CN110225461A - 一种基于uwb技术的室内定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于UWB技术的室内定位方法，主要解决现有技术中UWB多定位标签的通信碰撞问题。本发明的定位方法在时域上采用时分复用技术，通过设置参考基站，统一管理和分配定位标签的时隙：采用位图算法标记时隙占用情况，并快速查找空闲时隙；采用红黑树索引，记录定位标签与其使用时隙的对应关系；采用最久未使用淘汰算法回收时隙。本发明在定位基站端对时隙的查找及分配上作了优化，最大限度地缩短了时隙分配时间，可以有效地减少通信碰撞的几率，保证定位精度，而且可以满足不同定位模式的需求。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信及定位系统领域，特别涉及一种基于UWB技术的定位方法。
背景技术
UWB是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。其抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大发送功率非常小。通信设备可以用小于1mW的发射功率就能实现通信。其电磁辐射对人体的影响小，应用面较广。尤其是室内人员定位领域，该技术应用广泛，是最有前景的室内定位技术之一。
然而使用UWB技术需要对标签进行精度较高的定位，如果标签较多导致通信碰撞，不仅会影响数据接收，还会影响定位精度。因此，要做到对大量标签的可靠定位，必须解决UWB多定位标签的通信碰撞问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于UWB技术的室内定位方法，优化定位基站端对时隙的查找及分配，缩短时隙分配时间，减少通信碰撞的几率，解决UWB多定位标签的通信碰撞问题。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于UWB技术的室内定位方法，包括：
根据定位需求，布置相应个数的定位基站，为定位基站设置不同的回令序号；
将其中一个定位基站设置为参考基站，由所述参考基站为每个定位标签分配时隙；
当所述参考基站收到定位标签发送的POLL数据后，查找出未使用的空闲时隙；
将所述空闲时隙分配给所述定位标签，计算收到POLL数据的时间与分配所述空闲时隙的时间的时间差，将所述时间差通过回令发送给定位标签；
所述定位标签在收到定位基站发送的回令后，根据回令序号判断，如果所述回令是由所述参考基站发送的，则根据获得的所述时间差，计算出下次发送POLL数据的时间；等待至下次发送POLL数据的时间，发送POLL数据；
根据定位标签与定位基站之间传输信号的时间差以及定位基站的位置，进行计算，实现对所述定位标签的定位。
进一步地，所述方法还包括：
根据定位需求，布置的定位基站数量大于所需定位维度的维数。
进一步地，所述分配时隙的步骤包括：
将定位周期平均分成若干份，每一份为一个时隙，每个定位标签的定位通信时间占一个时隙；采用位图算法，以一个32位数的数组作为时隙分配位图，用于记录时隙的分配情况，所述32位数的数组的每一位标识一个时隙的分配情况。
进一步地，所述查找出未使用的空闲时隙包括：
找出所述32位数的数组中最低未置位的位序号。
进一步地，所述由参考基站为每个定位标签分配时隙的步骤还包括：
当所述参考基站收到定位标签发送的POLL数据后，查找所述时隙分配位图；如果未找出所述空闲时隙，则采用最久未使用淘汰算法，找出一定时间内最久未使用的时隙，并将所述最久未使用的时隙分配给所述定位标签。
进一步地，所述最久未使用淘汰算法包括：
通过双向链表将所有的定位标签链接起来，以将使用后的定位标签链接到链表头部；
通过每个定位标签都有的一个指向所述定位标签所使用时隙的指针，链表尾部的定位标签的指针指向的时隙确定为最久未使用的时隙。
进一步地，所述方法还包括：
以UWB定位标签的通信地址为关键字，建立红黑树索引，用于管理UWB定位标签与其使用的时隙的对应关系；每当所述参考基站分配时隙时，将分配的时隙添加到红黑树索引。
进一步地，当所述参考基站收到定位标签发送的POLL数据后，首先在红黑树索引中查找是否存在所述定位标签的时隙；
如果所述红黑树索引中存在所述定位标签的时隙，则直接将回令发送给所述定位标签。
进一步地，如果所述红黑树索引中不存在所述定位标签的时隙，则查找所述时隙分配位图中是否存在空闲时隙；
如果所述时隙分配位图中存在空闲时隙，则将所述空闲时隙分配给所述定位标签，将回令发送给所述定位标签，同时将所述空闲时隙添加到所述红黑树索引；
