维区域内的4个UWB定位基站与所述UWB定位标签之间的距离信息，进行坐标解算，得到所述UWB定位标签的三维坐标；步骤S5，所述上位机显示三维定位图像。
前述的基于UWB定位的分层立体监测方法中，所述步骤S1具体包括：以预先设置的第一长度为最小划分单位对施工场地三维空间的水平长距离方向进行划分，以预先设置的第二长度为最小划分单位对施工场地三维空间的水平宽距离方向进行划分，以预先设置的第三长度为最小划分单位对施工场地三维空间的竖直方向进行划分，形成所述至少两个三维区域；相邻的三维区域形成的交界点处均设置一个UWB定位基站。
前述的基于UWB定位的分层立体监测方法中，所述步骤S3具体包括：步骤S31，所述上位机判断是否有三维区域内的4个UWB定位基站与所述UWB定位标签均有测距信息，若有则执行步骤S32，否则重复所述步骤S31；所述步骤S32，所述上位机判断三维区域的数量是否为一个，若是则执行步骤S33，否则执行步骤S34；所述步骤S33，所述上位机判定所述UWB定位标签位于该三维区域；所述步骤S34，所述上位机分别计算每个三维区域内的4个UWB定位基站对所述UWB定位标签的测距信息之和，得到多个测距信息之和；步骤S35，所述上位机比较所述步骤S34计算得到的多个测距信息之和的大小，得到最小值，并判定所述UWB定位标签位于所述最小值对应的三维区域。
前述的基于UWB定位的分层立体监测方法中，所述步骤S4具体包括：利用最大似然估计法改进三维TOA定位算法，将各UWB定位基站与所述UWB定位标签之间的距离信息的公式相减，并利用改进后的三维TOA定位算法进行坐标解算。
前述的基于UWB定位的分层立体监测方法中，还包括：将任意一个UWB定位基站设置为系统原点基站，其余UWB定位基站将自身在可通信范围内的测距信息直接发送或者中继转发到系统原点基站，所述系统原点基站通过无线方式将各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息统一上传给所述上位机。
一种基于UWB定位的分层立体监测系统，包括：施工人员携带的UWB定位标签、N个UWB定位基站和上位机，其中，N≥8，且N为整数；施工场地的三维空间划分为至少两个三维区域，每个三维区域均设置4个两两之间可通信的UWB定位基站，当所述UWB定位标签位于任意一个三维区域内，所述UWB定位标签与该三维区域内的4个UWB定位基站均进行通信；施工场地中的各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息被实时上传至所述上位机；所述上位机包括中央处理器、存储器和显示器；所述存储器，用于所述上位机存储坐标解算算法；所述中央处理器，分别与所述存储器和所述显示器连接，用于所述上位机根据各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息判定所述UWB定位标签位于哪个三维区域，以及根据所述确定的三维区域内的4个UWB定位基站与所述UWB定位标签之间的距离信息和所述坐标解算算法进行坐标解算，得到所述UWB定位标签的三维坐标；所述显示器，用于所述上位机显示三维定位图像。
前述的基于UWB定位的分层立体监测系统中，以预先设置的第一长度为最小划分单位对施工场地三维空间的水平长距离方向进行划分，以预先设置的第二长度为最小划分单位对施工场地三维空间的水平宽距离方向进行划分，以预先设置的第三长度为最小划分单位对施工场地三维空间的竖直方向进行划分，形成所述至少两个三维区域；相邻的三维区域形成的交界点处均设置一个UWB定位基站。
前述的基于UWB定位的分层立体监测系统中，所述N个UWB定位基站中的任意一个UWB定位基站作为系统原点基站，所述系统原点基站包括第一无线传输模块，其余N-1个UWB定位基站将自身在可通信范围内的测距信息直接发送或者中继转发到所述系统原点基站；所述上位机包括第二无线传输模块，所述第二无线传输模块与所述第一无线传输模块进行无线通讯连接，所述上位机通过所述第二无线传输模块接收所述系统原点基站统一上传的各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息。
前述的基于UWB定位的分层立体监测系统中，所述中央处理器，还用于所述上位机判断是否有三维区域内的4个UWB定位基站与所述UWB定位标签均有测距信息，若有则判断三维区域的个数；若只有一个则判定所述UWB定位标签位于该三维区域，若有多个则分别计算每个三维区域内的4个UWB定位基站对所述UWB定位标签的测距信息之和；得到多个测距信息之和，比较多个测距信息之和的大小，得到最小值，并判定所述UWB定位标签位于所述最小值对应的三维区域。
前述的基于UWB定位的分层立体监测系统中，所述中央处理器，具体用于利用最大似然估计法改进三维TOA定位算法，将各UWB定位基站与所述UWB定位标签之间的距离信息的公式相减，并利用改进后的三维TOA定位算法进行坐标解算。
