CN110234063B - 基于uwb的室内定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于UWB的室内定位方法，部署在监测区域的标签和锚节点组网通信，标签和配对的各个锚节点逐一测距，各个锚节点计算各自的飞行时间，并将测距数据经有线通信模块传输至服务器，服务器进行协作感知及采集，并根据各个锚节点发送的飞行时间，计算标签的位置。利用服务器来统一规划用于同一标签的锚节点编号及工作流程；时钟同步借助服务器通过网口周期性向各锚节点发送时钟同步消息实现，从而解决数据不同步的问题；在一个定位周期内利用服务器统计接收到的同一标签节点硬件地址的锚节点序号，并指定锚节点的顺序，避免多节点间的数据碰撞；提升各节点的智能化、网络化，提升定位时效，使得定位更加精确。

Description

基于UWB的室内定位方法
技术领域
本发明属于物联网应用技术领域，尤其涉及一种基于UWB的室内定位方法。
背景技术
随着大数据时代的到来，基于位置感知的物联网应用正在发挥越来越大的作用。
GPS定位技术具有局限性，比如当被定位物体位于室内时就难以接收到卫星的信号，而且GPS的定位精度在米量级，对于某些需要精确定位的情况，GPS的精度就远远不够。为解决上述技术问题，本领域技术人员提出基于UWB的室内定位方法，具有定位精度高、抗干扰能力强、功耗低等优点。2004年，IEEE发布802.15.4a信道模型，为超宽带测距定位算法的性能提供了基础，基于UWB的室内定位，获得了更快的发展速度和广阔的使用场景。
但是，随着室内定位系统复杂程度的提高，定位过程中经常会出现各节点时钟同步精度不够，而且会出现多节点之间的数据碰撞，使得定位过程出现数据丢失，而且使得定位时效性差，导致目前的基于UWB的室内定位方法不够精确。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于UWB的室内定位方法。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明采用如下技术方案：
在一些可选的实施例中，提供一种基于UWB的室内定位方法，包括：部署在监测区域的标签和锚节点组网通信，各个锚节点计算飞行时间并发送至服务器；所述服务器根据各个锚节点发送的飞行时间，计算所述标签的位置。
在一些可选的实施例中，该方法之前还包括：所述标签、锚节点及服务器初始化各项硬件参数；锚节点向所述服务器发送初始化成功消息并打开双缓冲区，等待接收来自所述标签的blink消息；所述标签周期性广播发送blink消息，blink消息中包含标签的硬件地址；所述服务器确认各个锚节点均初始化成功后，通过网口周期性向各锚节点点发送时钟同步消息，各个锚节点通过时钟同步消息进行时钟校准。
在一些可选的实施例中，所述的基于UWB的室内定位方法，还包括：锚节点接收到blink消息后，将收到的blink消息中包含的标签的硬件地址发送给所述服务器；所述服务器统计接收到的同一标签的硬件地址的锚节点序号，依据各个锚节点接收到blink消息的时间为各个锚节点指定顺序；所述服务器参照目前空闲的时间序列，将最靠前的时间片设置给发送所述blink消息的标签，并发送控制指令至接收到所述blink消息的各个锚节点，安排收到所述blink消息的锚节点与发送所述blink消息的标签通信。
在一些可选的实施例中，所述的基于UWB的室内定位方法，还包括：锚节点向所述标签回复RANGE_INIT消息，RANGE_INIT消息用于告知所述标签分配好的时间片；所述标签在所述服务器设置好的时刻唤醒，发送POLL消息并标注发送时间戳至锚节点；所述服务器指定顺序后的各个锚节点在接收到所述标签发送的POLL消息后回复RESPONSE消息；所述标签收到各个锚节点的RESPONSE消息后发送FINAL消息，若收到RESPONSE消息个数小于4，则重新发送blink消息；各个锚节点收到FINAL消息后计算各自的飞行时间，并发送给所述服务器。
在一些可选的实施例中，所述的基于UWB的室内定位方法，还包括：所述服务器根据各个锚节点发送的飞行时间，计算所述标签的位置的过程为：所述服务器将接收到的飞行时间与光速相乘，即可得到各个锚节点与所述标签的测距信息；服务器根据所述测距信息计算所述标签的位置；当所述服务器接收到三个及三个以上的测距信息时，利用TDOA基站定位算法计算所述标签的位置坐标；当所述服务器接收到三个以下的测距信息时，基于测距信息，利用惯导信息进行辅助定位，惯导信息由所述标签内嵌置的惯性导航模块获得。
