CN110572774A - 一种基于uwb自定位的室内多基站扩展方法 - Google Patents

一种基于uwb自定位的室内多基站扩展方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及移动无线通信以及位置的服务技术领域，具体涉及一种基于UWB自定位的室内多基站扩展方法。在室内多基站定位中，采用UWB通信技术，并利用TOF测距方法实现基站与可移动UWB标签的距离计算。本发明通过对基站和可移动UWB标签进行组号分配，可移动UWB标签携带组号与各基站进行TOF通信，只有当基站与当前可移动UWB标签的组号相同时，两者才进行信息交互，避免了当前可移动UWB标签同所有基站进行信息交互的干扰，有效解决了产生大量无效通信的问题，大幅减少了获取一组测距信息的时间，效率高，降低了基站的能耗；同时本发明提供的方案可以无限制地扩充基站的数量，即无限制地扩大可移动UWB标签的活动范围。

Description

一种基于UWB自定位的室内多基站扩展方法
技术领域
本发明涉及移动无线通信以及位置的服务技术领域，具体涉及一种基于UWB自定位的室内多基站扩展方法。
背景技术
随着人工智能和工业互联网技术的不断发展，使得室内人员和物品的定位信息变得十分重要。目前，多采用蓝牙、WiFi、RFID等无线技术来实现位置定位，但这些传统的定位方法，定位精度较差，无法满足高精度定位的要求。
超宽带(Ultra Wideband，UWB)通信技术通过纳秒至微妙级别的窄脉冲传输数据，具有时间分辨率高，穿透力强，抗多径衰弱能力和抗干扰能力强等特点，能够有效克服传统无线定位技术的缺陷，是当前首选的室内定位方法，但由于UWB通信技术解算标签位置算法的限制，使得UWB通信技术系统仅支持3个基站，从而导致标签移动的范围受限，当扩展到多个基站的时候，由于标签接收的回复信号超过了3个，信号之间会相互干扰，导致信息丢失或失真。
专利号为CN201711331929.2的中国专利申请，公开了一种基于UWB标签自定位的多基站扩展方法和设备，该方法中的可移动UWB标签每次均要与16个基站进行轮询通讯，效率极低，且区域之间信号不能传输，故无法形成真正意义上的全区域覆盖。而专利号为CN201711470537.4的中国专利申请，公开了一种基于ADS-TWR的井下UWB多基站定位区域判定方法，该方法是特定为井下一维坐标设置的，且该方法需要标签通过实时解算来调整区域，这样对标签的耗电较大，且无法扩展到二维坐标的定位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于UWB自定位的多基站扩展方法，以解决室内UWB多基站定位效率低、信号交互干扰、基站能耗高等问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于UWB自定位的室内多基站扩展方法，应用于包括数据处理模块、由多个基站子模块组成的基站模块以及由若干设置于目标用户上的移动UWB标签组成的标签模块的系统中，包括以下步骤：
(1)数据处理模块根据每个基站实际坐标，为各基站分配组号，具有相同组号的基站属于同一个基站子模块；
(2)为标签模块中所有可移动UWB标签进行组号初始化，使每个可移动UWB标签都有一个组号；
(3)完成标签模块中可移动UWB标签的组号初始化后，各可移动UWB标签在与各基站通信时都会携带组号，只有当基站与当前可移动UWB标签的组号相同时，两者才会进行信息交互，相同组号的各个基站分别根据其与当前可移动UWB标签的交互信息计算出与当前可移动UWB标签的距离值，并将各个距离值汇总统一发送到数据处理模块；
(4)数据处理模块接收到从步骤(3)发送过来的距离值解算出当前可移动UWB标签的二维坐标，并根据该坐标判断当前可移动UWB标签的新组号；
(5)若步骤(4)中判断出的新组号与当前可移动UWB标签组号相同，则当前可移动UWB标签的组号不变，若新组号与当前可移动UWB标签组号不相同，则数据处理模块将新组号下发给基站子模块，所述基站子模块的组号与新组号相同，再由该基站子模块将新组号下发到当前可移动UWB标签。
