CN110044357B - 一种室内高精度三维无线定位方法 - Google Patents

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Abstract

一种室内高精度三维无线定位方法，包括下列步骤：首先运用往返到达时间RTTOA进行两两基站间的通信来测定飞行时间来确定基站间的距离；再运用往返到达时间RTTOA进行双向飞行时间的测量，计算出标签到基站的平均飞行时间；计算出信号从标签到各基站的传输时长，则标签到基站的距离为信号的传输时长和信号的传播速度的乘积；利用十轴运动姿态传感器算出三轴运动加速度、三轴角度、三轴磁场角度这三个参数，进行参数的解算；判断并剔除非临近基站的定位信息，获取标签的定位数据；将构建标的坐标系结合3D模拟环境，来完成定位以及定位在3D模拟环境中精准显示定位数据。本发明的定位方法可以有效的克服多径效应，在非视距环境中定位精度稳定在10cm左右。

Description

一种室内高精度三维无线定位方法
技术领域
本发明属于定位技术领域，尤其是涉及一种室内高精度三维无线定位方法。
背景技术
近年来，随着俄罗斯格洛纳斯定位系统、美国GPS定位系统、欧洲伽利略卫星定位系统，以及中国北斗定位系统的不断完善，定位精度越来越高，已经可以满足有室外定位要求的用户，但是室内环境中有很多区域，卫星信号无法到达，无法穿透厚重的墙壁，因此需要一种室内三维无线定位方法，但目前缺少成熟、精度高的室内三维无线定位方法。
现有的室内定位方法中，RFID定位的定位精度由基站的位置和布置密度决定，由欧几里得公式得到标签和基站的距离，因此计算量比较大；WLAN、Bluetooth定位和超声波定位容易受到外部噪声信号的干扰；红外线定位和视觉信息定位均为视距测距，易受室内环境影响比较大；还有以往的定位坐标系的建立均由人工对定位环境进行测算，然后将带有人为误差的基站定位数据输入计算机来构建定位坐标系，进而带来定位精度误差较大。
本发明是以机器学习为基础，并结合UWB定位和惯性测量技术定位的优良特点的一种室内高精度三维无线定位方法。
发明内容
本发明的目的：就是为了解决现有的定位方法在信号传输距离、非视距、易受环境干扰、功耗、人为误差以及标签和基站的算法运算量大而导致定位精度不高等方面存在的问题，采用往返到达时间RTTOA的测距算法，以机器学习为基础，再结合UWB定位和惯性测量技术定位的优良特性进行联合定位，依托于3D模拟环境来精准显示定位数据。
为实现上述发明目的，本发明提供一种室内高精度三维无线定位方法，其特征在于包括下列步骤：
1、首先运用往返到达时间RTTOA进行两两基站间的通信来测定基站间信号的飞行时间并传输至服务器，来确定基站间的距离，以便于确定N个基站的精准坐标，以其中一个基站为坐标原点，在服务器的定位服务系统上构建标签定位所需的坐标系；
2、再运用往返到达时间RTTOA进行双向飞行时间的测量，将标签和基站的时间信号传输至服务器，并计算出标签到基站的平均飞行时间；
3、在服务器上计算出信号从标签到各基站的传输时长为tn=（Tn-TN）/2，则标签到基站的距离为信号的传输时长tn和信号的传播速度VC的乘积；即D=tn*VC，其中，TN是基站处理信号的时长，Tn为第N个基站广播信号到达标签的时长；
4、利用十轴运动姿态传感器解算出标签的三轴运动加速度、三轴角度、三轴磁场角度这三个参数，并传输至服务器，再在服务器上进行标签的运动方向、速度、加速度参数的解算；
5、在服务器上判断并剔除非临近基站的定位信息，将临近基站的定位信息与十轴运动姿态传感器测算的定位信息进行基于机器学习定位的信息融合，获取标签的定位数据；
6、将步骤1中构建标的坐标系结合3D模拟环境，再将标签的定位数据、速度、运动方向在模拟环境中予以显示，以此来完成定位以及定位在3D模拟环境中精准显示定位数据。
进一步，所述步骤1中构建标签定位所需的坐标系的具体步骤如下：
a、首先运用往返到达时间RTTOA进行两两基站间的通信，双向测量基站间信号的飞行时间，上传至服务器；
b、在服务器上以其中一个基站为坐标原点，根据双向测量基站间信号的飞行时间，解算出基站间的距离，再根据三轴直角坐标系的特点，确定基站的精准坐标，然后以各基站的精准坐标为基础，建立三维直角坐标系。
进一步，所述步骤2中双向飞行时间测量的具体步骤如下：
a、由标签向周围的N个基站同时广播信号，当标签开始进行广播信号时则开始计时操作；
b、N个基站接收到标签的广播信号，此时N个基站分别进行计时操作，经过基站的处理后，改为由基站进行广播信号，在基站开始进行广播信号时结束计时，分别记录N个基站计时时长TN，并将TN上传至服务器；即基站从接收到标签的广播信号到基站开始进行广播信号时的处理时间；
