CN110290463A - 基于最优化理论的uwb基站坐标自动标定方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于最优化理论的UWB基站坐标自动标定方法和系统，其中方法包括以下步骤：布置最小UWB系统，将基站A0、A1、A2以及标签T0放置相应位置；将A0点设为坐标原点，以A0点到A1点的方向作为X轴建立直角坐标系；读取最小UWB系统各个点的初始坐标，同时，计算最小UWB系统中任意两点的距离；将所有距离的值代入最优化方程中求得总残差值，同时更新各点坐标值；根据更新后坐标循环计算上述过程产生新的总残差值；当总残差值小于期望值，则当前的指标为最优化指标，根据最优化指标得到最小UWB系统中基站A1、A2的标定坐标值。本发明通过将基站自动测量的距离作为最优化问题的输入，经过最优化方程，将误差最小的基站坐标值计算出来，实现自动标定。

Description

基于最优化理论的UWB基站坐标自动标定方法和系统

技术领域

本发明涉及信息通信技术领域，特别涉及一种基于最优化理论的UWB基站坐标自动标定方法和系统。

背景技术

最优化方法主要运用数学方法研究各种系统的优化途径及方案，为决策者提供科学决策的依据。最优化方法的主要研究对象是各种有组织系统的管理问题及其生产经营活动。最优化方法的目的在于针对所研究的系统，求得一个合理运用资源最佳方案，发挥和提高系统的效能及效益，最终达到系统的最优目标。

超宽带定位(UWB)技术是射频应用技术领域的一项重大突破，利用该技术构建了革命性的实时定位系统，它能够在传统环境中达到较高的定位精度，并具有很好的稳定性，创造了RTLS(Real Time Location Systems)领域的新高度

但是在实际使用的过程中，由于uwb标签的定位(X,Y)依赖于uwb标签和基站之间的测定距离和基站的坐标值，而基站坐标的标定都是依赖人工标定，人工标定不仅繁琐，而且容易标定不准确，如果不准确的话，会出现uwb标签定位测量空间扭曲的现象。

发明内容

本发明提供一种基于最优化理论的UWB基站坐标自动标定方法和系统，解决现有上述的问题。

为解决上述问题，本发明实施例提供一种基于最优化理论的UWB基站坐标自动标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

布置最小UWB系统，将基站A0、A1、A2以及标签T0放置相应位置；

将A0点设为坐标原点，以A0点到A1点的方向作为X轴建立直角坐标系；

读取最小UWB系统各个点的初始坐标，同时，计算最小UWB系统中任意两点的距离；

将所有距离的值代入最优化方程中求得总残差值，同时更新各点坐标值；

根据更新后的各点坐标循环计算上述过程产生新的总残差值；

当总残差值小于期望值，则当前的指标为最优化指标，根据最优化指标得到最小UWB系统中基站A1、A2的标定坐标值。

作为一种实施方式，还包括以下步骤：

在计算系统中任意两点的距离后，对所有的距离值进行取平均处理。

进一步地，所述最优化方程的循环迭代主要包括以下步骤：

根据任意两点的距离值计算所有距离的偏导数；

根据距离的偏导值计算总残差偏导数；

根据总残差偏导数计算下一次迭代的各点坐标；

根据下一次迭代的各点坐标计算总残差值。

进一步地，所述期望值为0.001mm。

本发明还提供一种基于最优化理论的UWB基站坐标自动标定系统，包括：

初始模块，用于布置最小UWB系统，将基站A0、A1、A2以及标签T0放置相应位置；

坐标模块，用于将A0点设为坐标原点，以A0点到A1点的方向作为X轴建立直角坐标系；

边长模块，用于读取最小UWB系统各个点的初始坐标，同时，计算最小UWB系统中任意两点的距离；

最优化模块，用于将所有距离的值代入最优化方程中求得总残差值，同时更新各点坐标值；

循环迭代模块，用于根据更新后的各点坐标循环计算上述过程产生新的总残差值；

标定模块，当总残差值的小于期望值，则当前的指标为最优化指标，根据最优化指标得到最小UWB系统中基站A1、A2的标定坐标值。

进一步地，所述最优化模块包括：

偏导数单元，用于根据任意两点的距离值计算所有距离的偏导数；

总残差偏导数单元，用于根据距离的偏导值计算总残差偏导数；

坐标更新单元，用于根据总残差偏导数计算下一次迭代的各点坐标；

总残差值单元，用于根据下一次迭代的各点坐标计算总残差值

本发明相比于现有技术的有益效果在于：通过数学转换将UWB系统坐标的标定问题转换为最优化计算问题，然后将UWB基站和标签自动测量的距离作为最优化问题的输入，经过迭代计算，将误差最小的基站坐标值计算出来，实现自动标定。