如果所述时隙分配位图中不存在空闲时隙，则通过所述最久未使用淘汰算法找出最久未使用的时隙，在所述红黑树索引中删除所述最久未使用的时隙，并将所述最久未使用时隙分配给所述定位标签，将分配后的时隙添加到所述红黑树索引。
进一步地，所述定位标签在收到定位基站发送的回令后，根据回令序号判断，如果所述回令不是由所述参考基站发送的，则在所述定位周期内随机选取一个时间点发送POLL数据，直到所述定位标签收到所述参考基站的回令。
本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种基于UWB技术的室内定位方法，在时域上采用时分复用技术，通过设置参考基站，统一管理和分配定位标签的时隙：采用位图算法标记时隙占用情况，能快速地查找出空闲时隙；采用红黑树索引，记录定位标签与其使用时隙的对应关系，可以有效地管理时隙并进行分配；采用最久未使用淘汰算法，能确定一段时间内最久未使用的时隙，以回收时隙并重新分配。本发明在定位基站端对时隙的查找及分配上作了优化，最大限度地缩短了时隙分配时间，可以有效地减少通信碰撞的几率，保证定位精度，而且根据布置的定位基站数量，可以满足不同定位模式的需求。
附图说明
图1为本发明公开的定位基站端查找及分配时隙的流程图
图2为本发明采用的时隙分配位图的示意图
图3为本发明采用的最久未使用淘汰算法的示意图
图4为本发明采用的定位基站的结构示意图
图5为本发明采用的定位标签的结构示意图
具体实施方式
此处参考附图描述本申请的各种方案以及特征。
应理解的是，可以对此处申请的实施例做出各种修改。因此，上述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本申请的范围和精神内的其他修改。
包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本申请的实施例，并且与上面给出的对本申请的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本申请的原理。
通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本申请的这些和其它特性将会变得显而易见。
还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本申请进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本申请的很多其它等效形式，它们具有如权利要求所述的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。
当结合附图时，鉴于以下详细说明，本申请的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。
此后参照附图描述本申请的具体实施例；然而，应当理解，所申请的实施例仅仅是本申请的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免不必要或多余的细节使得本申请模糊不清。因此，本文所申请的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本申请。
图1为本发明公开的定位基站端查找及分配时隙的流程图。如图1所示，本发明主要优化了定位基站端的算法，在时域上采用时分复用技术，为每个UWB定位标签动态分配一个时隙，每个UWB定位标签只能在给定的时隙内与定位基站进行通信。下面结合图1详述本发明的技术方案：
本发明公开了一种基于UWB技术的室内定位方法，包括：
根据定位需求，布置相应个数的定位基站，为定位基站设置不同的回令序号；
将其中一个定位基站设置为参考基站，由所述参考基站为每个定位标签分配时隙；
当所述参考基站收到定位标签发送的POLL数据后，查找出未使用的空闲时隙；
将所述空闲时隙分配给所述定位标签，计算收到POLL数据的时间与分配所述空闲时隙的时间的时间差，将所述时间差通过回令发送给定位标签；
所述定位标签在收到定位基站发送的回令后，根据回令序号判断，如果所述回令是由所述参考基站发送的，则根据获得的所述时间差，计算出下次发送POLL数据的时间；等待至下次发送POLL数据的时间，发送POLL数据；
根据定位标签与定位基站之间传输信号的时间差以及定位基站的位置，进行计算，实现对所述定位标签的定位。
进一步地，所述方法还包括：
根据定位需求，布置的定位基站数量大于所需定位维度的维数。
例如：
如果需要0维定位，则在定位区域布置一个定位基站，同时设置该基站的回令个数设置为1，将该基站作为参考基站来对定位标签的时隙来进行管理；