与现有技术相比，本发明在传统UWB定位技术的基础上，利用对三维空间划分多个区域，每个区域设置一套用以建立该区域三维定位坐标系的UWB定位基站，解决了三维空间中的一套用以定位的UWB定位基站之间以及基站与UWB定位标签之间的长距离通信问题，使得安全管理人员可以实时准确地监测各施工人员的位置信息，从而高效可靠地掌控施工人员的安全问题。
附图说明
图1和图5为本发明实施例一提供的方法流程图；
图2为一栋居民楼施工场地模型的区域划分示意图；
图3为UWB定位标签Ap在可通信范围内与多个UWB定位基站进行通信的模型图；
图4为本发明实施例一的各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息的上传示意图；
图6为第i+1纬度的三维空间分层坐标系模型图；
图7和图8为本发明实施例二提供的系统结构示意图；
图9为本发明实施例二提供的UWB定位标签的结构示意图；
图10为本发明实施例二提供的UWB定位基站的结构示意图；
图11为本发明实施例二提供的系统原点基站的结构示意图。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
本发明实施例一：
一种基于UWB定位的分层立体监测方法，如图1所示，主要包括：
步骤S1，将施工场地的三维空间划分为至少两个三维区域，其中，每个三维区域均设置4个两两之间可通信的UWB定位基站；
作为本实施例的一种可选实施方式，步骤S1具体包括：以预先设置的第一长度为最小划分单位对施工场地三维空间的水平长距离方向进行划分，以预先设置的第二长度为最小划分单位对施工场地三维空间的水平宽距离方向进行划分，以预先设置的第三长度为最小划分单位对施工场地三维空间的竖直方向进行划分，形成至少两个三维区域；相邻的三维区域形成的交界点处均设置一个UWB定位基站。
在本可选实施方式中，第一长度、第二长度、第三长度可以相等，可以根据UWB定位标签10和基站的有效通信距离来设置具体数值。例如：在施工场地对UWB测距性能进行测试，其有效通信距离可达30m(此时遮挡较大)，因此可以将第一长度、第二长度、第三长度均设为20m。
以一栋居民楼的建设为例，图2是一栋居民楼施工场地模型的区域划分示意图。如图2所示，在竖直z方向上，该施工场地模型总高度为h米，每个划分区域以“第j层”表示，从最底层(水平地面)向上以每20m的高度划分1个区域，最后一个划分区域的高度小于或等于20m；水平长距离方向y上，距离为Y米，每个划分区域以“第k区”表示，从建筑物的一端沿方向y以每20m划分1个区域至建筑物的另一端，最后一个划分区域的长度小于或等于20m；水平宽距离方向x上，距离为X米，每个划分区域以“第i纬度”表示，从建筑物的一端沿方向x以每20m划分1个区域至建筑物的另一端，最后一个划分区域的长度小于或等于20m。这样，便将该建筑场地模型的三维空间划分为了m(水平x方向)×n(水平y方向)×q(竖直z方向)个三维区域。施工人员1携带定位标签A1工作，施工人员2携带定位标签A2工作，施工人员3携带定位标签A3工作……
步骤S2，施工人员携带UWB定位标签进入施工场地，当UWB定位标签位于任意一个三维区域内，UWB定位标签与该三维区域内的4个UWB定位基站均进行通信；施工场地中的各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息被实时上传至上位机；
本实施例中，当施工人员携带开启的UWB定位标签进入建筑场地后，在可通信范围内的各UWB定位基站之间以及UWB定位基站与UWB定位标签便进行持续的测距通信。UWB定位标签与UWB定位基站之间以及各UWB定位基站之间要想能正常通信，二者需要设置在可通信范围内，也就是说，如果施工场地的三维空间较大，每个UWB定位基站不一定能与该三维空间设置的其余的UWB定位基站均能通信，但是，对于同一个三维区域内的4个UWB定位基站，每个UWB定位基站均能与其所属三维区域的其余3个UWB定位基站进行有效通信；同理，UWB定位标签随施工人员而动，其位置不固定，UWB定位标签也不一定与所有UWB定位基站均能进行有效通信，但是，当UWB定位标签位于一个三维区域内，UWB定位标签一定与该三维区域内设置的4个UWB定位基站均能进行有效通信。因此，各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息是指整个施工场地中的每个UWB定位基站在可通信范围内接收到的测距信息，该测距信息可以是与其它UWB定位基站的距离信息，也可以是与UWB定位标签的距离信息。
多个相邻三维区域形成的交界点处均布置一个UWB定位基站Bijk，如图3所示布置。以某一纬度i为例，水平y方向布置n个UWB定位基站Bij1,Bij2,Bij3……，水平x方向上布置m个(与y方向的基站有重叠的，布置一个即可)UWB定位基站B1jk,B2jk,B3jk……，竖直z方向上布置q个(与x、y方向上的基站有重叠的，布置一个即可)UWB定位基站Bi1k,Bi2k,Bi3k……，每个区域内用以建立该区域坐标系的为四个基站Bijk,Bij(k+1),B(i+1)jk,B(i+1)j(k+1)，其中，基站Bijk作为该区域(第i纬度第j层第k区)的原点基站，其他区域的基站不参与对该区域的定位操作，各相邻区域边界上的公共基站可进行多路通信，每路通信参与一个区域的定位操作。