进一步地，本发明方案中涉及的基站子模块包括3个以上基站，且同一子模块内的各个基站具有相同组号。
进一步地，本发明方案中涉及的基站子模块由具有相同组号的管理基站和3个其他基站组成，所述管理基站可以完成以下任务：
1)接收同组其他基站发送过来的与当前可移动UWB标签的距离值，并汇总发送给所述数据处理模块；
2)接收数据处理模块发送的组号，并将该组号分发给同组其他基站或当前可移动UWB标签。
进一步地，在为所有可移动UWB标签进行组号初始化时，可采用以下步骤进行：
(1)当前可移动UWB标签向所有测距基站广播Poll请求帧，各基站子模块内的测距基站分别与其建立连接；
(2)从第一组基站子模块开始，按组号逐步增加的顺序，依次进行以下操作：
1)计算具有当前组号的基站子模块内的各基站与当前可移动UWB标签的距离值，并汇总发送给数据处理模块；
2)数据处理模块根据接收到的距离值进行当前可移动UWB标签的坐标解算；
3)若步骤2)中的数据处理模块解算出当前标签的二维坐标，数据处理模块则判断该坐标所在的组号，并下发给相应组号的基站子模块，再由该基站子模块将组号下发到当前可移动UWB标签，完成当前可移动UWB标签组号的初始化；
4)若步骤2)中的数据处理模块解算不出当前可移动UWB标签的二维坐标，则将下一组号设为当前组号，重复执行上述1)、2)、3)步骤；
(3)若所述标签模块有多个可移动UWB标签，则重复执行步骤(2)，直到完成所有可移动UWB标签组号的初始化。
进一步地，各基站计算其与当前可移动UWB标签的距离值时，采用TOF传播时间测距方法，然后通过以下公式计算测距基站与当前可移动UWB标签的距离值：
其中，Tprop为(单向飞行时间)，d为距离值，c为光速，Tround1为当前标签从发送请求帧Poll到接收应答帧Resp的时间差，Tround2为测距基站从发送应答帧Resp到接收应答帧Resp的时间差，Treply1为测距基站从接收到Poll帧到向当前标签发送应答帧Resp的时间差，Treply2为当前标签从接收到应答帧Resp到向测距基站发送终止帧Final的时间差。
进一步地，数据处理模块在解算当前可移动UWB标签坐标时，根据基站子模块发送的距离值和该基站子模块内各基站的实际坐标，通过三边定位法和最小二乘法为当前可移动UWB标签解算出最优二维坐标。
进一步地，在数据处理模块根据解算出的当前可移动UWB标签坐标判断标签组号时，若当前可移动UWB标签处于两组基站子模块的交界处时，按以下步骤进行判断当前可移动UWB标签的组号：
1)数据处理模块根据每组基站的面积大小设置一个冗余范围；
2)若数据处理模块判断当前可移动UWB标签已经超过冗余范围，完全进入下一组基站子模块时，则判断当前可移动UWB标签的组号发生变化，并将新组号发送给基站子模块，所述基站子模块的组号与新组号相同，并由该基站子模块将新组号下发给当前可移动UWB标签；
3)若步骤2)中刚收到新组号的当前可移动UWB标签此时有轻微地晃动，又进入了之前的冗余范围，则数据处理模块判断当前可移动UWB标签依然在新的基站组，组号为刚下发的新的组号。
由上述技术方案可知，本发明提供了一种基于UWB自定位的室内多基站扩展方法，通过对各基站和可移动UWB标签分配组号，只有当基站与当前可移动UWB标签的组号相同时，两者才进行信息交互，避免了当前标签同所有基站进行信息交互的干扰，有效解决了可移动UWB标签每次定位都需要广播Poll请求帧而产生大量无效通信的问题，大幅减少了获取一组测距信息的时间，效率高，降低了基站的能耗；当前可移动UWB标签的坐标解算和组号判断统一由数据处理模块来完成，缩短了整个响应过程的时间；同时本方法能够解算出当前可移动UWB标签的二维坐标，使得定位更精确；本发明提供的方法可以无限制地扩充基站的数量，即无限制地扩大可移动UWB标签的活动范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提出的一种基于UWB自定位的室内多基站扩展系统的结构框图；
图2为本发明实施例提出的一种基于UWB自定位的室内多基站扩展方法的基站与可移动UWB标签的通信流程图；
图3为本发明实施例提出的一种基于UWB自定位的室内多基站扩展方法的管理基站与服务器之间的通信流程图；