本发明所带来的有益效果：本发明利用服务器来统一规划用于同一标签的锚节点编号及工作流程；时钟同步借助服务器通过网口周期性向各锚节点发送时钟同步消息实现，从而解决数据不同步的问题；在一个定位周期内利用服务器统计接收到的同一标签节点硬件地址的锚节点序号，并指定锚节点的顺序，避免多节点间的数据碰撞；提升各节点的智能化、网络化，提升定位时效，使得定位更加精确。
为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。
附图说明
图1是本发明一种基于UWB的室内定位方法的流程示意图；
图2是本发明标签的工作流程图；
图3是本发明锚节点的工作流程图；
图4是本发明服务器的工作流程图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。
如图1所示，在一些说明性的实施例中，提供一种基于UWB的室内定位方法，部署在监测区域的标签和锚节点组网通信，标签和配对的各个锚节点逐一测距，各个锚节点计算各自的飞行时间，并将测距数据经有线通信模块传输至服务器，服务器进行协作感知及采集，并根据各个锚节点发送的飞行时间，计算标签的位置。
本发明室内定位方法，包括：
第一部分，上电后的初始化过程：
101：标签、锚节点及服务器上电，初始化各项硬件参数。
以下过程以TAG1标签进行说明，TAG1只是标签的代号，TAG1标签可以为监测区域内的任意标签，标签可被佩带在待定位的目标上。
102：锚节点向服务器发送初始化成功消息并打开双缓冲区，等待接收来自标签的blink消息。
103：标签周期性广播发送blink消息，blink消息中包含标签的硬件地址。
104：服务器确认各个锚节点均初始化成功后，通过网口周期性向各锚节点点发送时钟同步消息，各个锚节点通过时钟同步消息进行时钟校准。
第二部分，配对组网过程：
105：锚节点接收到所述blink消息后，将收到的blink消息中包含的标签的硬件地址发送给服务器。
106：服务器统计接收到的同一标签的硬件地址的锚节点序号，依据各个锚节点接收到blink消息的时间为各个锚节点指定顺序。
比如，最先汇报同一blink消息消息的锚节点设为第一锚节点，即可设为A0，之后的锚节点依次可设为A1、A2、A3……
107：服务器参照目前空闲的时间序列，将最靠前的时间片设置给发送blink消息的标签，并发送控制指令至接收到blink消息的各个锚节点，安排收到blink消息的锚节点与发送blink消息的标签通信。
第三部分，握手测距过程：
108：锚节点向标签回复RANGE_INIT消息，RANGE_INIT消息用于告知标签分配好的时间片，比如，A0收到服务器控制指令后，A0向TAG1回复RANGE_INIT消息消息，告知TAG1分配好的时间片。
通过设置标签的下一唤醒时刻来分配时间片，完全避免各个节点之间的碰撞问题。
109：标签在服务器设置好的时刻唤醒，发送POLL消息并标注发送时间戳至锚节点，告知自身已唤醒。即标签按照服务器预设好的时间，周期唤醒，周期发送POLL消息至各个锚节点。
各个锚节点接收服务器信息即可开始下一周期测距。
110：服务器指定顺序后的各个锚节点在接收到标签发送的POLL消息后回复RESPONSE消息，指定顺序后的各个锚节点间隔不同时间段依次回复，告知标签已收到POLL消息。
111：标签收到各个锚节点的RESPONSE消息后发送FINAL消息，告知锚节点开始依据时间戳计算飞行时间，若收到RESPONSE消息个数小于4，说明脱离某个锚节点的通信范围，则重新发送blink消息。
112：各个锚节点收到FINAL消息后，计算各自的飞行时间并发送给服务器。
113：服务器根据各个锚节点发送的飞行时间以获得测距信息，依据所述测距信息计算所述标签的位置。
飞行时间与光速相乘，即可得到标签与锚节点的距离，即得到测距信息。
步骤113包括四个情况：
情况1：当服务器收到4个以上锚节点发送的测距信息，根据TDOA算法列出式1至式4：
Figure GDA0002159930080000061
Figure GDA0002159930080000062
Figure GDA0002159930080000063
其中xi yi zi表示i(i∈1-5)锚节点坐标，x0y0z0表示待测标签的三维坐标，Ri1表示i(i∈2-5)锚节点第一锚节点基站之间的距离。这是4个锚节点的情况，5、6个锚节点可以利用的冗余信息，更加精确。
利用chan求解线性方程式得下式：
AX＝-Bd1+C (4)
其中，