作为本实施例的一种可选实施方式，可以将任意一个UWB定位基站设置为系统原点基站，其余UWB定位基站将自身在可通信范围内的测距信息直接发送或者中继转发到系统原点基站，系统原点基站通过无线方式将各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息统一上传给上位机。这样，无需对所有UWB定位基站均进行硬件改造，只需对一个基站增设无线传输模块，就可以将各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息实时传输给上位机，当然，系统原点基站也会将自身收集的测距信息一起上传给上位机。具体实施时，可以最先开启系统原点基站，然后可按楼层从低到高依次开启其它UWB定位基站，对此本实施例不做具体限定。例如：如图4所示，假设有N个UWB定位基站(包括系统原点基站)，UWB定位基站1#、UWB定位基站4#与UWB定位标签均没有通信，UWB定位基站1#将自身收集的与其它基站的测距信息通过UWB定位基站2#转发给系统原点基站，而UWB定位基站4#将自身收集的与其它基站的测距信息直接发送给系统原点基站；UWB定位基站3#与UWB定位标签能通信，并将与UWB定位标签的测距信息以及与其它基站的测距信息通过UWB定位基站2#转发给系统原点基站；UWB定位基站2#可以将自身与UWB定位标签的测距信息以及与其它基站的测距信息直接发送给系统原点基站，也可以将UWB定位基站1#和UWB定位基站3#发来的测距信息转发给系统原点基站。
当然，如果不考虑UWB定位基站的改造成本，也可以为每个UWB定位基站均增设无线传输模块，由每个UWB定位基站直接将自身收集的测距信息实时上传至上位机。
在本可选实施方式中，可选的，系统原点基站可以通过WIFI、蓝牙等无线方式将各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息上传至上位机。优选的，系统原点基站可以通过WIFI方式将各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息上传至上位机。
步骤S3，上位机根据各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息判定UWB定位标签位于哪个三维区域；
作为本实施例的一种可选实施方式，如图5所示，步骤S3具体包括：
步骤S31，上位机判断是否有三维区域内的4个UWB定位基站与UWB定位标签均有测距信息，若有则执行步骤S32，否则重复步骤S31；
步骤S32，上位机判断三维区域的数量是否为一个，若是则执行步骤S33，否则执行步骤S34；
步骤S33，上位机判定UWB定位标签位于该三维区域；
步骤S34，上位机分别计算每个三维区域内的4个UWB定位基站对UWB定位标签的测距信息之和，得到多个测距信息之和；
步骤S35，上位机比较步骤S34计算得到的多个测距信息之和的大小，得到最小值，并判定UWB定位标签位于最小值对应的三维区域。
某一施工人员p携带定位标签Ap工作时，在可通信距离范围内，Ap与UWB定位基站Bijk、Bij(k-1)、B(i+1)j(k-1)、B(i+1)jk、B(i+1)j(k+1)、Bi(j+1)(k-1)、Bi(j+1)k、B(i+1)(j+1)(k-1)、B(i+1)(j+1)k、B(i+1)(j+2)(k-1)均有测距信息，分别为 且这些测距信息均发送至作为系统原点基站B111，基站B111再上传到上位机，执行算法程序，对测距信息进行分类，发现UWB定位标签Ap只与第i+1纬第j层第k-1区的四个定位基站(Bij(k-1)、B(i+1)j(k-1)、B(i+1)jk、B(i+1)(j+1)(k-1))和第i+1纬第j+1层第k-1区的四个定位基站(Bi(j+1)(k-1)、B(i+1)(j+1)(k-1)、B(i+1)(j+1)k、B(i+1)(j+2)(k-1))均有测距信息，而可实现通信的其他各基站之间并无法组成一个完整区域，故UWB定位标签Ap位于第i+1纬第j层第k-1区或第i+1纬第j+1层第k-1区中，因此接下来比较两个距离之和/>和/>的大小，根据最小的距离之和确定定位标签位于何纬何层何区。具体的，/>为UWB定位标签Ap与第i+1纬第j层第k-1区的四个UWB定位基站(Bij(k-1)、B(i+1)j(k-1)、B(i+1)jk、B(i+1)(j+1)(k-1))的距离之和，/>为UWB定位标签Ap与第i+1纬第j+1层第k-1区的四个定位基站(Bi(j+1)(k-1)、B(i+1)(j+1)(k-1)、B(i+1)(j+1)k、B(i+1)(j+2)(k-1))距离之和；相关的计算式如下：
假定最小，则判定定位标签位于第i+1纬第j层第k-1区。
