CN110460960B - 超宽带室内定位误差补偿方法 - Google Patents

超宽带室内定位误差补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超宽带室内定位系统及其定位误差补偿方法，可有效补偿超宽带定位模块的自身误差，提高定位精度。本发明实施例的超宽带室内定位系统包括标定端、标签运动端和服务器，三者之间进行通信。标定平面和标签运动平面均平行于水平面且标定平面位于标签运动平面上方。标定平面放置定位基站和标定节点。标定节点通过步进电机在标定平面上移动，并可以通过双轴激光测距精确获知其坐标。标签位于标签运动平面，当标签需要误差补偿时，通过标定节点和标签之间的激光收发单元获取标签的精确坐标，进而可计算出该标签与多个基站之间的定位误差。将该误差作为补偿量用于后续的超宽带定位，将有效补偿超宽带模块引起的误差，提高定位精度。

Description

超宽带室内定位误差补偿方法
技术领域
本发明涉及室内物联网及电子通信领域，特别涉及一种超宽带室内定位系统及其定位误差补偿方法。
背景技术
定位技术是建设和架构物联网非常重要的一环，在社会和工业等各个领域具有广泛的应用。目前，室外定位主要基于卫星定位技术。但是在实际使用过程中，发现GPS定位技术存在很多不足。例如，定位精度不够，现有商用GPS精度一般都维持在米级，在很多特殊场合并不能满足要求。而在室内或地下应用场合，卫星信号无法到达，此时卫星根本无法完成定位工作。在此背景下，各种无线定位技术应运而生。其中相对成熟的技术，有超声波定位、微雷达定位、红外定位和RFID定位等。而基于超宽带通信的定位技术，采用3.5GHz～6.5GHz频段，因其功耗低、定位精度高、定位方法可靠，受到了广泛的重视。
然而，目前商用的超宽带定位精度基本保持在10cm左右，且随着运行时间的变化而发生一定漂移。引起误差的主要原因包括超宽带模块自身电路和天线延迟，电路晶振频率漂移等因素。在许多室内高精度定位场合，比如自动化生产线和室内物流分拣，现有的超宽带定位精度无法满足要求。因此，需要一种定位误差补偿方法，可以进一步提高室内定位的精度，并防止定位误差随时间发生增加，提高定位系统的可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种超宽带室内定位系统及其定位误差补偿方法，可有效补偿超宽带定位模块的自身误差，提高定位精度。
为解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供了一种超宽带室内定位系统，所述定位系统包括：标定端、标签运动端和服务器；
所述标定端包括位于标定平面上的标定节点和n个定位基站，所述标定平面平行于水平面，所述标定节点在标定平面上移动；
所述标签运动端包括位于标签运动平面上的标签，所述标签运动平面平行于所述标定平面且位于标定平面的下方；所述标签与定位基站进行通信；
所述服务器分别与标定节点、定位基站和标签进行通信。
作为本发明的进一步限定，所述定位基站包括第一微处理器、第一电源模块、第一WIFI模块和第一超宽带定位模块；第一微处理器的I/O接口分别连接第一WIFI模块和第一超宽带定位模块，第一微处理器的电源接口连接第一电源模块；所述第一WIFI模块通过WIFI网络与服务器进行通信。
作为本发明的进一步限定，所述标定节点包括第二微处理器、第二电源模块、第二WIFI模块、激光发射模块、x轴激光测距模块、y轴激光测距模块和步进电机模块；第二微处理器的I/O接口分别连接第二WIFI模块、激光发射模块、x轴激光测距模块、y轴激光测距模块和步进电机模块，第二微处理器的电源接口连接第二电源模块；所述第二WIFI模块通过WIFI网络与服务器进行通信。
作为本发明的进一步限定，所述标签包括第三微处理器、第三电源模块、第三超宽带定位模块、第三WIFI模块和激光接收模块；第三微处理器的I/O接口分别连接激光接收模块、第三WIFI模块和第三超宽带定位模块，第三微处理器的电源接口连接第三电源模块；所述第三WIFI模块通过WIFI网络与服务器进行通信；所述第三超宽带定位模块通过超宽带信道与定位基站的第一超宽带定位模块进行通信。