图4为本发明实施例提出的一种基于UWB自定位的室内多基站扩展方法的跨基站冗余设计；
图5为本发明实施例提出的一种基于UWB自定位的室内多基站扩展方法的基站与当前可移动UWB标签的TOF通信。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为一种基于UWB自定位的室内多基站扩展系统的结构框图及通信方式。扩展系统主要包括上位机、服务器、基站模块和标签模块四个部分。
应用于如图1所示的室内多基站扩展系统的一种基于UWB自定位的室内多基站扩展方法，具体步骤如下：
S1：服务器根据每个基站实际坐标，为各基站分配组号，具有相同组号的基站属于同一个基站子模块；
在室内实际场地中，根据实际情况布置多个基站子模块，每个基站子模块设置四个基站，包括一个管理基站、两个与可移动UWB标签通信的基站和一个备用基站。当通信基站出现故障的时候，启用备用基站来代替通信基站；当管理基站出现问题时，顺延用组内排名第二的基站作为管理基站，并启用备用基站。
每个基站都有自己固有的二维坐标(x,y)，服务器将每个基站的坐标记录下来，并为每个基站分配组号，每个基站子模块内的各个基站具有相同的组号，属于同一组。服务器将分配好的组号下发给各组基站的管理基站，并由管理基站再下发给组内其他基站。
S2：为可移动UWB标签进行组号初始化，使每个可移动UWB标签都有一个组号；
根据实际需要，在目标用户上设置可移动的UWB标签，用于与各基站进行通信。当整个多基站扩展系统第一次开启时，服务器并不知道各个可移动UWB标签的组号，需要通过确定可移动UWB标签的初始位置来初始化可移动UWB标签的组号。
进行组号初始化时，首先当前可移动UWB标签向所有基站广播Poll请求帧，各基站分别与当前可移动UWB标签建立连接，进行通信。采用轮询法进行组号初始化，从第一组基站开始，按组号逐步增加的顺序，依次进行以下操作：
1)具有当前组号的各基站分别计算其与当前可移动UWB标签的距离值，并发送给组内管理基站，并由管理基站汇总发送给服务器；
2)服务器根据接收到的距离值解算出当前可移动UWB标签的二维坐标；
3)若步骤2)中的服务器解算出当前可移动UWB标签的二维坐标，服务器则根据各基站固有坐标和解算出的当前可移动UWB标签坐标判断组号，并下发给具有相同组号的管理基站，再由该管理基站将组号下发到当前可移动UWB标签，即完成当前可移动UWB标签组号的初始化；
4)若步骤2)中的服务器解算不出当前可移动UWB标签的二维坐标，则将下一组号设为当前组号，重复执行上述1)、2)、3)步骤，直到完成当前可移动UWB标签的初始化。
(3)若存在多个可移动UWB标签，则重复执行步骤(2)，直到完成所有可移动UWB标签组号的初始化。
第一次初始化各可移动UWB标签的组号时，需要各个基站查找，比较耗时，但一旦标签组号确定好，在之后的信息交互中就不再需要遍历各个基站了，可移动UWB标签只需与具有相同组号的基站进行通信即可，大大提升了通信的抗干扰能力和效率。
S3：基站与可移动UWB标签之间的通信过程；
图2所示为基站与可移动UWB标签的通信流程图。
可移动UWB标签的组号初始化完成后，各可移动UWB标签在与各基站通信时都会携带组号。各基站接收到当前可移动UWB标签发送的信息后，会判断组号是否匹配，若组号不匹配则丢弃信息，只有当基站与当前可移动UWB标签的组号相同时，两者才会进行信息交互，包括管理基站和其他基站与可移动UWB标签之间的TOF通信。上述可移动UWB标签与基站的通信方式避免了标签同所有基站进行信息交互的干扰，加速了进程，缩短时间，并且降低了基站的能耗。
与当前可移动UWB标签完成TOF通信后，各基站分别计算与当前可移动UWB标签的距离值，并将各个距离值汇总到同组管理基站，并由管理基站发送给服务器，等待服务器的处理结果。若服务器下发了新的组号给具有与新组号相同组号的管理基站，则该管理基站将新组号下发给当前可移动UWB标签；若服务器没有任何处理结果返回，则当前可移动UWB标签组号不变。
S4：管理基站与服务器之间的通信过程。
图3所示为管理基站与服务器之间的通信流程图。
在系统正常运行过程中，服务器接收从管理基站发送的距离值，通过三边定位法和最小二乘法解算当前可移动UWB标签的最优二维坐标，具体公式如下：
