CN110650434B - 一种基于uwb技术的跟随定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UWB技术的跟随定位方法，每个UWB定位基站均配置了ID号和跟随基站列表；UWB定位标签包括探测和定位过程；探测过程，标签发送探测报文，周边基站根据自身ID号进行延时回复，标签收到回复后使用单边双向测距法计算各基站的距离，保存最近基站的跟随基站列表；定位过程，标签发送包含跟随基站列表的起始报文，周边基站收到报文后根据自身ID在列表中的位置进行延时和回复，标签收到回复后发送结束报文，标签根据单边双向测距法找到最近基站并更新跟随基站列表，基站根据双边双向测距法计算距离并上传。本发明提供的跟随定位方法解决了基站回复过程存在的报文冲突问题，提高了测距稳定性。

Description

一种基于UWB技术的跟随定位方法

技术领域：

本发明涉及一种基于UWB技术的跟随定位方法。

背景技术：

UWB（UltraWideBand，超宽带）通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、测距精度高等多种优点。

目前在UWB定位领域，不论是单边双向测距法(SS-TWR)或双边双向测距法(SDS-TWR)都需要经历UWB定位标签（以下称标签）发送和多个UWB定位基站（以下称UWB定位基站）回复的过程。由于UWB信号覆盖范围内往往有多个UWB定位基站，上述回复过程需要解决UWB定位基站回复数量、UWB定位基站回复顺序的问题。

业界现有的解决方案是全程使用基站ID号（也称编号、序号等）取余法计算延时，假设余数限定值为M，延时单位时间为S，则延时时间为(ID%M)*S，该方法存在明显缺点：

（1）报文冲突概率较高。如果UWB定位基站布置较为密集，标签发送测距起始报文后，有较多的UWB定位基站收到该报文，取余计算的结果可能相同，两个UWB定位基站将在同一时刻发送回复报文，造成报文冲突；

（2）参与测距的UWB定位基站数量不可控。对于一次UWB定位过程，参与测距的UWB定位基站数量在3-5个为宜，有利于提高算法解算效率和提升系统容量，这是UWB定位领域的从业人员所周知的。如果参与回复的UWB定位基站数量过多，反而会造成测距信息冗余；

（3）定位稳定性较差。标签周边往往有多个UWB定位基站，其中，距离标签较近或者视距的UWB定位基站具备较高的测距条件，遮挡较严重的UWB定位基站测距稳定性较差，如果上述测距结果混合在一起进行定位解算，算出的坐标值会有较大的跳动；

因此，在UWB定位技术领域，降低定位过程报文冲突、控制参与定位的UWB定位基站数量、提高参与定位的UWB定位基站质量，最终达到提高定位稳定性，成为了研究人员亟待解决的问题。

发明内容：

本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种基于UWB技术的跟随定位方法。

本发明所采用的技术方案有：

一种基于UWB技术的跟随定位方法，包括UWB定位标签、UWB定位基站和定位系统上位机，每个UWB定位基站对应配置独立的基站ID号和跟随基站列表，定位系统上位机用于设置各个UWB定位基站的基站ID号和跟随基站列表，并接收各个UWB定位基站发送的测距信息并计算出UWB定位标签的坐标位置，所述跟随定位方法包括：

UWB定位基站中跟随基站列表的形成过程，UWB定位基站的跟随基站列表至少包括3个基站ID号，且首个基站ID号为当前UWB定位基站的基站ID号，其余的基站ID号根据周边距离视距最近的两个及以上UWB定位基站进行选择；

UWB定位标签的探测过程，UWB定位标签以广播的方式发送探测报文并记录发送时间戳，各区域内的UWB定位基站根据自身的基站ID号进行延时回复，回复报文内容包含对应UWB定位基站接收时间戳、发送时间戳和跟随基站列表；UWB定位标签收到各个UWB定位基站的回复报文并记录时间戳，然后使用单边双向测距法计算UWB定位标签和各个UWB定位基站之间的距离，保存距离最近的UWB定位基站所属的跟随基站列表，完成探测过程，如果空间范围内没有UWB定位基站的回复，则进行休眠，休眠时间不超过30秒，待休眠唤醒后继续进行探测；

