CN110572779B - 一种基于ToF模型的基站的系统误差估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于ToF模型的基站的系统误差估计方法，通过ToF定位过程得到UWB参考标签和UWB基站的距离的测量值，根据UWB参考标签和UWB基站的实际位置坐标计算得到两者之间距离的理论值，比对分析前述距离的测量值和理论值，计算得到所述UWB基站的系统误差，采用计算得到的系统误差对UWB基站的实际测距结果进行校正，以此提高定位系统的总体定位性能。

Description

一种基于ToF模型的基站的系统误差估计方法
技术领域
本发明涉及室内定位技术领域，具体而言涉及一种基于ToF模型的基站的系统误差估计方法。
背景技术
在管廊、医疗、化工等传统工业领域中，UWB无线定位技术被广泛大量应用。同时随着物联网发展的兴起，越来越多的行业有了室内定位的应用场景和需求。而UWB定位技术由于其厘米级定位精度、低功耗等优势，故成为室内定位技术的首选。
目前UWB基站在部署安装、位置测量过程中存在一定误差，且基站硬件一致性存在一定的缺陷，致使UWB基站在ToF定位过程中可能存在一定的系统误差，当系统误差超过一定限制时，会显著性降低标签的ToF定位性能。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于ToF模型的基站的系统误差估计方法，通过ToF定位过程得到UWB参考标签和UWB基站的距离的测量值，根据UWB参考标签和UWB基站的实际位置坐标计算得到两者之间距离的理论值，比对分析前述距离的测量值和理论值，计算得到所述UWB基站的系统误差，采用计算得到的系统误差对UWB基站的实际测距结果进行校正，以此提高定位系统的总体定位性能。
为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种基于ToF模型的基站的系统误差估计方法，所述基于ToF模型的基站包括至少一个UWB基站；所述UWB基站和UWB参考标签之间通过UWB信道进行ToF定位，UWB基站和后台计算机通过以太网进行通信，所述后台计算机中安装有ToF测距模块；
所述系统误差估计方法包括以下步骤：
S1：获取所述UWB参考标签和其中一个UWB基站的实际位置坐标，i＝1,2,…,n，根据下述公式计算得到所述UWB基站Ai和所述UWB参考标签的距离的理论值ri 0：
Figure BDA0002185203150000011
其中，(x0,y0,z0)是所述UWB参考标签的位置坐标，(xi,yi,zi)是所述UWB基站Ai的位置坐标；
S2：获取所述UWB参考标签连续K个周期和UWB基站Ai的UWB报文，调用ToF测距模块计算得到所述UWB基站Ai和所述UWB参考标签之间的距离的K个测量值，分别记为
Figure BDA0002185203150000012
j＝1,2,…,K；
S3：采用下述公式计算K个周期内所述UWB基站Ai的测距稳定性指标φi：
Figure BDA0002185203150000021
所述K为大于1的正整数；
S4：判断所述UWB基站Ai的测距稳定性指标φi是否小于设定稳定性阈值φ0，如果满足，判定所述K个周期内的测量值有效，进入步骤S5，否则，返回步骤S2；
S5：结合理论值
Figure BDA0002185203150000022
和K个测量值
Figure BDA0002185203150000023
根据下述公式估算出所述UWB基站Ai的系统误差τi：
Figure BDA0002185203150000024
进一步的实施例中，所述系统误差估计方法还包括以下步骤：
S6：重复步骤S1-S5，直至计算得到所有UWB基站的系统误差。
进一步的实施例中，采用激光测距仪以获取UWB基站、UWB参考标签的实际位置坐标。
进一步的实施例中，所述UWB基站与分布设置的多个UWB参考标签进行通讯。
UWB基站和UWB参考标签之间通过UWB信号通信完成ToF测距过程，后台计算机可以据此ToF测距过程计算出UWB基站和UWB参考标签之间距离的测量值。误差估计方法利用由UWB参考标签的真实位置(通过激光测距仪等测量工具获得)计算得到两者距离的理论值和ToF过程得到的两者距离的测量值进行比较分析，实现对UWB基站的系统误差的估计。
以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：
通过比对分析UWB参考标签和UWB基站通过ToF定位过程得到的距离的测量值和根据实际位置坐标得到的距离的理论值，计算得到所述UWB基站的系统误差，采用计算得到的系统误差对UWB基站的实际定位结果进行校正，以提高UWB系统的定位性能。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明的基于ToF模型的基站的系统误差估计方法的流程图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
结合图1，本发明提出一种基于ToF模型的基站的系统误差估计方法，所述基于ToF模型的基站包括至少一个UWB基站；所述UWB基站和UWB参考标签之间通过UWB信道进行ToF定位，UWB基站和后台计算机通过以太网进行通信，所述后台计算机中安装有ToF测距模块。
所述系统误差估计方法包括以下步骤：
S1：获取所述UWB参考标签和其中一个UWB基站的实际位置坐标，i＝1,2,…,n，根据下述公式计算得到所述UWB基站Ai和所述UWB参考标签的距离的理论值
Figure BDA0002185203150000031
Figure BDA0002185203150000032
其中，(x0,y0,z0)是所述UWB参考标签的位置坐标，(xi,yi,zi)是所述UWB基站Ai的位置坐标。
S2：获取所述UWB参考标签连续K个周期和UWB基站Ai的ToF测距过程的测距值，分别记为
Figure BDA0002185203150000039
j＝1,2,…,K。
S3：采用下述公式计算K个周期内所述UWB基站Ai的测距稳定性指标φi：
Figure BDA0002185203150000033
所述K为大于1的正整数。
S4：判断所述UWB基站Ai的测距稳定性指标φi是否小于设定稳定性阈值φ0，如果满足，判定所述K个周期内的测量值有效，进入步骤S5，否则，返回步骤S2。
S5：结合理论值
Figure BDA0002185203150000034
和K个测量值
Figure BDA0002185203150000035
根据下述公式估算出所述UWB基站Ai的系统误差τi：
Figure BDA0002185203150000036
优选的，所述系统误差估计方法还包括以下步骤：
S6：重复步骤S1-S5，直至计算得到所有UWB基站的系统误差。
在现场应用环境中，根据空间结构条件，布置一定数量的UWB基站和UWB参考标签，并利用激光测距仪等工具测量出UWB基站和UWB参考标签的实际位置坐标，在此基础上，可以得到UWB参考标签和任意一个UWB基站之间距离的理论值。
UWB参考标签和广播范围内的UWB基站周期性进行ToF测距过程；UWB基站则通过以太网与后台计算机连接，用于实现控制和数据传输。后台计算机利用本发明所提及的方法对每个UWB基站进行系统误差估计。
以其中一个UWB基站Ai为例，假设UWB参考标签Tag(x0,y0,z0)和UWB基站Ai(x0,y0,z0)定点ToF定位过程的ToF测量测距值记为
Figure BDA0002185203150000037
其理论测距值记为
Figure BDA0002185203150000038
记录连续K个周期的ToF测距值作为误差估计的数据基础。但在对数据做分析之前，还需要确认这K个测量值是否可靠，具体的，通过分析这K个测量值的稳定性指标，来判断这K个周期内的测距性能是否稳定，如果稳定，说明可以用作下一步系统误差估计的数据基础，否则，需要重新记录新的连续K个周期的测距值，再分析新记录的测距值的稳定性指标，直至稳定性指标满足预设条件。在连续K个周期的测量值选定后，通过分析每个测量值和理论值之间的差值，例如取所有测量值与理论值之间差值的平均值的方式，来获取该UWB基站的系统误差。重复前述步骤，直至获取到所有UWB的系统误差。
在一些例子中，所述UWB基站与分布设置的M个UWB参考标签进行通讯，所述M个UWB参考标签均具有已知的位置信息，由于每个UWB参考标签的环境参数不同，在校正某一UWB基站时，可以根据实际情况选择最合适的UWB参考标签，每个UWB参考标签辅助UWB基站估计自身系统误差的工作流程同前述。通过设置M个具有不同位置信息的UWB参考标签，以适应不同UWB基站的系统估计误差需求。所述M为大于1的正整数。优选的，针对同一个UWB基站，还可以结合多个UWB参考标签的系统误差测量结果，综合分析得到最终的系统误差，如取平均值、或与对应的权重因子相乘后求和等。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (4)