附图说明

图1为本发明的基于最优化理论的UWB基站坐标自动标定方法的流程图；、

图2为本发明的最小UWB系统布置的示意图；

图3为本发明的最优化方程的循环迭代的流程图；

图4为本发明的基于最优化理论的UWB基站坐标自动标定系统的模块连接图；

图5为本发明的最优化模块的单元连接图。

附图标注：1、初始模块；2、坐标模块；3、边长模块；4、最优化模块；；41、偏导数单元；42、总残差偏导数单元；43、坐标更新单元；44、总残差值单元；5、循环迭代模块；6、标定模块。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。

如图1所示，一种基于最优化理论的UWB基站坐标自动标定方法，包括以下步骤：

S100：布置最小UWB系统，将基站A0、A1、A2以及标签T0放置相应位置，布置位置见图2；

S200：将A0点设为坐标原点，以A0点到A1点的方向作为X轴建立直角坐标系；

S300：读取最小UWB系统各个点的初始坐标，同时，计算最小UWB系统中任意两点的距离；

S400：将所有距离的值代入最优化方程中求得总残差值，同时更新各点坐标值；

S500：根据更新后的各点坐标循环计算上述过程产生新的总残差值；

S600：当总残差值小于期望值，则当前的指标为最优化指标，根据最优化指标得到最小UWB系统中基站A1、A2的标定坐标值。

通过步骤S200后，最小UWB系统中各点的坐标分别为A0(0,0)，A1(x1,y1)，A2(x2,y2)，T0(xt,yt)，其中，由于A1点设于直角坐标系的X轴上，因此，其坐标也可表示为A1(x1,0)。

在步骤S300中，计算最小UWB系统中任意两点的距离，即A0点到A1点的距离a1，A0点到A2点的距离a2，A1点到A2点的距离a3，TO点到A0点的距离t1，T0点到A1点的距离t2，T0点到A2的距离t3。对应的距离计算公式如下：

F1＝xt²+yt²-t1² (1)

F2＝(xt-x1)²+yt²-t2² (2)

F3＝(xt-x2)²+(yt-y2)²-t3² (3)

F4＝x1²+y1²-a1² (4)

F5＝x2²+y2²-a2² (5)

F6＝(x2-x1)²+y2²-a3² (6)

上述公式代表的物理含义为：公式1是T0点到A0点的距离；公式2是T0点到A1点的距离；公式3是T0点到A2点的距离；公式4是A1点到A0点距离；公式5是A2点到A0点距离；公式6是A2点到A1点距离；

在本实施例中，在计算上述距离之前，为了让后面的数据更加精确，先对a1、a2、a3、t1、t2、xt、yt取100次平均值。

如图3所示，在计算得到各点的距离函数之后，将距离函数代入最优化方程中进行循环迭代，最优化方程的循环迭代主要包括以下步骤：

S401：根据任意两点的距离值计算所有距离的偏导数；

S402：根据距离的偏导值计算总残差偏导数；

S403：根据总残差偏导数计算下一次迭代的各点坐标；

S404：根据下一次迭代的各点坐标计算总残差值。。

其中，步骤S401的计算公式如下：

上述公式代表的物理含义为：公式7是F1函数对xt的偏导数；公式8是F1函数对yt的偏导数；公式9是F2函数对xt的偏导数；公式10是F2函数对yt的偏导数；公式11是F2函数对x1的偏导数；公式12是F3函数对xt的偏导数；公式13是F3函数对yt的偏导数；公式14是F3函数对x2的偏导数；公式15是F3函数对y2的偏导数；公式16是F4函数对x1的偏导数；公式17是F4函数对y1的偏导数；公式18是F5函数对x2的偏导数；公式19是F5函数对y2的偏导数；公式20是F6函数对x2的偏导数；公式21是F6函数对y2的偏导数；公式22是F6函数对x1的偏导数。

步骤S402的计算公式如下：

上述公式代表的物理含义为：公式23是F函数对xt的偏导数；公式24是F函数对yt的偏导数；公式25是F函数对x1的偏导数；公式26是F函数对y1的偏导数；公式27是F函数对x2的偏导数；公式28是F函数对y2的偏导数。

步骤S403的计算公式如下：

上述公式代表的物理含义为：公式29是xt当前时刻的更新值；公式30是yt当前时刻的更新值；公式31是x1当前时刻的更新值；公式32是x2当前时刻的更新值；公式33是y2当前时刻的更新值；xt_last表示为迭代后标签的x坐标，yt_last表示为迭代后标签点的y坐标，x1_last表示为迭代后基站A1点的x坐标，x2_last表示为迭代后基站A2点的x坐标，y2_last表示为迭代后基站A2点的y坐标。

当前总残差值的计算公式如下：F＝F1+F2+F3+F4+F5+F6 (34)