作为本发明的进一步限定，所述n为大于等于3的整数。
另一方面，本发明实施例还提供了一种超宽带室内定位误差补偿方法，用于上述超宽带室内定位系统的服务器，所述方法包括：
获得标签的定位坐标；
根据标签的定位坐标，获得标签的修正坐标；
根据标签的修正坐标，得到误差补偿量。
作为本发明的进一步限定，所述获得标签的定位坐标的步骤，具体包括：
接收标签发送的定位坐标和误差补偿申请，所述定位坐标由标签根据其与n个定位基站之间的直线距离和各定位基站的坐标计算得到。
作为本发明的进一步限定，所述根据标签的定位坐标，获得标签的修正坐标的步骤，具体包括：
201)确定所述标签的搜索范围，并判断在所述搜索范围内有无其它标签，若没有，则将所述标签的定位坐标和搜索范围发送给标定节点；
202)接收标签发送的收到通知，所述收到通知是标定节点在所述标签的搜索范围内移动，并垂直向下发射激光信号，当标签收到标定节点发射的激光信号后产生；
203)通知标定节点停止移动，接收标定节点发送的标定节点坐标，将所述标定节点坐标作为标签的修正坐标。
作为本发明的进一步限定，所述根据标签的修正坐标，得到误差补偿量的步骤，具体包括：
根据所述修正坐标，得到标签与各定位基站之间的定位误差；将所述定位误差作为误差补偿量并保存。
作为本发明的进一步限定，所述方法还包括：
接收标签发送的定位申请和标签与各定位基站之间的新距离，根据所述误差补偿量，得到标签与各定位基站之间的修正距离。
与现有技术相比，本发明实施例提供的一种超宽带室内定位系统及其定位误差补偿方法，可有效补偿超宽带定位模块的自身误差，提高定位精度。本实施例中，标定端、标签运动端和服务器三者之间进行通信，标签通过与定位基站通信获得其定位坐标，并将定位坐标发送给服务器，服务器再将标签的定位坐标和搜索范围发送给标定节点，标定节点在搜索范围内移动直至标签接收到标定节点发射的激光信号后停止，此时标定节点的坐标为标签的修正坐标，既而得到该标签与各个定位基站之间的定位误差，将定位误差作为补偿量用于后续标签定位中，从而有效补偿了超宽带定位模块的自身误差，提高了定位精度。
附图说明
图1为本发明实施例的超宽带室内定位系统的架构示意图；
图2为本发明实施例的定位基站的结构示意图；
图3为本发明实施例的标定节点的结构示意图；
图4为本发明实施例的标签的结构示意图；
图5为本发明实施例标定节点搜索标签的示意图；
图中包含：服务器1、标定平面2、标签运动平面3、标定节点4、定位基站5、标签6、第一微处理器51、第一电源模块52、第一超宽带定位模块53、第一WIFI模块54、第二微处理器21、第二电源模块22、第二WIFI模块24、激光发射模块25、x轴激光测距模块26、y轴激光测距模块27、步进电机模块28、、第三微处理器31、第三电源模块32、第三超宽带定位模块33、第三WIFI模块34、激光接收模块35。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本发明实施例的超宽带室内定位系统，包括：标定端、标签运动端和服务器1。标定端包括标定节点4和n个定位基站5，标定节点4和定位基站5均位于平行于水平面的标定平面2上，标定节点4在标定平面2上移动。标签运动端包括标签6，标签6均位于标签运动平面3上，标签运动平面3平行于标定平面2且位于标定平面2的下方。标签6与定位基站5进行通信，服务器1分别与标定节点4、定位基站5和标签6进行通信。使用时，标定端布置在室内的顶层天花板，标签端3设置在标定端的下方。
本发明实施例提供的超宽带室内定位系统，可有效补偿超宽带定位模块的自身误差，提高定位精度。本实施例中，标定端、标签运动端和服务器三者之间进行通信，标签通过与定位基站通信获得其定位坐标，并将定位坐标发送给服务器，服务器再将标签的定位坐标和搜索范围发送给标定节点，标定节点在搜索范围内移动直至标签接收到标定节点发射的激光信号后停止，此时标定节点的坐标为标签的修正坐标，既而得到该标签与各个定位基站之间的定位误差，将定位误差作为补偿量用于后续标签定位中，从而有效补偿了超宽带定位模块的自身误差，提高了定位精度。