1.一种基于ToF模型的基站的系统误差估计方法，其特征在于，所述基于ToF模型的基站包括至少一个UWB基站；所述UWB基站和UWB参考标签之间通过UWB信道进行ToF定位，UWB基站和后台计算机通过以太网进行通信，所述后台计算机中安装有ToF测距模块；
所述系统误差估计方法包括以下步骤：
S1：获取所述UWB参考标签和其中一个UWB基站的实际位置坐标，i＝1,2,…,n，根据下述公式计算得到所述UWB基站Ai和所述UWB参考标签的距离的理论值
Figure FDA0002185203140000011
Figure FDA0002185203140000012
其中，(x0,y0,z0)是所述UWB参考标签的位置坐标，(xi,yi,zi)是所述UWB基站Ai的位置坐标；
S2：采集所述UWB参考标签连续K个周期和UWB基站Ai的UWB报文，调用ToF测距模块计算得到所述UWB基站Ai和所述UWB参考标签之间的距离的K个测量值，分别记为
Figure FDA0002185203140000013
S3：采用下述公式计算K个周期内所述UWB基站Ai的测距稳定性指标φi：
Figure FDA0002185203140000014
所述K为大于1的正整数；
S4：判断所述UWB基站Ai的测距稳定性指标φi是否小于设定稳定性阈值φ0，如果满足，判定所述K个周期内的测量值有效，进入步骤S5，否则，返回步骤S2；
S5：结合理论值
Figure FDA0002185203140000015
和K个测量值
Figure FDA0002185203140000016
根据下述公式估算出所述UWB基站Ai的系统误差τi：
Figure FDA0002185203140000017
2.根据权利要求1所述的基于ToF模型的基站的系统误差估计方法，其特征在于，所述系统误差估计方法还包括以下步骤：
S6：重复步骤S1-S5，直至计算得到所有UWB基站的系统误差。
3.根据权利要求1所述的基于ToF模型的基站的系统误差估计方法，其特征在于，采用激光测距仪以获取UWB基站、UWB参考标签的实际位置坐标。
4.根据权利要求1所述的基于ToF模型的基站的系统误差估计方法，其特征在于，所述UWB基站与分布设置的多个UWB参考标签进行通讯。
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