如果需要1维定位，则在定位区域布置两个定位基站，取其中一个基站作为参考基站，将其回令个数设为2，回令序号设为0，另外一个基站回令个数设为2，回令序号设为1，由所述参考基站来对定位标签的时隙进行管理和分配；
以此类推，布置的定位基站数量大于所需定位维度的维数，且为定位基站设置不同的回令序号。
结合图2，进一步地，所述分配时隙的步骤包括：
将定位周期平均分成若干份，每一份为一个时隙，每个定位标签的定位通信时间占一个时隙；采用位图算法，以一个32位数的数组作为时隙分配位图，用于记录时隙的分配情况，所述32位数的数组的每一位标识一个时隙的分配情况。
例如：定位周期为5s，将定位周期平均分成200份，每一份占25ms，每25ms就为一个时隙。为了记录时隙的分配情况，采用位图算法，以一个32位数的数组作为时隙分配位图，所述32位数的数组的每一位标识一个时隙的分配情况：置1表示时隙已分配，置0表示时隙未分配。
进一步地，所述查找出未使用的空闲时隙包括：
找出所述32位数的数组中最低未置位的位序号。
优选地，找出所述32位数的数组中最低未置位的位序号的方法为：
将所述数组的32位数按位取反，随后将取反得到的32位数采用RBIT指令反转，最后采用CLZ指令查找反转得到的32位数中最高位为0的位的个数，进而查找出所述时隙分配位图中未使用的空闲时隙。
优选地，所述RBIT指令和CLZ指令是通过cortex-m系列单片机实现的。
如果标签并发数量<＝200时，空闲时隙的最大查找时间近似等于200/32*T＝6.25T，其中T近似为3个指令周期，大约为18.75指令周期。
进一步地，所述由参考基站为每个定位标签分配时隙的步骤还包括：
当所述参考基站收到定位标签发送的POLL数据后，查找所述时隙分配位图；如果未找出所述空闲时隙，则采用最久未使用淘汰算法，找出一定时间内最久未使用的时隙，并将所述最久未使用的时隙分配给所述定位标签。
结合图3，进一步地，所述最久未使用淘汰算法包括：
通过双向链表将所有的定位标签链接起来，以将使用后的定位标签链接到链表头部；
通过每个定位标签都有的一个指向所述定位标签所使用时隙的指针，链表尾部的定位标签的指针指向的时隙确定为最久未使用的时隙。
进一步地，所述方法还包括：
以UWB定位标签的通信地址为关键字，建立红黑树索引，用于管理UWB定位标签与其使用的时隙的对应关系；每当所述参考基站分配时隙时，将分配的时隙添加到红黑树索引。
进一步地，当所述参考基站收到定位标签发送的POLL数据后，首先在红黑树索引中查找是否存在所述定位标签的时隙；
如果所述红黑树索引中存在所述定位标签的时隙，则直接将回令发送给所述定位标签。
进一步地，如果所述红黑树索引中不存在所述定位标签的时隙，则查找所述时隙分配位图中是否存在空闲时隙；
如果所述时隙分配位图中存在空闲时隙，则将所述空闲时隙分配给所述定位标签，将回令发送给所述定位标签，同时将所述空闲时隙添加到所述红黑树索引；
如果所述时隙分配位图中不存在空闲时隙，则通过所述最久未使用淘汰算法找出最久未使用的时隙，在所述红黑树索引中删除所述最久未使用的时隙，并将所述最久未使用时隙分配给所述定位标签，将分配后的时隙添加到所述红黑树索引。
所述红黑树索引查找、删除、添加时隙的时间复杂度均为O(logN)，当定位标签并发数量为200时，最多需要Tlog200的时间。
进一步地，所述定位标签在收到定位基站发送的回令后，根据回令序号判断，如果所述回令不是由所述参考基站发送的，则在所述定位周期内随机选取一个时间点发送POLL数据，直到所述定位标签收到所述参考基站的回令。
定位标签端具体的操作流程如下：定位标签上电后，首先将定位周期和等待回令时间初始化为初始值，时隙获取标志设为0；随后在定位周期内随机等待一段时间，向包括参考基站在内的所有定位基站广播发送POLL数据；
如果在等待回令时间超时前收到定位基站的回令，且根据回令序号判断，收到的是参考基站的回令，则根据获得的所述时间差，计算出下次发送POLL数据的时间，时隙获取标志更新为1；等待至下次发送POLL数据的时间，发送POLL数据；
如果等待回令时间超时前收到的定位基站的回令，不是参考基站的回令，则获取时隙标志为0，在所述定位周期内随机选取一个时间点发送POLL数据，直到所述定位标签收到所述参考基站的回令。
另外，在时隙获取状态为1时，若干次未收到参考基站回令，则定位标签时隙获取标志更新为0。
为了实现本发明所述的方法，下面将结合附图介绍本发明所使用的装置。
本发明所使用的定位基站，如图4所示，包括：
用于供电的电源模块；
用于基站间通信的CAN总线；
用于同定位引擎通信的以太网接口；
用于定位功能的UWB模块；
以及用于管理定位基站各模块的主控芯片。
优选地，所述CAN总线，采用CTM8251KAT芯片。
优选地，所述以太网接口，采用LAN8720A芯片。