步骤S4，上位机根据步骤S3确定的三维区域内的4个UWB定位基站与UWB定位标签之间的距离信息，进行坐标解算，得到UWB定位标签的三维坐标；
本实施例中，上位机30可以是PC机，可以利用现有的坐标解算算法对UWB定位标签的坐标进行解算，例如三维TOA定位算法。
作为本实施例的一种可选实施方式，步骤S4具体包括：利用最大似然估计法改进三维TOA定位算法，将各UWB定位基站与UWB定位标签之间的距离信息的公式相减，并利用改进后的三维TOA定位算法进行坐标解算。在理想的信号传播环境下，即在视距传播的环境下，测量距离等于实际距离。但是，考虑到本实施例的UWB定位基站之间以及UWB定位基站与UWB定位标签之间收发测距脉冲信号为非视距传播，属于非理想的信号传播环境，导致的误差在TOA算法中是一个正的附加延时，所以信号发射端和接收端之间的测量距离是大于信号发射端和信号接收端的实际距离的。因此，可以利用最大似然估计法对TOA算法进行改进，将各测量距离之间的公式相减，以使各测量距离之间通过做差的形式将误差减小，从而使解算得到的坐标参数值更加精确。
例如，对于定位标签Ap的定位需选用第i+1纬第j层第k-1区，此时依靠用以该区定位的四个定位基站Bij(k-1)、B(i+1)j(k-1)、B(i+1)jk、B(i+1)(j+1)(k-1)测得的与定位标签Ap的距离信息利用改进的三维TOA定位算法进行坐标解算，得到定位标签Ap的三维坐标/>具体计算方法如下：
列如下方程组：
该方程组各式两边平方后，前3个等式均和第4个等式相减，得：
进一步整理，可表示为：
其中：
则可得待UWB定位标签Ap的定位坐标(矩阵表示)为：
以上便是对UWB定位标签Ap的坐标解算方法。
步骤S5，上位机显示三维定位图像。
步骤S5中，如图6所示，x轴方向上单独将各纬度的所有定位坐标系显示成一个子界面，并且在上位机中以标记好各子界面的纬度i值，将同一纬度i下的各坐标系按xOy平面相互平行、z轴对应叠加的方式拼接在一起，则同一纬度i下各区域坐标系的原点均在z轴方向上，以z轴方向从下往上分别标记为第1层、第2层、第3层……，以y轴方向从左至右分别标记为第1区、第2区、第3区……
另外，可选的，可以对UWB定位标签(包括系统原点基站)和UWB定位标签收发的衰减UWB信号进行放大，提高定位的可靠性。
可选的，为了减小UWB定位基站和UWB定位标签的体积，节省制造成本，可以将基站和标签内设计成纽扣电池提供电源。
通过本实施例提供的方法，定位标签由施工人员随身携带，定位基站按照一定布局安放，通过利用设置在基站和定位标签中的UWB模块进行测距，将测得的所有距离信息统一上传至上位机，使得安全管理人员可以实时地监测各施工人员的位置信息，从而高效可靠地掌控施工人员的安全问题；对需要定位的施工人员三维空间活动场所进行分层分区，每个区域设置一套用以建立该区域三维定位坐标系的基站，解决原有的一个三维空间中UWB定位基站之间以及参考基站与待定位标签之间的长距离通信问题。
本发明实施例二：
一种基于UWB定位的分层立体监测系统，如图7所示，包括：施工人员携带的UWB定位标签10、N个UWB定位基站20和上位机30，其中，N≥8，且N为整数；施工场地的三维空间划分为至少两个三维区域，每个三维区域均设置4个两两之间可通信的UWB定位基站20，当UWB定位标签10位于任意一个三维区域内，UWB定位标签10与该三维区域内的4个UWB定位基站20均进行通信；施工场地中的各UWB定位基站20在可通信范围内的测距信息被实时上传至上位机30；上位机30包括中央处理器301、存储器302和显示器303；其中，存储器302，用于上位机30存储坐标解算算法；中央处理器301，分别与存储器302和显示器303连接，用于上位机30根据各UWB定位基站20在可通信范围内的测距信息判定UWB定位标签10位于哪个三维区域，以及根据确定的三维区域内的4个UWB定位基站20与UWB定位标签10之间的距离信息和坐标解算算法进行坐标解算，得到UWB定位标签10的三维坐标；显示器303，用于上位机30显示三维定位图像。
作为本实施例的一种可选实施方式，以预先设置的第一长度为最小划分单位对施工场地三维空间的水平长距离方向进行划分，以预先设置的第二长度为最小划分单位对施工场地三维空间的水平宽距离方向进行划分，以预先设置的第三长度为最小划分单位对施工场地三维空间的竖直方向进行划分，形成至少两个三维区域；相邻的三维区域形成的交界点处均设置一个UWB定位基站20。
在本可选实施方式中，第一长度、第二长度、第三长度可以相等，可以根据UWB定位标签10和基站的有效通信距离来设置具体数值。例如：在施工场地对UWB测距性能进行测试，其有效通信距离可达30m(此时遮挡较大)，因此可以将第一长度、第二长度、第三长度均设为20m。