其中，(X，Y)为当前可移动UWB标签的二维坐标，da为到基站(Xa、Ya)的距离、db为到基站(Xb、Yb)的距离、dc为到基站(Xc、Yc)的距离。
服务器把解算出的二维坐标发送给上位机进行位置显示并管理，且服务器根据解算出的坐标重新判断组号，并决定是否更换当前可移动UWB标签组号。若新组号与当前可移动UWB标签组号相同，则当前可移动UWB标签的组号不变；若新组号与当前标签组号不相同，则服务器将新组号下发给相应的管理基站，该管理基站的组号与新组号相同，再由该管理基站将新组号下发到当前可移动UWB标签。
图4为实例中的跨基站冗余设计。在服务器根据解算出的可移动UWB标签坐标判断标签组号时，若当前可移动UWB标签处于两组基站的交界处时，按以下步骤判断当前可移动UWB标签的组号：
1)服务器会根据每组基站的面积大小设置一个冗余范围；
2)若服务器判断当前可移动UWB标签已经超过冗余范围，完全进入下一组基站时，则认为当前可移动UWB标签的组号发生变化，并将新组号发送给相应的管理基站，该管理基站的组号与新组号相同，并由该管理基站将新组号下发给当前可移动UWB标签；
3)若步骤2)中刚收到新组号的当前可移动UWB标签此时有轻微地晃动，又进入了之前的冗余范围，则服务器判断当前可移动UWB标签依然在新的基站组，组号为刚下发的新的组号。
上述判断组号的方法解决了标签来回跳动，组号变化频率高的问题。
下面主要讲述一下基站与可移动UWB标签之间的TOF测距方法和基站解算距离值的方法。
基站与当前可移动UWB标签进行信息交互时采用TOF测距方法，TOF测距方法属于双向测距技术，它主要利用信号在两个异步收发机(Transceiver)之间飞行时间来测量节点间的距离。
图5为各基站与当前可移动UWB标签的TOF通信，图中的AnchorA、Anchor B、AnchorC分别表示三个基站，Tag表示当前可移动UWB标签。以基站AnchorA与当前可移动UWB标签Tag之间的通信为例来解释TOF通信过程，具体过程如下：
1)首先，当前标签Tag向基站AnchorA发送请求帧Poll，接收到Poll帧的基站AnchorA经过Treply1A时间向标签Tag发送应答帧Resp；
2)当前标签接收到基站AnchorA发送过来的应答帧Resp，计算标签Tag从发送请求帧Poll到接收应答帧Resp的时间Tround1A，然后接收到应答帧Resp的标签Tag经过Treply2A时间向基站AnchorA发送终止帧Final；
3)基站Anchor A接收到应答帧Resp后结束通信，计算基站AnchorA从发送应答帧Resp到接收到应答帧Resp的时间Tround2A。
与标签Tag结束通信后，基站AnchorA计算出Treply1A、Treply2A、Tround1A、Tround2A，然后通过以下公式计算基站Anchor A与当前可移动UWB标签Tag的距离值：
其中，TpropA为单向飞行基站Anchor A到标签Tag之间的时间，da为基站Anchor A到标签Tag之间的距离值，c为光速。
同理，按照上述方法分别算出基站Anchor B、基站Anchor C与标签Tag之间的距离值db、dc。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种基于UWB自定位的室内多基站扩展方法，其特征在于，应用于包括数据处理模块、由多个基站子模块组成的基站模块以及由若干设置于目标用户上的可移动UWB标签组成的标签模块的系统中，该方法包括以下步骤：
S1：数据处理模块根据每个基站实际坐标，为各基站分配组号，具有相同组号的基站属于同一个基站子模块；
S2：为标签模块中所有可移动UWB标签进行组号初始化，使每个可移动UWB标签都有一个组号；
S3：完成标签模块中可移动UWB标签的组号初始化后，各可移动UWB标签在与各基站通信时都会携带组号，只有当基站与当前可移动UWB标签的组号相同时，两者才会进行信息交互，相同组号的各个基站分别根据其与当前可移动UWB标签的交互信息计算出与当前可移动UWB标签的距离值，并将各个距离值汇总统一发送到数据处理模块；