c、标签接收到N个基站的广播信号，此时标签进行计次计时，即分别记录
第N个基站广播的信号到达标签时，标签计时的时长Tn，并将Tn上传至服务器。
进一步，所述步骤4中标签的运动方向、速度、加速度参数的解算具体步骤如下：
a、十轴运动姿态传感器测得三轴运动加速度、三轴角度、三轴磁场角度参数；
b、用三轴运动加速度解算出标签的运动速度、步长、加速度参数；
c、用三轴角度和三轴磁场两个参数解算出标签的运动方向。
所述的，获取标签的定位数据是为在服务器上基于机器学习定位的定位数据和十轴运动姿态传感器的测算数据进行信息融合处理，以便于进一步缩小单个方法解算造成的定位误差，优化后的定位数据。
本发明方法首先运用往返到达时间RTTOA进行两两基站间的通信来测定基站间的距离，避免了由人工进行测量所带来的误差；运用往返到达时间RTTOA进行双向测量飞行时间，避免了标签和基站之间时钟不同步带来的定位误差，而且服务器承担了大部分算法的计算工作，降低了标签和基站的计算复杂度，因此大大降低了定位错误发生的概率，提高了定位效率，同时也降低了下位机因计算量大而产生的功耗问题；而基于机器学习的定位算法也大大降低了编程人员的编程难度；并运用十轴运动姿态传感器测算的数据进行基于机器学习定位的信息融合，并将定位数据在3D模拟环境中精准显示，使得人机交互界面更加友好化，有效地提升了三维定位精度。通过应用试验比较，现有的室内定位方法在非视距环境中定位精度受多径效应的影响，定位精度严重下降，只能达到25-30cm左右的定位精度，乃至定位系统失效；而本发明的定位方法可以有效的克服多径效应，在非视距环境中定位精度稳定在10cm左右。
附图说明
图1是根据本发明具体实施方式的流程图。
具体实施方式
参见图1：一种室内高精度三维无线定位方法包括：
步骤101：测定基站间的信号平均飞行时间。
具体的，首先利用DWM1000模块运用往返到达时间RTTOA进行两两基站间的通信，用以测定基站间信号的飞行时间，并传输至服务器，来确定基站间的距离；所述的服务器包括计算机和无线路由器。
步骤102：利用服务器建立定位坐标系；
具体的，由测得的基站间的距离来确定八个基站的精准坐标，在服务器的定位服务系统上构建标签定位所需的坐标系；
步骤103：测定标签到基站间的信号平均飞行时间；
具体的，由标签向周围的正整数N个基站同时广播信号，当标签开始进行广播信号时则开始计时操作；N个基站接收到标签的广播信号，此时N个基站分别进行计时操作，经过基站的处理后，改为由基站进行广播信号，在基站开始进行广播信号时结束计时，分别记录N个基站计时时长TN，并将TN上传至服务器；标签接收到N个基站的广播信号，此时标签进行计次计时；标签计时的时长Tn，并将Tn上传至服务器。在服务器上计算出信号从标签到各基站的传输时长为tn=（Tn-TN）/2，则标签到基站的距离为信号的传输时长tn和信号的传播速度VC的乘积。即D=tn*VC，其中，TN是基站处理信号的时长，Tn为第N个基站广播信号到达标签的时长；再利用平均飞行时间选择临近基站，以便于定位系统确认标签的大体位置。
步骤104：十轴运动姿态传感器模块测算相关数据；
具体的，利用十轴运动姿态传感器模块通过动力学解算和卡尔曼滤波实时解算出标签的三轴运动加速度、三轴角度、三轴磁场角度，并传输至服务器，再在服务器上进行标签的运动方向、速度、加速度参数的解算；
具体的，用三轴运动加速度解算出标签的运动速度、步长、加速度参数；用三轴角度和三轴磁场两个参数解算出标签的运动方向；
步骤105：利用服务器解算出标签的定位坐标；
具体的，在服务器上计算出标签与N个临近基站固定距离差，并根据固定距离差利用机器学习进行位置坐标的解算；
步骤106：进行基于机器学习定位的信息融合；
具体的，将基于步骤105得到的机器学习定位的定位数据和步骤104得到的十轴运动姿态传感器模块测算标签的运动方向、速度、加速度参数基于改进的Kalman松组合方式实现两个系统的信息融合，由十轴运动姿态传感器测算的数据对机器学习定位的定位数据通过Kalman松组合方式进行误差修正，从而实现基于机器学习定位的信息融合。
步骤107：构造模拟环境，并将相关的定位数据在模拟环境中予以显示。
具体的，利用虚拟现实技术构建出室内现实环境的三维室内模拟环境，首先利用AutoCAD建立精度较高的室内环境模型以及实验设备和物品的三维模型，再输入到3DS MAX中逐步调整各模型的属性，使之更加真实的显示。最后将模型数据转化成定位系统使用的模拟环境格式，并在定位系统内将模拟环境与步骤102建立的定位坐标系进行融合处理，并将定位数据在模拟环境中予以显示运动方向、速度、及速度、坐标、高度参数在模拟环境中予以显示。
步骤108：输出定位模型。