以一栋居民楼的建设为例，图2是一栋居民楼施工场地模型的区域划分示意图。如图2所示，在竖直z方向上，该施工场地模型总高度为h米，每个划分区域以“第j层”表示，从最底层(水平地面)向上以每20m的高度划分1个区域，最后一个划分区域的高度小于或等于20m；水平长距离方向y上，距离为Y米，每个划分区域以“第k区”表示，从建筑物的一端沿方向y以每20m划分1个区域至建筑物的另一端，最后一个划分区域的长度小于或等于20m；水平宽距离方向x上，距离为X米，每个划分区域以“第i纬度”表示，从建筑物的一端沿方向x以每20m划分1个区域至建筑物的另一端，最后一个划分区域的长度小于或等于20m。这样，便将该建筑场地模型的三维空间划分为了m(水平x方向)×n(水平y方向)×q(竖直z方向)个三维区域。施工人员1携带定位标签A1工作，施工人员2携带定位标签A2工作，施工人员3携带定位标签A3工作……
本实施例中，当施工人员携带开启的UWB定位标签10进入建筑场地后，在可通信范围内的各UWB定位基站20之间以及UWB定位基站20与UWB定位标签10便进行持续的测距通信。UWB定位标签10与UWB定位基站20之间以及各UWB定位基站20之间要想能正常通信，二者需要设置在可通信范围内，也就是说，如果施工场地的三维空间较大，每个UWB定位基站20不一定能与该三维空间设置的其余N-1个UWB定位基站20均能通信，但是，对于同一个三维区域内的4个UWB定位基站20，每个UWB定位基站20均能与其所属三维区域的其余3个UWB定位基站20进行有效通信；同理，UWB定位标签10随施工人员而动，其位置不固定，UWB定位标签10也不一定与所有UWB定位基站20均能进行有效通信，但是，当UWB定位标签10位于一个三维区域内，UWB定位标签10一定与该三维区域内设置的4个UWB定位基站20均能进行有效通信。因此，各UWB定位基站20在可通信范围内的测距信息是指整个施工场地中的每个UWB定位基站20在可通信范围内接收到的测距信息，该测距信息可以是与其它UWB定位基站20的距离信息，也可以是与UWB定位标签10的距离信息。
多个相邻三维区域形成的交界点处均布置一个UWB定位基站Bijk，如图3所示布置。以某一纬度i为例，水平y方向布置n个UWB定位基站Bij1,Bij2,Bij3……，水平x方向上布置m个(与y方向的基站有重叠的，布置一个即可)UWB定位基站B1jk,B2jk,B3jk……，竖直z方向上布置q个(与x、y方向上的基站有重叠的，布置一个即可)UWB定位基站Bi1k,Bi2k，Bi3k……，每个区域内用以建立该区域坐标系的为四个基站Bijk，Bij(k+1)，B(i+1)jk，B(i+1)j(k+1)，其中，基站Bijk作为该区域(第i纬度第j层第k区)的原点基站，其他区域的基站不参与对该区域的定位操作，各相邻区域边界上的公共基站可进行多路通信，每路通信参与一个区域的定位操作。
本实施例在传统UWB定位技术的基础上，利用对需要定位的施工人员所处的三维空间进行分纬分层分区，每个区域设置一套用以建立该区域三维定位坐标系的UWB定位基站，而不是利用一套UWB定位基站来对整个三维空间建立坐标系，解决了长距离通信问题。
作为本实施例的一种可选实施方式，如图8所示，N个UWB定位基站20中的任意一个UWB定位基站作为系统原点基站40，系统原点基站40包括第一无线传输模块404，其余N-1个UWB定位基站20将自身在可通信范围内的测距信息直接发送或者中继转发到系统原点基站40；上位机30包括第二无线传输模块304，第二无线传输模块304与第一无线传输模块404进行无线通讯连接，上位机30通过第二无线传输模块304接收系统原点基站40统一上传的各UWB定位基站20在可通信范围内的测距信息。为了减少对UWB定位基站20的硬件改动从而节省成本，可以从N个UWB定位基站20选择一个基站作为系统原点基站40，在其内部增设第一无线传输模块404，使其它UWB定位基站20收集的测距信息直接发送或者中继转发给系统原点基站40，由系统原点基站40统一上传给上位机30；当然，系统原点基站40也会将自身收集的测距信息一起上传给上位机30；具体实施时，可以最先开启系统原点基站40，然后可按楼层从低到高依次开启其它UWB定位基站20，对此本实施例不做具体限定。例如：如图8所示，UWB定位基站1#、UWB定位基站4#与UWB定位标签10均没有通信，UWB定位基站1#将自身收集的与其它基站的测距信息通过UWB定位基站2#转发给系统原点基站40，而UWB定位基站4#将自身收集的与其它基站的测距信息直接发送给系统原点基站40；UWB定位基站3#与UWB定位标签10能通信，并将与UWB定位标签10的测距信息以及与其它基站的测距信息通过UWB定位基站2#转发给系统原点基站40；UWB定位基站2#可以将自身与UWB定位标签10的测距信息以及与其它基站的测距信息直接发送给系统原点基站40，也可以将UWB定位基站1#和UWB定位基站3#发来的测距信息转发给系统原点基站40。
当然，如果不考虑UWB定位基站20的改造成本，也可以为每个UWB定位基站20均增设无线传输模块，由每个UWB定位基站20直接将自身收集的测距信息实时上传至上位机30。