UWB定位标签的定位过程，UWB定位标签以广播的方式发送测距起始报文，所述测距起始报文包含了所述探测过程中保存的跟随基站列表，UWB定位标签附近的UWB定位基站收到报文后检查自身基站ID号是否在跟随基站列表中，如果自身基站ID号在跟随基站列表的第M个位置，则进行延时发送，延时时间为A+M*B；如果自身基站ID号不在跟随基站列表，则不回复，UWB定位标签收到全部回复后发送结束报文；结束报文发送后，UWB定位标签再次使用单边双向测距法计算UWB定位标签和各个UWB定位基站之间的距离，找出与UWB定位标签距离最近的UWB定位基站，并使用所述最近UWB定位基站中所属的跟随基站列表作为下次测距起始报文的内容，所述的最近UWB定位基站使用双边双向测距法计算与UWB定位标签之间的精确距离，并将计算的距离上传给定位系统上位机。

本发明的进一步设计在于：所述跟随基站列表的形成过程中，对于互相连通的区域K和区域J，在区域K与J的连通位置，位于区域K内的UWB定位基站至少选取1台区域J内的UWB定位基站的基站ID号并形成跟随基站列表，位于区域J内的UWB定位基站至少选取1台区域K内的UWB定位基站的基站ID号并形成跟随基站列表；对于互相隔绝的区域K和区域J，位于任一区域内的UWB定位基站的跟随基站列表不出现对方区域的基站ID号。

本发明的进一步设计在于：所述UWB定位基站的基站ID号在空间上呈现顺序布置，相邻UWB定位基站的基站ID号，经过余数计算后，数值不能相同。

本发明的进一步设计在于：所述UWB定位标签的探测过程中延时回复的延时时间根据UWB定位基站的基站ID号采用余数筛选法计算，设置余数限定值为N，基础延时时间为A，增量延时时间为B，当(ID%N) < N/2时，则延时A+(ID%N)*B后发送回复报文，当(ID%N) >=N/2时，该UWB定位基站不回复。

本发明的进一步设计在于：所述余数筛选法为：当余数限定值N设置为10，则基站ID号0、1、2、3、4的延时时间分别为A、A+B、A+2*B、A+3*B、A+4*B，延时完成后发送回复报文；基站ID号5-9不回复，即不参与探测过程；特别地，ID号为0-4的延时时间和ID号为10-14的延时时间相等，以此类推。

本发明具有如下有益效果：

1）定位稳定性较高。在标签探测过程，通过设置基站ID号，可以控制特定UWB定位基站参与回复，UWB定位标签获取最近UWB定位基站的跟随基站列表进行下次定位；在UWB定位标签定位过程，通过设置每个UWB定位基站对应的跟随基站列表，可以优选周边测距条件较好的UWB定位基站参与标签定位；可见，全过程参与测距的UWB定位基站数量和质量可控，定位稳定性相对较高；

2）报文冲突概率较低，系统容量更大。基于跟随基站列表的方法进行延时回复，对应数量的UWB定位基站按次序发送回复报文，有效降低了报文冲突；单次定位过程简洁有序，整个系统可以容纳更多的标签同时工作；

3）区域过渡和隔离效果好。本发明使用的跟随基站列表方法，在区域连通位置互相配置跟随基站，有利于标签顺利完成区域过渡；对于非关联区域，互相不设置跟随基站，保证参与定位基站和标签在同一区域，避免轨迹在区域间跳动。

