CN109951795A - 一种uwb三维室内定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于室内定位技术领域，提供了一种UWB三维室内定位系统及定位方法，定位系统包括定位主机、定位基站、待定位有源标签，在三维定位系统中，采用多个定位基站均匀布局于使用环境四周，采用两组不同高度排布的状态，有源待定位标签的活动范围须限制在高低两个平面之内，使用时，由定位标签发出定位请求信号，各个定位基站依次接收并进行反馈，由定位标签获取到与各个定位基站的测距值，再通过无线方式将结果传递到定位主机中进行误差消除和定位计算，本发明所述定位方法基于TOF测距原理，定位主机采用最小二乘拟合公式和卡尔曼滤波对定位基站测量的距离值进行预处理一削弱非视距误差对计算结果的影响，定位更准确。

Description

一种UWB三维室内定位系统及定位方法

技术领域

本发明属于室内定位技术领域，尤其涉及一种UWB三维室内定位系统及定位方法。

背景技术

随着智慧城市、物联网、移动互联网等相关行业的快速发展，基于位置服务的上层应用将在其中发挥越来越重要的作用。而在室内定位领域，超宽带这一新兴技术以其优越的定位性能开始获得越来越多的关注。目前，基于超宽带技术的室内定位模型主要分为“到达时间”(time ofarrival，TOA)和“到达时间差”(time differences ofarrival，TDOA)两种。

在当前超宽带(ultra wide band,UWB)室内定位系统中，由于室内环境的复杂多变，不可避免地引入了测量噪声和非视距(Non-Line ofSight，NLOS)误差。二者是求解定位过程中的主要误差来源，尤其是NLOS误差已经成为影响定位精度的关键性因素，较大的NLOS误差往往会导致超宽带室内定位系统的定位性能急剧下滑，尤其是在三维定位系统中，传统定位算法不能满足实际定位需求。

发明内容

本发明提供一种UWB三维室内定位系统及定位方法，旨在定位性能差的问题。

本发明是这样实现的，一种UWB三维室内定位系统，包括待定位标签、多个定位基站、定位主机；

所述待定位标签用于发出定位请求信号；

所述多个定位基站均匀分布在室内空间的边沿且用于接收所述定位请求信号，所述多个定位基站根据所述定位请求信号检测所述待定位标签与所述多个定位基站之间的距离值；

所述所述定位主机用于对接收所述距离值并且采用最小二乘拟合公式和卡尔曼滤波依次对所述距离值进行减少误差的处理，然后通过计算得出所述待定位标签的定位信息。

本发明还提供优选的，所述待定位标签和所述定位基站内均设置有型号为DW的定位芯片，所述定位芯片用于接收和发出定位请求信号。

本发明还提供优选的，所述定位基站的数量为五个。

本发明还提供优选的，所述五个定位基站分为第一基站组和第二基站组，其中第一基站组内设置有三个所述定位基站，所述第二基站组内设置有两个所述定位基站，所述第一基站组的高度高于所述第二基站组。

本发明还提供优选的，所述五个定位基站分为第一基站组和第二基站组，其中第一基站组内设置有四个所述定位基站，所述第二基站组内设置有一个所述定位基站，所述第一基站组的高度高于所述第二基站组。

本发明还提供一种UWB三维室内定位系统的定位方法，其采用上述任意一种UWB三维室内定位系统，所述定位方法包括以下步骤：

步骤1：所述待定位标签发出一次测距请求帧；

步骤2：所述多个定位基站均接收到所述测距请求帧，并且延时发出响应帧，响应时间附在所述响应帧内；

步骤3：所述待定位标签接收所述响应帧，并且计算得出发出测距请求帧到接收响应帧的时间间隔，再根据所述响应帧内的所述响应时间，计算得出所述待定位标签到每一个所述定位基站的距离值，待定位标签将多个所述距离值发送到所述定位主机；

步骤4：所述定位主机采用chan算法并根据所述多个距离值计算得出所述待定位标签的定位信息。

本发明还提供优选的，在所述定位主机计算得出所述待定位标签的定位信息前，采用拟合公式和卡尔曼滤波依次对所述距离值进行减少误差的处理。

本发明还提供优选的，所述定位主机计算得出所述待定位标签的定位信息后，采用遗传算法对所述定位信息进行处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的一种UWB三维室内定位系统及定位方法，通过设置多个定位基站，从而能够通过多个定位基站对待定位标签进行更准确的定位测距，定位性能更佳，通过设置定位主机，定位主机采用最小二乘拟合公式和卡尔曼滤波对定位基站测量的距离值进行预处理一削弱非视距误差对计算结果的影响，最终得到较为可信的定位终解，定位更准确。