在本可选实施方式中，可选的，第一无线传输模块404、第二无线传输模块304均为WIFI模块或者蓝牙模块。出于对传输质量和传输要求的综合考虑，系统原点基站40通过WIFI网络将收集的测距信息发送至上位机30，因此，优选的，第一无线传输模块404、第二无线传输模块304均为WIFI模块。
作为本实施例的一种可选实施方式，中央处理器，还用于上位机判断是否有三维区域内的4个UWB定位基站与UWB定位标签均有测距信息，若有则判断三维区域的个数；若只有一个则判定UWB定位标签位于该三维区域，若有多个则分别计算每个三维区域内的4个UWB定位基站对UWB定位标签的测距信息之和；得到多个测距信息之和，比较多个测距信息之和的大小，得到最小值，并判定UWB定位标签位于最小值对应的三维区域。
某一施工人员p携带定位标签Ap工作时，在可通信距离范围内，Ap与UWB定位基站Bijk、Bij(k-1)、B(i+1)j(k-1)、B(i+1)jk、B(i+1)j(k+1)、Bi(j+1)(k-1)、Bi(j+1)k、B(i+1)(j+1)(k-1)、B(i+1)(j+1)k、B(i+1)(j+2)(k-1)均有测距信息，分别为 且这些测距信息均发送至作为系统原点基站B111，基站B111再上传到上位机，执行算法程序，对测距信息进行分类，发现UWB定位标签Ap只与第i+1纬第j层第k-1区的四个定位基站(Bij(k-1)、B(i+1)j(k-1)、B(i+1)jk、B(i+1)(j+1)(k-1))和第i+1纬第j+1层第k-1区的四个定位基站(Bi(j+1)(k-1)、B(i+1)(j+1)(k-1)、B(i+1)(j+1)k、B(i+1)(j+2)(k-1))均有测距信息，而可实现通信的其他各基站之间并无法组成一个完整区域，故UWB定位标签Ap位于第i+1纬第j层第k-1区或第i+1纬第j+1层第k-1区中，因此接下来比较两个距离之和/>和/>的大小，根据最小的距离之和确定定位标签位于何纬何层何区。具体的，/>为UWB定位标签Ap与第i+1纬第j层第k-1区的四个UWB定位基站(Bij(k-1)、B(i+1)j(k-1)、B(i+1)jk、B(i+1)(j+1)(k-1))的距离之和，/>为UWB定位标签Ap与第i+1纬第j+1层第k-1区的四个定位基站(Bi(j+1)(k-1)、B(i+1)(j+1)(k-1)、B(i+1)(j+1)k、B(i+1)(j+2)(k-1))距离之和；相关的计算式如下：
/>
假定最小，判定定位标签位于第i+1纬第j层第k-1区。
作为本实施例的一种可选实施方式，中央处理器，具体用于利用最大似然估计法改进三维TOA定位算法，将各UWB定位基站与UWB定位标签之间的距离信息的公式相减，并利用改进后的三维TOA定位算法进行坐标解算。在理想的信号传播环境下，即在视距传播的环境下，测量距离等于实际距离。但是，考虑到本实施例的UWB定位基站之间以及UWB定位基站与UWB定位标签之间收发测距脉冲信号为非视距传播，属于非理想的信号传播环境，导致的误差在TOA算法中是一个正的附加延时，所以信号发射端和接收端之间的测量距离是大于信号发射端和信号接收端的实际距离的。因此，可以利用最大似然估计法对TOA算法进行改进，将各测量距离之间的公式相减，以使各测量距离之间通过做差的形式将误差减小，从而使解算得到的坐标参数值更加精确。
例如，对于定位标签Ap的定位需选用第i+1纬第j层第k-1区，此时依靠用以该区定位的四个定位基站Bij(k-1)、B(i+1)j(k-1)、B(i+1)jk、B(i+1)(j+1)(k-1)测得的与定位标签Ap的距离信息利用改进的三维TOA定位算法进行坐标解算，得到定位标签Ap的三维坐标/>具体计算方法如下：
列如下方程组：
该方程组各式两边平方后，前3个等式均和第4个等式相减，得：
进一步整理，可表示为：
其中：
则可得待UWB定位标签Ap的定位坐标(矩阵表示)为：
以上便是对UWB定位标签Ap的坐标解算方法。
本实施例中，上位机30可以是PC机，存储器302用于存储现有的坐标解算算法，例如三维TOA定位算法；中央处理器301调用坐标解算算法对上传的测距信息进行坐标解算，可以建立各个区域的三维坐标系以及得到UWB定位标签10的三维坐标最后通过显示器303显示出三维定位图像。如图6所示，x轴方向上单独将各纬度的所有定位坐标系显示成一个子界面，并且在上位机中以标记好各子界面的纬度i值，将同一纬度i下的各坐标系按xOy平面相互平行、z轴对应叠加的方式拼接在一起，则同一纬度i下各区域坐标系的原点均在z轴方向上，以z轴方向从下往上分别标记为第1层、第2层、第3层……，以y轴方向从左至右分别标记为第1区、第2区、第3区……
本实施例中，如图9所示，UWB定位标签10包括第一UWB测距模块101和第一电源模块102，第一UWB测距模块101与第一电源模块102连接；如图10所示，UWB定位基站20包括第二UWB测距模块201和第二电源模块202，第二UWB测距模块201与第二电源模块202连接。第一电源模块102为UWB定位标签10内的各模块供电，第二电源模块202为UWB定位基站20内的各模块供电。如图11所示，系统原点基站40内，第二UWB测距模块401与第一无线传输模块404连接，第二UWB测距模块401和第一无线传输模块404分别与第二电源模块402连接。