附图说明：

图1为本发明的探测过程示意图；

图2为本发明的定位过程工作流程示意图；

图3为本发明的定位过程示意图；

图4为本发明的跟随基站列表变换示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明一种基于UWB技术的跟随定位方法，包括UWB定位标签、UWB定位基站和定位系统上位机，每个UWB定位基站对应配置独立的基站ID号和跟随基站列表，定位系统上位机用于设置各个UWB定位基站的基站ID号和跟随基站列表，并接收各个UWB定位基站发送的测距信息并计算出UWB定位标签的坐标位置。

本发明的跟随定位方法包括：UWB定位基站中跟随基站列表的形成过程、UWB定位标签的探测过程以及UWB定位标签的定位过程。

UWB定位基站中跟随基站列表的形成过程为：UWB定位基站的跟随基站列表至少包括3个基站ID号，且首个基站ID号为当前UWB定位基站的基站ID号，其余的基站ID号根据周边距离视距最近的两个及以上UWB定位基站进行选择；

跟随基站列表的形成过程中，对于互相连通的区域K和区域J，在区域K与J的连通位置，位于区域K内的UWB定位基站至少选取1台区域J内的UWB定位基站的基站ID号并形成跟随基站列表，位于区域J内的UWB定位基站至少选取1台区域K内的UWB定位基站的基站ID号并形成跟随基站列表；对于互相隔绝的区域K和区域J，位于任一区域内的UWB定位基站的跟随基站列表不出现对方区域的基站ID号。

UWB定位标签的探测过程为：UWB定位标签以广播的方式发送探测报文并记录发送时间戳，各区域内的UWB定位基站根据自身的基站ID号进行延时回复，回复报文内容包含对应UWB定位基站接收时间戳、发送时间戳和跟随基站列表；UWB定位标签收到各个UWB定位基站的回复报文并记录时间戳，然后使用单边双向测距法计算UWB定位标签和各个UWB定位基站之间的距离，保存距离最近的UWB定位基站所属的跟随基站列表，完成探测过程，如果空间范围内没有UWB定位基站的回复，则进行休眠，休眠时间不超过30秒，待休眠唤醒后继续进行探测。

UWB定位标签的定位过程为：UWB定位标签以广播的方式发送测距起始报文，所述测距起始报文包含了所述探测过程中保存的跟随基站列表，UWB定位标签附近的UWB定位基站收到报文后检查自身基站ID号是否在跟随基站列表中，如果自身基站ID号在跟随基站列表的第M个位置，则进行延时发送，延时时间为A+M*B；如果自身基站ID号不在跟随基站列表，则不回复，UWB定位标签收到全部回复后发送结束报文；结束报文发送后，UWB定位标签再次使用单边双向测距法计算UWB定位标签和各个UWB定位基站之间的距离，找出与UWB定位标签距离最近的UWB定位基站，并使用所述最近UWB定位基站中所属的跟随基站列表作为下次测距起始报文的内容，所述的最近UWB定位基站使用双边双向测距法计算与UWB定位标签之间的精确距离，并将计算的距离上传给定位系统上位机。

如图1至图4所示，以下结合具体实施例对本发明进行详细描述：

本发明包括UWB定位标签和多个UWB定位基站，所有UWB定位基站通过以太网与定位系统上位机连接。

每个UWB定位基站配置有独立的基站ID号和独立的跟随基站列表，例如在图1所示，UWB定位基站的ID号配置为0、11、2、13、4、5、6。如图2所示，基站ID号为0的UWB定位基站，其跟随基站列表为：0、11、2、5。如图4所示，ID为11的UWB定位基站，其跟随基站列表为：11、2、13、5，其余UWB定位基站也都配置了跟随基站列表。

需要说明的是，跟随基站列表首位基站ID号为当前UWB定位基站，总的跟随UWB定位基站个数至少为3个，本实施实例使用4个跟随UWB定位基站进行描述。

本实施实例设置余数限定值N为10，根据本发明所述的方法，UWB定位基站的ID对10取余数之后，如果值为0-4，则UWB定位基站参与探测回复，如果值为5-9则UWB定位基站不参与测距回复。