作为优选例，如图2所示，定位基站5包括第一微处理器51、第一电源模块52、第一WIFI模块54和第一定位模块53。第一微处理器51的I/O接口分别连接第一WIFI模块54和第一超宽带定位模块53，第一微处理器51的电源接口连接第一电源模块52。第一WIFI模块54通过WIFI网络与服务器1进行通信。
定位基站5与服务器1通信时，第一微处理器51通过第一WIFI模块54收发通信数据。定位时，第一微处理器51将定位编码信息发送给第一超宽带模块53，第一超宽带模块53将接收到的标签6发送的定位编码信息发送给第一微处理器51，第一微处理器51生成反馈信息发送给第一超宽带模块53，第一超宽带模块53将反馈信息通过UWB信道传送给标签6。
作为优选例，如图3所示，标定节点4包括第二微处理器21、第二电源模块22、第二WIFI模块24、激光发射模块25、x轴激光测距模块26、y轴激光测距模块27和步进电机模块28。第二微处理器21的I/O接口分别连接第二WIFI模块24、激光发射模块25、x轴激光测距模块26、y轴激光测距模块27和步进电机模块28，第二微处理器21的电源接口连接第二电源模块22。第二WIFI模块24通过WIFI网络与服务器1进行通信。
标定节点4与服务器1通信时，第二微处理器21将通信数据通过I/O接口发送给第二WIFI模块24，同时第二WIFI模块24接收服务器1发送的通信数据，并将该通信数据发送给第二微处理器。第二微处理器21通过I/O接口发送测距命令给x轴激光测距模块26和y轴激光测距模块27，两个测距单元获得精确的距离信息后，将距离信息通过I/O接口发送给第二微处理器21，第二微处理器21根据所述距离信息计算得到标定节点4的坐标。第二微处理器21给步进电机模块28发送移动坐标，步进电机模块28驱动整个标定节点4移动到所述坐标位置。第二微处理器21发送激光发射信号给激光发射模块25，激光发射模块25接收激光发射信号后发射激光。
本发明实施例，激光发射模块25的激光发发射方向垂直向下，使得位于下方的标签6能够接收到激光信号。x轴激光测距模块26和y轴激光测距模块27分别用于检测标定节点4到标定平面起始点的距离，进而获得其坐标。步进电机模块28用于驱动整个标定节点4在标定平面2上移动，使标签6接收到其发射的激光信号，然后根据自己的坐标得到标签的修正坐标。
作为优选例，如图4所示，标签6包括第三微处理器31、第三电源模块32、第三超宽带定位模块33、第三WIFI模块34和激光接收模块35。第三微处理器31的I/O接口分别连接激光接收模块35、第三WIFI模块34和第三超宽带定位模块33，第三微处理器31的电源接口连接第三电源模块32。第三WIFI模块34通过WIFI网络与服务器1进行通信，第三超宽带定位模块33通过超宽带信道与定位基站5的第一超宽带定位模块53进行通信。
标签6与服务器1通信时，第三微处理器31将通信数据发送给第三WIFI模块34，经第三WIFI模块34将数据发送给服务器1；同时第三WIFI模块34接收服务器1发送的通信数据，并将该通信数据发送给第三微处理器31。定位时，第三微处理31将定位编码信息发送给第三超宽带模块33，第三超宽带模块33将定位编码信息通过UWB信道发送给定位基站5，并接收定位基站5的反馈信息，并将反馈信息发送给第三微处理器31。
作为优选例，定位基站5的个数n大于等于3。定位时，根据标签6与各定位基站5之间的距离，以及各定位基站5的坐标，就可得到标签6的坐标。定位基站至少要有3个，才可计算得到标签6的二维坐标。定位基站多于3个，在某定位基站出现故障的情况下，其它的定位基站可作为替补进行定位，在故障定位基站未能及时修护的情况下不影响定位功能。
本发明实施例提供的超宽带室内定位误差补偿系统，可有效补偿超宽带定位模块的自身误差，提高定位精度。本实施例中，标定端、标签运动端和服务器三者之间进行通信，标签通过与定位基站通信获得其定位坐标，并将定位坐标发送给服务器，服务器再将标签的定位坐标和搜索范围发送给标定节点，标定节点在搜索范围内移动直至标签接收到标定节点发射的激光信号后停止，此时标定节点的坐标为标签的修正坐标，既而得到该标签与各个定位基站之间的定位误差，将定位误差作为补偿量用于后续标签定位中，从而有效补偿了超宽带定位模块的自身误差，提高了定位精度。