优选地，所述UWB模块，采用DW1000芯片。
优选地，所述主控芯片，采用STM32F407芯片。
本发明所使用的定位标签，如图5所示，包括：
用于供电的锂电池；
用于通过振动进行报警提示的振动马达；
用于通过发声进行报警提示的蜂鸣器；
用于定位功能的UWB模块；
用于显示功能的LED灯；
以及用于管理定位标签的主控芯片。
优选地，所述主控芯片，采用STM32L151芯片。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于UWB技术的室内定位方法，其特征在于，包括：
根据定位需求，布置相应个数的定位基站，为定位基站设置不同的回令序号；
将其中一个定位基站设置为参考基站，由所述参考基站为每个定位标签分配时隙；
当所述参考基站收到定位标签发送的POLL数据后，查找出未使用的空闲时隙；
将所述空闲时隙分配给所述定位标签，计算收到POLL数据的时间与分配所述空闲时隙的时间的时间差，将所述时间差通过回令发送给定位标签；
所述定位标签在收到定位基站发送的回令后，根据回令序号判断，如果所述回令是由所述参考基站发送的，则根据获得的所述时间差，计算出下次发送POLL数据的时间；等待至下次发送POLL数据的时间，发送POLL数据；
根据定位标签与定位基站之间传输信号的时间差以及定位基站的位置，进行计算，实现对所述定位标签的定位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据定位需求，布置的定位基站数量大于所需定位维度的维数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分配时隙的步骤包括：
将定位周期平均分成若干份，每一份为一个时隙，每个定位标签的定位通信时间占一个时隙；采用位图算法，以一个32位数的数组作为时隙分配位图，用于记录时隙的分配情况，所述32位数的数组的每一位标识一个时隙的分配情况。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述查找出未使用的空闲时隙包括：
找出所述32位数的数组中最低未置位的位序号。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述由参考基站为每个定位标签分配时隙的步骤还包括：
当所述参考基站收到定位标签发送的POLL数据后，查找所述时隙分配位图；如果未找出所述空闲时隙，则采用最久未使用淘汰算法，找出一定时间内最久未使用的时隙，并将所述最久未使用的时隙分配给所述定位标签。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述最久未使用淘汰算法包括：
通过双向链表将所有的定位标签链接起来，以将使用后的定位标签链接到链表头部；
通过每个定位标签都有的一个指向所述定位标签所使用时隙的指针，链表尾部的定位标签的指针指向的时隙确定为最久未使用的时隙。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
以UWB定位标签的通信地址为关键字，建立红黑树索引，用于管理UWB定位标签与其使用的时隙的对应关系；每当所述参考基站分配时隙时，将分配的时隙添加到红黑树索引。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述参考基站收到定位标签发送的POLL数据后，首先在红黑树索引中查找是否存在所述定位标签的时隙；
如果所述红黑树索引中存在所述定位标签的时隙，则直接将回令发送给所述定位标签。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
如果所述红黑树索引中不存在所述定位标签的时隙，则查找所述时隙分配位图中是否存在空闲时隙；
如果所述时隙分配位图中存在空闲时隙，则将所述空闲时隙分配给所述定位标签，将回令发送给所述定位标签，同时将所述空闲时隙添加到所述红黑树索引；
如果所述时隙分配位图中不存在空闲时隙，则通过所述最久未使用淘汰算法找出最久未使用的时隙，在所述红黑树索引中删除所述最久未使用的时隙，并将所述最久未使用时隙分配给所述定位标签，将分配后的时隙添加到所述红黑树索引。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定位标签在收到定位基站发送的回令后，根据回令序号判断，如果所述回令不是由所述参考基站发送的，则在所述定位周期内随机选取一个时间点发送POLL数据，直到所述定位标签收到所述参考基站的回令。
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