如图1所示，在探测过程中，UWB定位标签开机或者休眠唤醒后发送探测广播报文，由于UWB信号覆盖半径能达到百米以上，假设图中全部UWB定位基站都收到了标签发出的广播报文。UWB定位基站根据基站ID号对余数限定值10做取余计算，得到余数。

由于基站ID号为：0、11、2、13、4、5、6，取余结果为：0、1、2、3、4、5、6；那么基站ID号为0、11、2、13、4的UWB定位基站将会延时并回复。基础延时时间为A设置为0.5毫秒，增量延时时间B设置为0.5毫秒，根据(ID%N)*B来计算，上述UWB定位基站延时时间分别为0.5、1、1.5、2、2.5毫秒。

经过上述延时后UWB定位基站进行回复，回复报文内容包含了上次接收到标签报文的时间戳以及本次发送的时间戳，UWB定位标签接收全部的报文后，使用单边双向测距法(SS-TWR)计算UWB定位标签和各个UWB定位基站的距离，分别为L0、L11、L2、L13、L4；由于L0最小，即标签距离ID为0的UWB定位基站最近，因此UWB定位标签保存了该UWB定位基站的跟随基站列表：0、11、2、5。

探测过程结束，UWB定位标签将会周期性地测距定位过程，除非周边环境异常导致没有UWB定位基站回复，才会重新进入探测过程；如果连续探测40次均没有UWB定位基站回复，标签休眠2分钟后再开始探测。

如图2所示，在定位过程，可以分为3个阶段：

第1阶段，UWB定位标签以广播方式发送测距起始报文，附近的UWB定位基站均收到了该报文，该报文内容包含了上次保存的跟随基站列表：0、11、2、5，相当于指定了参与测距的UWB定位基站ID；发送完成后标签转换为接收状态；

第2阶段，UWB定位基站进行ID号检查，以便确定自己的ID号位于UWB定位基站跟随列表的位置，如果在列表中，则根据公式：延时时间 = 基础延时时间为A + (增量延时时间B * ID在列表的位置)，计算对应的延时时间。

于是ID号为0、11、2、5的UWB定位基站，其ID号在列表的位置分别是0、1、2、3，属于参与测距UWB定位基站，由于A和B在本实施实例设置为0.5毫秒，因此上述UWB定位基站的延时时间分别为0.5、1、1.5、2毫秒，其回复报文中包含了上次接收到标签报文的时间戳、本次发送的时间戳和本UWB定位基站的UWB定位基站跟随列表。

基站ID号为4、5、6、13的UWB定位基站，虽然也收到了标签的测距起始报文，但是由于ID号不在UWB定位基站跟随列表中，所以不进行回复，继续保持接收状态；标签接收上述UWB定位基站的回复报文，并临时存放所有时间戳信息和所有跟随基站列表。

第3阶段，UWB定位标签发送测距结束报文，报文内容包含了3种时间戳和跟随基站列表，3种时间戳即第1阶段发送的起始报文的时间戳、第2阶段接收回复报文的所有时间戳和本阶段发送的结束报文的时间戳。

附近的UWB定位基站收到报文并进行解析，ID号为0、11、2、5的UWB定位基站在UWB定位基站跟随列表中，是参与测距UWB定位基站，由于UWB定位基站已经保存了另外3种时间戳，即接收起始报文的时间戳、发送回复报文的时间戳和接收结束报文的时间戳，这样UWB定位基站一共有了6种时间戳，可以使用双边双向测距法(SDS-TWR)计算和标签的精确距离，并使用UDP报文上传给定位系统上位机。

标签保存了4种时间戳、即标签发送起始报文时间戳、UWB定位基站接收起始报文时间戳、UWB定位基站发送回复报文时间戳和标签接收报文时间戳，可以使用单边双向测距法(SS-TWR)计算标签和各个UWB定位基站的距离，距离为图3中的L0、L11、L2、L5，由于L0最小，即标签距离ID为0的UWB定位基站最近，标签使用该UWB定位基站的跟随基站列表作为下次定位起始报文的报文内容。