本发明实施例还提供一种超宽带室内定位误差补偿方法，用于上述超宽带室内定位系统的服务器1，所述方法包括：
S10、获得标签6的定位坐标。
具体步骤为：接收标签6发送的定位坐标和误差补偿申请，所述定位坐标由标签6根据其与n个定位基站5之间的直线距离和各定位基站5的坐标得到。
其中，标签6得到定位坐标的步骤是：标签6发送定位信息给各定位基站5，各定位基站5均发送反馈信号，标签6通过计算发送定位信息与接收反馈信号之间的时间差，与信号速度相乘即可得到标签6与各定位基站的距离L1,L2,……,Ln。根据直线距离L1,L2,……,Ln和各定位基站5的坐标(xB1,yB1),(xB2,yB2),……,(xBn,yBn)，得到标签6的定位坐标。其中，各定位基站的坐标在安装定位基站时测量获得。
S20、根据标签6的定位坐标，获得标签6的修正坐标。
S201、确定所述标签6的搜索范围，并判断在所述搜索范围内有无其它标签，若没有，则将所述标签6的定位坐标和搜索范围发送给标定节点4。
在一些实施例中，假设超宽带定位模块的最大误差，以标签6的定位坐标为中心，最大误差为半径，确定搜索范围。服务器接收到所有标签6的定位坐标，可判断标签6的搜索范围内有无其它标签6，若没有，则将标签6的定位坐标和搜索范围发送给标定节点4。
S202、接收标签6发送的收到通知，所述收到通知是标定节点4在所述标签6的搜索范围内移动，并垂直向下发射激光信号，当标签6收到标定节点4发射的激光信号后产生。
标定节点4收到服务器1发送的标签6的定位坐标和搜索范围后，在标定平面上标签6的搜索范围内移动，如图5所示，并垂直向下发射激光信号。当标签6接收到标定节点4发射的激光信号后，发送收到通知给服务器1。
S203、通知标定节点4停止移动，接收标定节点4发送的标定节点坐标，将所述标定节点坐标作为标签6的修正坐标。
服务器接收到标签6发送的收到通知后，通知标定节点4停止移动，标定节点通过x轴激光测距模块26和y轴激光测距模块27，可以精确获得该节点分别于x轴和y轴原点的距离，从而获得标定节点坐标，标定节点4将标定节点坐标发送给服务器，服务器收到标定节点坐标后将标定节点坐标作为标签6的修正坐标(x0,y0)。
S30、根据标签6的修正坐标，得到误差补偿量。
S301、服务器根据所述修正坐标(x0,y0)，得到标签6与各定位基站5之间的定位误差ΔL1,ΔL2,,.....,ΔLn，具体计算如下式：
服务器将所述定位误差作为误差补偿量，存储用于下一次定位计算中。
S40、接收标签6发送的定位申请和标签6与各定位基站之间的新距离，根据所述误差补偿量，得到标签6与各定位基站之间的修正距离。
标签6再次定位时，向服务器发送定位申请，并将通过与各定位基站5之间的超宽带通信获取的其与各定位基站之间的新距离NL1,NL2,……,NLn发送给服务器，服务器根据上述得到的误差补偿量，计算得到标签6与各定位基站之间的修正距离AL1,AL2,……,ALn，具体计算如下式：
在一些实施例中，在设定更新时间段内，若标签6进行多次定位，执行步骤S40。若超过设定更新时间段，执行步骤S10-S30，更新误差补偿量，进一步提高定位精度。
本发明实施例提供的一种超宽带室内定位误差补偿方法，可有效补偿超宽带定位系统的自身误差，提高定位精度。本实施例中，标签通过与定位基站通信获得其定位坐标，并将定位坐标发送给服务器，服务器再将标签的定位坐标和搜索范围发送给标定节点，标定节点在搜索范围内移动直至标签接收到标定节点发射的激光信号后停止，此时标定节点的坐标为标签的修正坐标，既而得到该标签与各个定位基站之间的定位误差，将定位误差作为补偿量用于后续标签定位中，从而有效补偿了超宽带定位模块的自身误差，提高了定位精度。以上显示和描述了本发明创造的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本设计不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本设计的原理，在不脱离本设计精神和范围的前提下，本发明创造还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本设计范围内。本发明创造要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种超宽带室内定位误差补偿方法，其特征在于，用于超宽带室内定位系统的服务器；所述超宽带室内定位系统包括：标定端、标签运动端和服务器(1)；