最优化理论的简单过程如下：根据初始坐标值求得最小UWB系统中任意两点间的距离，并对所有距离值均平均，将平均后的值代入公式(1)-(6)和(34)中，求得初始F值(即总残差值)，记作F_1；然后将公式(1)-(6)求的值代入公式(7)-(33)、(1)-(6)以及(34)计算第二次F值，记作F_2；然后循环迭代上一步骤，每次循环迭代的值记为F_n，直到F_n值小于期望值，则输出当前各点的坐标值，完成基站A1，A2的标定。

在本实施例中，期望值为0.001mm，该值并不是一个固定值，可视情况改变，因此，对该值不做特意的限定。

如图4所示，一种基于最优化理论的UWB基站坐标自动标定系统，包括初始模块、坐标模块、边长模块、最优化模块、循环迭代模块以及标定模块。初始模块用于布置最小UWB系统，将基站A0、A1、A2以及标签T0放置相应位置；坐标模块用于将A0点设为坐标原点，以A0点到A1点的方向作为X轴建立直角坐标系；边长模块用于读取最小UWB系统各个点的初始坐标，同时，计算最小UWB系统中任意两点的距离；最优化模块用于将所有距离的值代入最优化方程中求得总残差值，同时更新各点坐标值；循环迭代模块用于根据更新后的各点坐标循环计算上述过程产生新的总残差值；标定模块用于当总残差值的小于期望值，则当前的指标为最优化指标，根据最优化指标得到最小UWB系统中基站A1、A2的标定坐标值。

如图5所示，其中，最优化模块包括偏导数单元、总残差偏导数单元、坐标更新单元以及总残差值单元，偏导数单元用于根据任意两点的距离值计算所有距离的偏导数；总残差偏导数单元用于根据距离的偏导值计算总残差偏导数；坐标更新单元用于根据总残差偏导数计算下一次迭代的各点坐标；总残差值单元用于根据下一次迭代的各点坐标计算总残差值。

本发明基于最优化理论的UWB基站坐标自动标定方法和系统，通过数学转换将UWB系统坐标的标定问题转换为最优化计算问题，然后将UWB基站和标签自动测量的距离作为最优化问题的输入，经过迭代计算，将误差最小的基站坐标值计算出来，实现自动标定。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于最优化理论的UWB基站坐标自动标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

布置最小UWB系统，将基站A0、A1、A2以及标签T0放置相应位置；

将A0点设为坐标原点，以A0点到A1点的方向作为X轴建立直角坐标系；

读取最小UWB系统各个点的初始坐标，同时，计算最小UWB系统中任意两点的距离；

将所有距离的值代入最优化方程中求得总残差值，同时更新各点坐标值；

根据更新后的各点坐标循环计算上述过程产生新的总残差值；

当总残差值小于期望值，则当前的指标为最优化指标，根据最优化指标得到最小UWB系统中基站A1、A2的标定坐标值。

2.根据权利要求1所述的基于最优化理论的UWB基站坐标自动标定方法，其特征在于，还包括以下步骤：

在计算系统中任意两点的距离后，对所有的距离值进行取平均处理。

3.根据权利要求1所述的基于最优化理论的UWB基站坐标自动标定方法，其特征在于，所述最优化方程的循环迭代主要包括以下步骤：

根据任意两点的距离值计算所有距离的偏导数；

根据距离的偏导值计算总残差偏导数；

根据总残差偏导数计算下一次迭代的各点坐标；

根据下一次迭代的各点坐标计算总残差值。

4.根据权利要求1至3所述任意一项的基于最优化理论的UWB基站坐标自动标定方法，其特征在于，所述期望值为0.001mm。

5.一种基于最优化理论的UWB基站坐标自动标定系统，其特征在于，包括：

初始模块，用于布置最小UWB系统，将基站A0、A1、A2以及标签T0放置相应位置；

坐标模块，用于将A0点设为坐标原点，以A0点到A1点的方向作为X轴建立直角坐标系；

边长模块，用于读取最小UWB系统各个点的初始坐标，同时，计算最小UWB系统中任意两点的距离；

最优化模块，用于将所有距离的值代入最优化方程中求得总残差值，同时更新各点坐标值；

循环迭代模块，用于根据更新后的各点坐标循环计算上述过程产生新的总残差值；

标定模块，当总残差值的小于期望值，则当前的指标为最优化指标，根据最优化指标得到最小UWB系统中基站A1、A2的标定坐标值。

6.根据权利要求5所述任意一项的基于最优化理论的UWB基站坐标自动标定系统，其特征在于，所述最优化模块包括：

偏导数单元，用于根据任意两点的距离值计算所有距离的偏导数；

总残差偏导数单元，用于根据距离的偏导值计算总残差偏导数；

坐标更新单元，用于根据总残差偏导数计算下一次迭代的各点坐标；

总残差值单元，用于根据下一次迭代的各点坐标计算总残差值。