如图3所示的标签移动方向，随着标签逐步移动，并且标签周期性地和周边UWB定位基站进行测距定位。当UWB定位标签移动到图4的位置，由于UWB定位标签距离ID为11的UWB定位基站最近，将会使用其UWB定位基站跟随列表，即11、2、13、5作为下一次的参与测距UWB定位基站。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于UWB技术的跟随定位方法，包括UWB定位标签、UWB定位基站和定位系统上位机，每个UWB定位基站对应配置独立的基站ID号和跟随基站列表，定位系统上位机用于设置各个UWB定位基站的基站ID号和跟随基站列表，并接收各个UWB定位基站发送的测距信息并计算出UWB定位标签的坐标位置，其特征在于：所述跟随定位方法包括：

UWB定位基站中跟随基站列表的形成过程，UWB定位基站的跟随基站列表至少包括3个基站ID号，且首个基站ID号为当前UWB定位基站的基站ID号，其余的基站ID号根据周边距离视距最近的两个及以上UWB定位基站进行选择；

UWB定位标签的探测过程，UWB定位标签以广播的方式发送探测报文并记录发送时间戳，各区域内的UWB定位基站根据自身的基站ID号进行延时回复，回复报文内容包含对应UWB定位基站接收时间戳、发送时间戳和跟随基站列表；UWB定位标签收到各个UWB定位基站的回复报文并记录时间戳，然后使用单边双向测距法计算UWB定位标签和各个UWB定位基站之间的距离，保存距离最近的UWB定位基站所属的跟随基站列表，完成探测过程，如果空间范围内没有UWB定位基站的回复，则进行休眠，休眠时间不超过30秒，待休眠唤醒后继续进行探测；

UWB定位标签的定位过程，UWB定位标签以广播的方式发送测距起始报文，所述测距起始报文包含了所述探测过程中保存的跟随基站列表，UWB定位标签附近的UWB定位基站收到报文后检查自身基站ID号是否在跟随基站列表中，如果自身基站ID号在跟随基站列表的第M个位置，则进行延时发送，延时时间为A+M*B；如果自身基站ID号不在跟随基站列表，则不回复，UWB定位标签收到全部回复后发送结束报文；结束报文发送后，UWB定位标签再次使用单边双向测距法计算UWB定位标签和各个UWB定位基站之间的距离，找出与UWB定位标签距离最近的UWB定位基站，并使用所述最近UWB定位基站中所属的跟随基站列表作为下次测距起始报文的内容，所述的最近UWB定位基站使用双边双向测距法计算与UWB定位标签之间的精确距离，并将计算的距离上传给定位系统上位机；

所述UWB定位基站的基站ID号在空间上呈现顺序布置，相邻UWB定位基站的基站ID号，经过余数计算后，数值不能相同；

所述UWB定位标签的探测过程中延时回复的延时时间根据UWB定位基站的基站ID号采用余数筛选法计算，设置余数限定值为N，基础延时时间为A，增量延时时间为B，当(ID%N) <N/2时，则延时A+(ID%N)*B后发送回复报文，当(ID%N) >= N/2时，该UWB定位基站不回复。

2.如权利要求1所述的基于UWB技术的跟随定位方法，其特征在于：所述跟随基站列表的形成过程中，对于互相连通的区域K和区域J，在区域K与J的连通位置，位于区域K内的UWB定位基站至少选取1台区域J内的UWB定位基站的基站ID号并形成跟随基站列表，位于区域J内的UWB定位基站至少选取1台区域K内的UWB定位基站的基站ID号并形成跟随基站列表；对于互相隔绝的区域K和区域J，位于任一区域内的UWB定位基站的跟随基站列表不出现对方区域的基站ID号。

Images