Claims (3)

1.一种室内高精度三维无线定位方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
（1）首先运用往返到达时间RTTOA进行两两基站间的通信来测定基站间信号的飞行时间并传输至服务器，来确定基站间的距离，以便于确定N个基站的精准坐标，以其中一个基站为坐标原点，在服务器的定位服务系统上构建标签定位所需的坐标系；
（2）再运用往返到达时间RTTOA进行双向飞行时间的测量，将标签和基站的时间信号传输至服务器，并计算出标签到基站的平均飞行时间；
（3）在服务器上计算出信号从标签到各基站的传输时长为tn=（Tn-TN）/2，则标签到基站的距离为信号的传输时长tn和信号的传播速度VC的乘积；即D=tn*VC，其中，TN是基站处理信号的时长，Tn为第N个基站广播信号到达标签的时长；
（4）利用十轴运动姿态传感器解算出标签的三轴运动加速度、三轴角度、三轴磁场角度这三个参数，并传输至服务器，再在服务器上进行标签的运动方向、速度、加速度参数的解算；
（5）在服务器上判断并剔除非临近基站的定位信息，将临近基站的定位信息与十轴运动姿态传感器测算的定位信息进行基于机器学习定位的信息融合，获取标签的定位数据；
（6）将步骤1中构建标的坐标系结合3D模拟环境，再将标签的定位数据、速度、运动方向在模拟环境中予以显示，以此来完成定位以及定位在3D模拟环境中精准显示定位数据；
其中，所述步骤2中双向飞行时间测量的具体步骤如下：
a、由标签向周围的N个基站同时广播信号，当标签开始进行广播信号时则开始计时操作；
b、N个基站接收到标签的广播信号，此时N个基站分别进行计时操作，经过基站的处理后，改为由基站进行广播信号，在基站开始进行广播信号时结束计时，分别记录N个基站计时时长TN，并将TN上传至服务器；即基站从接收到标签的广播信号到基站开始进行广播信号时的处理时间；
c、标签接收到N个基站的广播信号，此时标签进行计次计时，即分别记录
第N个基站广播的信号到达标签时，标签计时的时长Tn，并将Tn上传至服务器。
2.根据权利要求1所述的一种室内高精度三维无线定位方法，其特征在于：所述步骤1中构建标签定位所需的坐标系的具体步骤如下：
a、首先运用往返到达时间RTTOA进行两两基站间的通信，双向测量基站间信号的飞行时间，上传至服务器；
b、在服务器上以其中一个基站为坐标原点，根据双向测量基站间信号的飞行时间，解算出基站间的距离，再根据三轴直角坐标系的特点，确定基站的精准坐标，然后以各基站的精准坐标为基础，建立三维直角坐标系。
3.根据权利要求1所述的一种室内高精度三维无线定位方法，其特征在于：
所述步骤4中标签的运动方向、速度、加速度参数的解算具体步骤如下：
a、十轴运动姿态传感器测得三轴运动加速度、三轴角度、三轴磁场角度参数；
b、用三轴运动加速度解算出标签的运动速度、步长、加速度参数；
c、用三轴角度和三轴磁场两个参数解算出标签的运动方向。
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