附图说明

图1为本发明的整体的结构示意图。

图2为本发明的待定位标签和定位基站的测距示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种UWB三维室内定位系统，包括待定位标签、多个定位基站、定位主机。

待定位标签用于发出定位请求信号，待定位标签内设置有型号为DW1000的定位芯片，DW1000定位芯片具有信号发送和信号接收功能，待定位标签作为检测点放置在检测环境内，。

多个定位基站均匀分布在室内空间的边沿且用于接收定位请求信号，多个定位基站根据定位请求信号检测待定位标签与多个定位基站之间的距离值，在本实施方式中，定位基站的数量为五个在检测环境的四周，另外，五个定位基站分为第一基站组和第二基站组，第一基站组和第二基站组内的定位基站的数量可以为三个、两个或者四个、一个的两种组合方式，优选采用三个、两个的组合，且第一基站组内的三个定位基站位于检测环境内的高度相对较高的平面，第二基站组内的两个定位基站位于检测环境内的高度相对较低的平面，定位基站接收待定位标签发出的定期请求信号，并且计算得出待定位标签到每一个定位基站的距离值，然后将距离值通过无线传输到定位主机。

定位主机定位主机接收多个距离值，然后定位主机对接收距离值采用最小二乘拟合公式和卡尔曼滤波依次对距离值进行减少误差的处理，然后通过计算得出待定位标签的定位信息，对于本发明的定位系统而言，采用TOF定位方法，虽然其并不直接使用时间戳进行测距，但NLOS即非视距的影响依然是存在的，为了进一步提高超宽带定位系统的单点定位精度，本发明着眼于原始TOF测量值的修正，使用最小二乘拟合、卡尔曼滤波原理对TOF测量值进行预处理以便消弱NLOS误差的影响，并利用经典chan算法在理性视距环境下的优异表现，设计chan算法在TOF定位方法下的适配应用，Chan算法是一种基于TDOA技术、具有解析表达式解的定位算法，在TDOA误差服从理想高斯分布时性能良好，当基站数为时，该算法表现一般，当基站为个以上时，能进一步提高定位精度，即在误差符合高斯分布的LOS即视距环境下，通过将误差量加入TOF定位方程并重构定位方程，采用两次加权最小二乘迭代求解，同时使用遗传算法对所得解进行优化处理，最终得到较为可信的定位终解。

基于TOA的定位方法本质上属于求解圆方程、球面方程的数学问题，测量过程中为了得到相对准确的方程组，其需要基站与标签、基站与基站之间严格的时间同步，技术上较难实现，而基于TDOA的定位方法本质上属于求解双曲线、双曲面方程的数学问题，与TOA不同的是，在测量过程中，TDOA通过添加额外的基站使得标签与基站之间无需严格的时钟同步，但基站与基站之间的时钟同步则必不可少，一般而言，TOA的定位精度应当略高于TDOA，而实现成本较高。本发明则选用TOF进行算法验证，TOF由TOA演化而来，基于TOA的定位方法使用的是时间戳，而TOF则使用时间段，避免了不同设备之间的时钟同步的严格需求，二者只在获取距离的方式上不一样，即前者是单向测距，后者是双向测距，但其后的操作流程是一致的。

一般而言，基于超宽带技术的定位系统可靠性和准确性都比较高，但是由于多径衰落和阴影效应的存在，在室内复杂环境下，超宽带定位系统的精度会急剧下降，尤其是3D定位系统中，NLOS误差对定位的影响是致命的。而现有超宽带定位算法中应用最广泛的WLS算法、Chan算法在空旷环境下的表现良好，但在NLOS环境下的定位效果较差，远远不能满足实际定位需求。为了解决这个问题，提出Chan-GA算法对特定场景下的观测值进行最小二乘拟合、卡尔曼滤波修正等处理，尽量消除NLOS误差的影响，得到较为可信的观测值，其后以之代入定位解算算法得出初始解，并通过遗传算法进行优化处理，得出定位最终解。

综上，本发明的一种UWB三维室内定位系统及定位系统，采用多个高低设置的定位基站对待定位标签进行三维定位检测，定位性能强，另外采用定位之主机对检测的定位基站和待定位标签之间的距离值进行误差消弱处理，从而减少NLOS误差的影响，并利用chan算法对定位精度进行提升。