Figure GDA0002159930080000071
ki表示锚节点到原点的距离。
用最小二乘法求解式5，可得待测标签的三维坐标：
Figure GDA0002159930080000072
其中，
Figure GDA0002159930080000073
Ri为标签到i锚节点的距离；ki表示锚节点到原点的距离；为i锚节点与第一锚节点之间坐标差。
情况2：当服务器收到3个锚节点的测距信息，得到下列各式：
Figure GDA0002159930080000074
Figure GDA0002159930080000075
Figure GDA0002159930080000081
其中Ri(i＝1-3)表示标签到3个锚节点的距离；
得到待测标签的三维坐标：
Figure GDA0002159930080000082
或者
Figure GDA0002159930080000083
其中，
E＝B1^2+C1^2+1；F＝B1*(B0-x1)+C1*(C0-y1)-z1；
G＝(B0-x1)^2+(C0-y1)^2+z1^2-r1^2；
B0＝(A21*Y31-A31*Y21)/D；B1＝(Y21*Z31-Y31*Z21)/D；
C0＝(A31*X21-A21*X31)/D；C1＝(X31*Z21-X21*Z31)/D；
Ai＝ri^2-xi^2-yi^2-zi^2
其中，
Figure GDA0002159930080000084
Ai1＝-(Ai-A1)/2；[i＝2,3]；D＝X21*Y31-Y21*X31。
情况3：当服务器收到2个测距信息，利用测距信息和惯导辅助信息进行定位，得到
Figure GDA0002159930080000085
Figure GDA0002159930080000086
式9-式10式可得：
Figure GDA0002159930080000087
改写式11可得：
ax0+by0+cz0＝d(9) 12
其中，-2(x1-x2)设为a；-2(y1-y2)设为b；-2(z1-z2)设为c；
Figure GDA0002159930080000091
设为d；惯导点坐标设为(r s t)，
可得方程：
Figure GDA0002159930080000092
求得解为：
Figure GDA0002159930080000093
将式14代入式13可得待测标签的位置坐标。
情况4：当服务器收到1个基站测距信息，利用测距信息和惯导辅助信息进行定位。
已知锚节点球心和惯导点坐标分别为()、()，(rst)通过这两点的空间直线可记为:
Figure GDA0002159930080000094
已知球体圆心坐标(x1,y1,z1)及半径r，球体方程可以记为：
(x0-x1)2+(y0-y1)2+(z0-z1)2＝r2(9) 16
目标点位于式15及式16交点上，需要分类讨论：
当4.1 x2≠x1时，
Figure GDA0002159930080000101
当3.2 r＝x1并且s≠y1，此时空间直线在x0＝x1的平面上，问题转化为求解x0＝x1上平面直线和一个圆的交点问题：
Figure GDA0002159930080000102
当3.3 r＝x1&&s＝y1&&t≠z1，此时空间直线为平行于z轴的直线，且坐标x0,y0已知，即：
(z0-z1)2＝r1 2-(x1-x0)2-(y1-y0)2；
需要利用惯导的加速度计在三个方向的增量信息，求出位移，进行辅助定位。
情况5：当服务器收到0个测距信息，主要利用惯导辅助信息进行定位。
分析测距信息，即UWB信号丢失或被遮挡时类型，将基于惯导的加速度计在三个方向的增量信息作为UWB丢失信号的补偿，从而改善UWB在室内定位中的精度。UWB在该情况下，主要是给惯性系统提供上一时刻定位系统的定位信息作为这一时刻惯导的初始位置信息，然后利用惯导在三个方向的加速度增量信息来估算这一时刻运动载体的具体位置信息。
如图2所示，标签的工作过程如下：
Sl：上电初始化配置各项参数，标签周期性发送一个包含自身地址的blink消息，并监听来自锚点的回复消息，如果没有接收到回复，标签休眠一段时间并再次发送blink消息；
S2：判断是否接收到经服务器设定的A0发送RANGE_INIT消息，RANGE_INIT消息包含锚点地址和时间片安排信息，并继续收集其他锚点的RANGE_INIT消息。
S4：标签在安排好的时间片初始时刻唤醒，发送POLL消息并标注发送时间戳，等待response消息，如果超时则重新发送poll消息，并周期性发送惯导INS消息到服务器，打开双缓存；