本实施例中，第二UWB测距模块201本身具有数据传输接口，可以连接无线传输模块，因此，从N个UWB定位基站20中任意选择一个基站作为系统原点基站40，为系统原点基站40配置一个无线传输模块，由系统原点基站40通过无线传输模块统一上传测距信息到上位机30，而无需对其它UWB定位基站20配置无线传输模块，这样可以节省成本。
作为本实施例的一种可选实施方式，如图9所示，UWB定位标签10还可以包括第一功率放大器103，第一功率放大器103分别与第一UWB测距模块101和第一电源模块102连接。通过在UWB定位标签10内设置第一功率放大器103，可以对衰减的UWB信号进行放大，提高定位的可靠性。
作为本实施例的一种可选实施方式，如图10所示，UWB定位基站20还可以包括第二功率放大器203，第二功率放大器203分别与第二UWB测距模块201和第二电源模块202连接。当然，如图11所示，系统原点基站40也包括第二功率放大器403，第二功率放大器203分别与第二UWB测距模块401和第二电源模块402连接。通过在系统原点基站40内设置第二功率放大器403，可以对衰减的UWB信号进行放大，提高定位的可靠性。
在本可选实施方式中，优选的，第一UWB测距模块、第二UWB测距模块均为DWM1000模块。
在本可选实施方式中，可选的，如图9所示，第一电源模块102可以包括第一供电电路1021和第一可拆卸电池1022，第一供电电路1021与第一可拆卸电池1022连接；将第一供电电路1021外接第一可拆卸电池1022，可以省去传统的外接5V移动充电装置进行供电的麻烦，大大增加了便捷性。优选的，第一可拆卸电池1022可以是纽扣电池，可以减小UWB定位标签10的体积，节省制造成本。
在本可选实施方式中，可选的，如图10所示，UWB定位基站20的第二电源模块202可以包括第二供电电路2021和第二可拆卸电池2022，第二供电电路2021与第二可拆卸电池2022连接；将第二供电电路2021外接第二可拆卸电池2022，可以省去传统的外接5V移动充电装置进行供电的麻烦，大大增加了便捷性。优选的，第二可拆卸电池2022可以是纽扣电池，可以减小UWB定位基站20的体积，节省制造成本。当然，如图11所示，系统原点基站40的第二电源模块402也包括第二供电电路4021和第二可拆卸电池4022，第二供电电路4021与第二可拆卸电池4022连接；将第二供电电路4021外接第二可拆卸电池4022，可以省去传统的外接5V移动充电装置进行供电的麻烦，大大增加了便捷性。优选的，第二可拆卸电池2022可以是纽扣电池，可以减小系统原点基站40的体积，节省制造成本。
通过本实施例提供的系统，定位标签由施工人员随身携带，定位基站按照一定布局安放，通过利用设置在基站和定位标签中的UWB模块进行测距，将测得的所有距离信息统一上传至上位机，使得安全管理人员可以实时地监测各施工人员的位置信息，从而高效可靠地掌控施工人员的安全问题；对需要定位的施工人员三维空间活动场所进行分层分区，每个区域设置一套用以建立该区域三维定位坐标系的基站，解决原有的一个三维空间中UWB定位基站之间以及参考基站与待定位标签之间的长距离通信问题。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的创造性精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于UWB定位的分层立体监测方法，其特征在于，包括：
步骤S1，将施工场地的三维空间划分为至少两个三维区域，其中，每个三维区域均设置4个两两之间可通信的UWB定位基站；
步骤S2，施工人员携带UWB定位标签进入施工场地，当所述UWB定位标签位于任意一个三维区域内，所述UWB定位标签与该三维区域内的4个UWB定位基站均进行通信；施工场地中的各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息被实时上传至上位机；
步骤S3，所述上位机根据各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息判定所述UWB定位标签位于哪个三维区域；
步骤S3具体包括：
步骤S31，所述上位机判断是否有三维区域内的4个UWB定位基站与所述UWB定位标签均有测距信息，若有则执行步骤S32，否则重复所述步骤S31；
所述步骤S32，所述上位机判断三维区域的数量是否为一个，若是则执行步骤S33，否则执行步骤S34；
所述步骤S33，所述上位机判定所述UWB定位标签位于该三维区域；
所述步骤S34，所述上位机分别计算每个三维区域内的4个UWB定位基站对所述UWB定位标签的测距信息之和，得到多个测距信息之和；
步骤S35，所述上位机比较所述步骤S34计算得到的多个测距信息之和的大小，得到最小值，并判定所述UWB定位标签位于所述最小值对应的三维区域；