所述标定端包括位于标定平面(2)上的标定节点(4)和n个定位基站(5)，所述标定平面(2)平行于水平面，所述标定节点(4)在标定平面(2)上移动；
所述标签运动端包括位于标签运动平面(3)上的标签(6)，所述标签运动平面(3)平行于所述标定平面(2)，且位于标定平面(2)的下方；所述标签(6)与定位基站(5)进行通信；
所述服务器(1)分别与标定节点(4)、定位基站(5)和标签(6)进行通信；
所述方法包括：
获得标签(6)的定位坐标；
根据标签(6)的定位坐标，获得标签(6)的修正坐标；
根据标签(6)的修正坐标，得到误差补偿量；
所述获得标签的定位坐标的步骤，具体包括：
接收标签(6)发送的定位坐标和误差补偿申请，所述定位坐标由标签(6)根据其与n个定位基站(5)之间的直线距离和各定位基站(5)的坐标计算得到；
所述根据标签的定位坐标，获得标签的修正坐标的步骤，具体包括：
201)确定所述标签(6)的搜索范围，并判断在所述搜索范围内有无其它标签，若没有，则将所述标签(6)的定位坐标和搜索范围发送给标定节点(4)；
202)接收标签(6)发送的收到通知，所述收到通知是当标签(6)收到由标定节点(4)在所述标签(6)的搜索范围内移动，并垂直向下发射的激光信号时产生；
203)通知标定节点(4)停止移动，接收标定节点(4)发送的标定节点坐标，将所述标定节点坐标作为标签(6)的修正坐标。
2.按照权利要求1所述的超宽带室内定位误差补偿方法，其特征在于，所述定位基站(5)包括第一微处理器(51)、第一电源模块(52)、第一WIFI模块(54)和第一超宽带定位模块(53)；第一微处理器(51)的I/O接口分别连接第一WIFI模块(54)和第一超宽带定位模块(53)，第一微处理器(51)的电源接口连接第一电源模块(52)；所述第一WIFI模块(54)通过WIFI网络与服务器(1)通信。
3.按照权利要求1所述的超宽带室内定位误差补偿方法，其特征在于，所述标定节点(4)包括第二微处理器(21)、第二电源模块(22)、第二WIFI模块(24)、激光发射模块(25)、x轴激光测距模块(26)、y轴激光测距模块(27)和步进电机模块(28)；第二微处理器(21)的I/O接口分别连接第二WIFI模块(24)、激光发射模块(25)、x轴激光测距模块(26)、y轴激光测距模块(27)和步进电机模块(28)，第二微处理器(21)的电源接口连接第二电源模块(22)；所述第二WIFI模块(24)通过WIFI网络与服务器(1)通信。
4.按照权利要求1所述的超宽带室内定位误差补偿方法，其特征在于，所述标签(6)包括第三微处理器(31)、第三电源模块(32)、第三超宽带定位模块(33)、第三WIFI模块(34)和激光接收模块(35)；第三微处理器(31)的I/O接口分别连接激光接收模块(35)、第三WIFI模块(34)和第三超宽带定位模块(33)，第三微处理器(31)的电源接口连接第三电源模块(32)；所述第三WIFI模块(34)通过WIFI网络与服务器(1)进行通信；所述第三超宽带定位模块(33)通过超宽带信道与定位基站(5)通信。
5.按照权利要求1-4任意一项所述的超宽带室内定位误差补偿方法，其特征在于，所述n为大于等于3的整数。
6.按照权利要求1所述的超宽带室内定位误差补偿方法，其特征在于，所述根据标签的修正坐标，得到误差补偿量的步骤，具体包括：
根据所述修正坐标，得到标签(6)与各定位基站(5)之间的定位误差；将所述定位误差作为误差补偿量并保存。
7.按照权利要求6所述的超宽带室内定位误差补偿方法，其特征在于，所述方法还包括：
接收标签(6)发送的定位申请和标签(6)与各定位基站之间的新距离，根据所述误差补偿量，得到标签(6)与各定位基站之间的修正距离。
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