S5：依次接收A0、A1、A2、A3锚节点回复的RESPONSE消息；
S6：检测接收到的RESPONSE消息数目是否为4；
S7：收到A0、A1、A2、A3的RESPONSE消息后发送FINAL消息，若收到RESPONSE消息个数小于4，说明脱离某锚节点通信范围，重新发送blink消息。
如图3所示，锚节点的工作过程如下：
Sl：上电初始化配置各项参数，向服务器发送成功初始化信息；
S2：一方面通过服务器时间戳进行时钟同步，另一方面打开双缓存区监听POLL消息，在接收到消息之后标注接收时问戳，发送接收到包含标签地址的blink消息至服务器。
S3：服务器判断为A0，收到服务器指令后，A0向TAG1回复RANGE_INIT消息，告知TAG1分配好的时间片，通过设置TAG1下一唤醒时刻来分配时间片。
S4：服务器分配好的A0、A1、A2、A3在接收到TAG1发送的POLL消息后回复RESPONSE消息，回复RESPONSE消息的同时，接收其它标签的blink消息发送给服务器，等待服务器分配时间片。
S5：锚节点收到FINAL消息后，计算各自的飞行时间，发送给服务器。
如图4所示，服务器的工作过程如下：
S1：上电开机，初始化，等待接收锚节点回复初始化完毕指令。
S2：确认各锚节点均初始化成功后，通过网口周期性向各锚节点发送时钟同步消息。
S3：统计接收到的同一标签节点硬件地址的锚节点序号，依据各个锚节点接收到blink消息的时间为各个锚节点指定顺序。
最先汇报同一blink消息的锚节点设为A0，参照目前空闲的时间序列，将最靠前的时间片设置给TAG1，并安排收到blink消息其中的锚节点与发送blink消息的标签通信，以完成定位步骤。
S4：服务器根据A0、A1、A2、A3发送的飞行时间，即TOF，计算标签的位置，如果未收到三个及三个以上的锚节点的TOF消息，根据惯性导航模块发送过来的消息进行位置递推，将标签相应信息记录到数据库。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (3)

1.基于UWB的室内定位方法，其特征在于，包括：
标签、锚节点及服务器初始化各项硬件参数；
锚节点向所述服务器发送初始化成功消息并打开双缓冲区，等待接收来自所述标签的blink消息；
所述标签周期性广播发送blink消息，blink消息中包含标签的硬件地址；
所述服务器确认各个锚节点均初始化成功后，通过网口周期性向各锚节点发送时钟同步消息，各个锚节点通过时钟同步消息进行时钟校准；
部署在监测区域的标签和锚节点组网通信，各个锚节点计算飞行时间并发送至服务器；
所述服务器根据各个锚节点发送的飞行时间，计算所述标签的位置；
锚节点接收到blink消息后，将收到的blink消息中包含的标签的硬件地址发送给所述服务器；
所述服务器统计接收到的同一标签的硬件地址的锚节点序号，依据各个锚节点接收到blink消息的时间为各个锚节点指定顺序；
所述服务器参照目前空闲的时间序列，将最靠前的时间片设置给发送所述blink消息的标签，并发送控制指令至接收到所述blink消息的各个锚节点，安排收到所述blink消息的锚节点与发送所述blink消息的标签通信。
2.根据权利要求1所述的基于UWB的室内定位方法，其特征在于，还包括：
锚节点向所述标签回复RANGE_INIT消息，RANGE_INIT消息用于告知所述标签分配好的时间片；
所述标签在所述服务器设置好的时刻唤醒，发送POLL消息并标注发送时间戳至锚节点；
所述服务器指定顺序后的各个锚节点在接收到所述标签发送的POLL消息后回复RESPONSE消息；
所述标签收到各个锚节点的RESPONSE消息后发送FINAL消息，若收到RESPONSE消息个数小于4，则重新发送blink消息；
各个锚节点收到FINAL消息后计算各自的飞行时间，并发送给所述服务器。
3.根据权利要求2所述的基于UWB的室内定位方法，其特征在于，所述服务器根据各个锚节点发送的飞行时间，计算所述标签的位置的过程为：
所述服务器将接收到的飞行时间与光速相乘，即可得到各个锚节点与所述标签的测距信息；
服务器根据所述测距信息计算所述标签的位置；
当所述服务器接收到三个及三个以上的测距信息时，利用TDOA基站定位算法计算所述标签的位置坐标；
当所述服务器接收到三个以下的测距信息时，基于测距信息，利用惯导信息进行辅助定位，惯导信息由所述标签内嵌置的惯性导航模块获得。
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