S4：数据处理模块接收到从步骤S3发送过来的距离值解算出当前可移动UWB标签的二维坐标，并根据该坐标判断当前可移动UWB标签的新组号；
S5：若步骤S4中判断出的新组号与当前可移动UWB标签组号相同，则当前可移动UWB标签的组号不变，若新组号与当前可移动UWB标签组号不相同，则数据处理模块将新组号下发给基站子模块，所述基站子模块的组号与新组号相同，再由该基站子模块将新组号下发到当前可移动UWB标签。
2.如权利要求1所述的一种基于UWB自定位的室内多基站扩展方法，其特征在于，所述基站子模块包括3个以上基站，所述基站子模块内的各个基站具有相同组号。
3.如权利要求1所述的一种基于UWB自定位的室内多基站扩展方法，其特征在于，所述基站子模块由具有相同组号的管理基站和3个其他基站组成，所述管理基站可以完成以下任务：
1)接收同组其他基站发送过来的与当前可移动UWB标签的距离值，并汇总发送给数据处理模块；
2)接收数据处理模块发送的组号，并将该组号分发给同组其他基站或当前可移动UWB标签。
4.如权利要求1至3任一项所述的一种基于UWB自定位的室内多基站扩展方法，其特征在于，所述步骤S2中，为所有可移动UWB标签进行组号初始化的方法具体包括以下步骤：
S21：当前可移动UWB标签向所有测距基站广播Poll请求帧，各基站子模块内的测距基站分别与其建立连接；
S22：从第一组基站子模块开始，按组号逐步增加的顺序，依次进行以下操作：
1)计算具有当前组号的基站子模块内的各基站与当前可移动UWB标签的距离值，并汇总发送给数据处理模块；
2)数据处理模块根据接收到的距离值进行当前可移动UWB标签的坐标解算；
3)若步骤2)中的数据处理模块解算出当前可移动UWB标签的二维坐标，数据处理模块则判断该坐标所在的组号，并下发给相应组号的基站子模块，再由该基站子模块将组号下发到当前可移动UWB标签，完成当前可移动UWB标签组号的初始化；
4)若步骤2)中的数据处理模块解算不出当前可移动UWB标签的二维坐标，则将下一组号设为当前组号，重复执行上述1)、2)、3)步骤；
S23：若所述标签模块有多个可移动UWB标签，则重复执行步骤S22，直到完成所有可移动UWB标签组号的初始化。
5.如权利要求1至3任一项所述的一种基于UWB自定位的室内多基站扩展方法，其特征在于，各基站计算其与当前可移动UWB标签的距离值采用TOF(Time of Fligh)传播时间测距方法，并通过以下公式计算测距基站与当前可移动UWB标签的距离值：
其中，Tprop为(单向飞行时间)，d为距离值，c为光速，Tround1为当前可移动UWB标签从发送请求帧Poll到接收应答帧Resp的时间差，Tround2为测距基站从发送应答帧Resp到接收应答帧Resp的时间差，Treply1为测距基站从接收到Poll帧到向当前可移动UWB标签发送应答帧Resp的时间差，Treply2为当前可移动UWB标签从接收到应答帧Resp到向测距基站发送终止帧Final的时间差。
6.如权利要求1至3任一项所述的一种基于UWB自定位的室内多基站扩展方法，其特征在于，所述数据处理模块根据基站子模块发送的距离值和该基站子模块内各基站的实际坐标，通过三边定位法和最小二乘法为当前可移动UWB标签解算出最优二维坐标。
7.如权利要求1至3任一项所述的一种基于UWB自定位的室内多基站扩展方法，其特征在于，数据处理模块在根据解算出的当前可移动UWB标签坐标判断标签组号时，若当前可移动UWB标签处于两组基站子模块的交界处时，按以下步骤进行判断当前可移动UWB标签的组号：
1)数据处理模块根据每组基站的面积大小设置一个冗余范围；
2)若数据处理模块判断当前可移动UWB标签已经超过冗余范围，完全进入下一组基站子模块时，则判断当前可移动UWB标签的组号发生变化，并将新组号发送给基站子模块，所述基站子模块的组号与新组号相同，并由该基站子模块将新组号下发给当前可移动UWB标签；
3)若步骤2)中刚收到新组号的当前可移动UWB标签此时有轻微地晃动，又进入了之前的冗余范围，则数据处理模块判断当前可移动UWB标签依然在新的基站组，组号为刚下发的新组号。
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