步骤S4，所述上位机根据所述步骤S3确定的三维区域内的4个UWB定位基站与所述UWB定位标签之间的距离信息，进行坐标解算，得到所述UWB定位标签的三维坐标；
步骤S5，所述上位机显示三维定位图像。
2.根据权利要求1所述的基于UWB定位的分层立体监测方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：以预先设置的第一长度为最小划分单位对施工场地三维空间的水平长距离方向进行划分，以预先设置的第二长度为最小划分单位对施工场地三维空间的水平宽距离方向进行划分，以预先设置的第三长度为最小划分单位对施工场地三维空间的竖直方向进行划分，形成所述至少两个三维区域；相邻的三维区域形成的交界点处均设置一个UWB定位基站。
3.根据权利要求1或2所述的基于UWB定位的分层立体监测方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：利用最大似然估计法改进三维TOA定位算法，将各UWB定位基站与所述UWB定位标签之间的距离信息的公式相减，并利用改进后的三维TOA定位算法进行坐标解算。
4.根据权利要求1或2所述的基于UWB定位的分层立体监测方法，其特征在于，还包括：将任意一个UWB定位基站设置为系统原点基站，其余UWB定位基站将自身在可通信范围内的测距信息直接发送或者中继转发到系统原点基站，所述系统原点基站通过无线方式将各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息统一上传给所述上位机。
5.一种基于UWB定位的分层立体监测系统，其特征在于，包括：施工人员携带的UWB定位标签、N个UWB定位基站和上位机，其中，N≥8，且N为整数；
施工场地的三维空间划分为至少两个三维区域，每个三维区域均设置4个两两之间可通信的UWB定位基站，当所述UWB定位标签位于任意一个三维区域内，所述UWB定位标签与该三维区域内的4个UWB定位基站均进行通信；施工场地中的各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息被实时上传至所述上位机；
所述上位机包括中央处理器、存储器和显示器；
所述存储器，用于所述上位机存储坐标解算算法；
所述中央处理器，分别与所述存储器和所述显示器连接，用于所述上位机根据各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息判定所述UWB定位标签位于哪个三维区域，以及根据所述确定的三维区域内的4个UWB定位基站与所述UWB定位标签之间的距离信息和所述坐标解算算法进行坐标解算，得到所述UWB定位标签的三维坐标；
所述中央处理器，还用于所述上位机判断是否有三维区域内的4个UWB定位基站与所述UWB定位标签均有测距信息，若有则判断三维区域的个数；若只有一个则判定所述UWB定位标签位于该三维区域，若有多个则分别计算每个三维区域内的4个UWB定位基站对所述UWB定位标签的测距信息之和；得到多个测距信息之和，比较多个测距信息之和的大小，得到最小值，并判定所述UWB定位标签位于所述最小值对应的三维区域；
所述显示器，用于所述上位机显示三维定位图像。
6.根据权利要求5所述的基于UWB定位的分层立体监测系统，其特征在于，以预先设置的第一长度为最小划分单位对施工场地三维空间的水平长距离方向进行划分，以预先设置的第二长度为最小划分单位对施工场地三维空间的水平宽距离方向进行划分，以预先设置的第三长度为最小划分单位对施工场地三维空间的竖直方向进行划分，形成所述至少两个三维区域；相邻的三维区域形成的交界点处均设置一个UWB定位基站。
7.根据权利要求5或6所述的基于UWB定位的分层立体监测系统，其特征在于，所述N个UWB定位基站中的任意一个UWB定位基站作为系统原点基站，所述系统原点基站包括第一无线传输模块，其余N-1个UWB定位基站将自身在可通信范围内的测距信息直接发送或者中继转发到所述系统原点基站；所述上位机包括第二无线传输模块，所述第二无线传输模块与所述第一无线传输模块进行无线通讯连接，所述上位机通过所述第二无线传输模块接收所述系统原点基站统一上传的各UWB定位基站在可通信范围内的测距信息。
8.根据权利要求5或6所述的基于UWB定位的分层立体监测系统，其特征在于，所述中央处理器，具体用于利用最大似然估计法改进三维TOA定位算法，将各UWB定位基站与所述UWB定位标签之间的距离信息的公式相减，并利用改进后的三维TOA定位算法进行坐标解算。
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基于区域判定的超宽带井下高精度定位;方文浩;陆阳;卫星;;计算机应用(第07期);全文 *

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CN109640256A (zh) 2019-04-16

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