在进行测距工作时，先将五个基站放在固定的位置，从距其.m处开始，每隔.m移动标签，并记录下实际测量的两者之间距离值。利用所测结果，采用线性方程进行拟合，得出各基站的测距拟合表达式。

在特定场景四周均匀布置三个处于高位、两个处于低位共五个定位基站，通过带定位目标携带的移动标签与各基站之间的TOF无线通信过程获取测距信息，在TOF测距过程中，移动标签首先发出一帧测距请求信号，其后基站响应请求信号，并发送回复信号给移动标签。假设标签前后收到信号之间的时间差为T_round，基站收到信号并做出回复之间的响应间隔为T_relay，则标签到基站的距离为：

其中d为待定位标签到定位基站的距离，c为光速。

为了确保测距的准确性，采用已知的拟合公式对测距值进行修正，可以消除部分LOS误差的影响。再通过卡尔曼滤波算法对经过拟合后的测量值进行预处理，得到较为可靠的TOF测量值，采用经典Chan算法得出定位初始解。

再利用基因遗传算法在非线性优化方面的优势，通过将优化后的结果反带入定位方程得到TOF值与先验值的差平方作为下次遗传迭代的适应度,并将定位精度作为约束条件，对精度不高的定位初始解进行校正，从而得出较为准确的定位结果

本发明的还提供一种采用上述UWB三维室内定位系统的定位方法，包括以下步骤：

步骤1：待定位标签发出一次测距请求帧。

步骤2：多个定位基站均接收到测距请求帧，并且延时发出响应帧，响应时间附在响应帧内。

步骤3：待定位标签接收响应帧，并且计算得出发出测距请求帧到接收响应帧的时间间隔，再根据响应帧内的响应时间，计算得出待定位标签到每一个定位基站的距离值，待定位标签将多个距离值发送到定位主机。

步骤4：定位主机采用拟合公式和卡尔曼滤波依次对距离值进行减少误差的处理，定位主机采用chan算法并根据多个距离值计算得出待定位标签的定位信息，采用遗传算法对定位信息进行处理以使定位信息更准确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种UWB三维室内定位系统，其特征在于：包括待定位标签、多个定位基站、定位主机；

所述待定位标签用于发出定位请求信号；

所述多个定位基站均匀分布在室内空间的边沿且用于接收所述定位请求信号，所述多个定位基站根据所述定位请求信号检测所述待定位标签与所述多个定位基站之间的距离值；

所述所述定位主机用于对接收所述距离值并且采用最小二乘拟合公式和卡尔曼滤波依次对所述距离值进行减少误差的处理，然后通过计算得出所述待定位标签的定位信息。

2.如权利要求1所述的一种UWB三维室内定位系统，其特征在于：所述待定位标签和所述定位基站内均设置有型号为DW1000的定位芯片，所述定位芯片用于接收和发出定位请求信号。

3.如权利要求1所述的一种UWB三维室内定位系统，其特征在于：所述定位基站的数量为五个。

4.如权利要求3所述的一种UWB三维室内定位系统，其特征在于：所述五个定位基站分为第一基站组和第二基站组，其中第一基站组内设置有三个所述定位基站，所述第二基站组内设置有两个所述定位基站，所述第一基站组的高度高于所述第二基站组。

5.如权利要求3所述的一种UWB三维室内定位系统，其特征在于：所述五个定位基站分为第一基站组和第二基站组，其中第一基站组内设置有四个所述定位基站，所述第二基站组内设置有一个所述定位基站，所述第一基站组的高度高于所述第二基站组。

6.一种定位方法，其采用如权利要求1至5所述的一种UWB三维室内定位系统，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：所述待定位标签发出一次测距请求帧；

步骤2：所述多个定位基站均接收到所述测距请求帧，并且延时发出响应帧，响应时间附在所述响应帧内；

步骤3：所述待定位标签接收所述响应帧，并且计算得出发出测距请求帧到接收响应帧的时间间隔，再根据所述响应帧内的所述响应时间，计算得出所述待定位标签到每一个所述定位基站的距离值，待定位标签将多个所述距离值发送到所述定位主机；

步骤4：所述定位主机采用chan算法并根据所述多个距离值计算得出所述待定位标签的定位信息。

7.如权利要求6所述的一种定位方法，其特征在于：在所述定位主机计算得出所述待定位标签的定位信息前，采用拟合公式和卡尔曼滤波依次对所述距离值进行减少误差的处理。

8.如权利要求6所述的一种定位方法，其特征在于：所述定位主机计算得出所述待定位标签的定位信息后，采用遗传算法对所述定位信息进行处理。