CN110658515A - 一种基于uwb单基站的多用户imu定位对齐方法 - Google Patents

一种基于uwb单基站的多用户imu定位对齐方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110658515A
CN110658515A CN201810676375.8A CN201810676375A CN110658515A CN 110658515 A CN110658515 A CN 110658515A CN 201810676375 A CN201810676375 A CN 201810676375A CN 110658515 A CN110658515 A CN 110658515A
Authority
CN
China
Prior art keywords
base station
uwb
coordinate system
positioning
inertial navigation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810676375.8A
Other languages
English (en)
Inventor
卢敏
唐珂
肖登坤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Jin Kun Kechuang Technology Co Ltd
Original Assignee
Beijing Jin Kun Kechuang Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Jin Kun Kechuang Technology Co Ltd filed Critical Beijing Jin Kun Kechuang Technology Co Ltd
Priority to CN201810676375.8A priority Critical patent/CN110658515A/zh
Publication of CN110658515A publication Critical patent/CN110658515A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S11/00—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation
    • G01S11/02—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • G01C21/18—Stabilised platforms, e.g. by gyroscope
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/20—Instruments for performing navigational calculations

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于UWB单基站的多用户IMU定位坐标对齐方法。本方法只布设1台带有多天线的UWB基站，每个待测目标通过携带具有UWB模块和惯导模块的定位标签在基站作用区域移动一定距离，即可自动完成将个体的惯导定位坐标统一对齐到同一个导航坐标系中，以便系统对多个用户的统一管理和显示。本方法具有简单易操作、部署设备少、对齐时间短等优点。

Description

一种基于UWB单基站的多用户IMU定位对齐方法
技术领域
本发明涉及室内定位领域，特别是一种结合UWB和IMU位融合的方案。
背景技术
IMU定位是一种以加速度计和陀螺仪为核心测量单元的航迹推算(相对定位)方法，即给定一个初始的位置和方向，待测目标根据连续测得的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置。而对于多用户的惯导定位系统而言，如何给定惯导定位的初始位置和方向具有重要的现实意义，主要有以下2个问题需要考虑：(1)每个待测目标的初始位置和方向需要在同一个导航坐标系下给出，以便于统一管理和显示；(2)采用自动或半自动化的初始方法，简化用户的操作步骤，以提高用户体验。
针对以上问题，在室外环境下，惯导定位通常与卫星定位结合自动给出初始经纬度坐标，并采用“东北天”作为统一的导航坐标系；而室内环境相对灵活，可借助WiFi、蓝牙、UWB等无线信号的节点位置部署定义统一的导航坐标系，并自动给出初始坐标。与其他几种无线技术相比，UWB(超宽带)技术通过利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，能够良好对抗室内环境下的无线传输多径效应，实现厘米级的定位精度。此外，利用多天线技术，单个UWB基站与标签之间还可以同时进行精准的相对角度测量。
发明内容
本发明公开了一种基于UWB单基站的多用户IMU定位坐标对齐方法。本方法只布设1台带有多天线的UWB基站，每个待测目标通过携带具有UWB模块和惯导模块的定位标签在基站作用区域移动一定距离，即可自动完成将个体的惯导定位坐标统一对齐到同一个导航坐标系中，以便系统对多个用户的统一管理和显示。本方法具有简单易操作、部署设备少、对齐时间短等优点。
本发明包括以下内容：
步骤01：在待定位区域选择合适位置部署单台UWB基站，并建立多用户统一的导航坐标系。
步骤02：待测目标携带具有UWB模块和惯导模块的定位标签进入UWB基站的作用区域，正常移动一定距离。
步骤03：记录该时间段内的IMU定位设备辅出的惯导坐标系下的定位数据，记为i＝1，L，N1。其中，N1为惯导定位坐标采样次数，Ti IMU为IMU定位时间戳参数，
Figure BSA0000166113320000013
和Yi IMU分别是惯导坐标系下的水平坐标值。
步骤04：记录该时间段内的UWB基站与标签之间的测距和测向数据，记为
Figure BSA0000166113320000015
j＝1，L，N2。其中，N2为UWB测向测距次数，为UWB测量时间戳参数，
Figure BSA0000166113320000017
和分别是UWB测量的相对距离和方向值
步骤05：根据
Figure BSA0000166113320000019
和
Figure BSA00001661133200000110
建立与该待测目标的惯导坐标系至导航坐标系的刚性变换参数相关的误差函数或相似度函数
Figure BSA00001661133200000112
其中，R为2×2的旋转矩阵，满足RTR＝I；
Figure BSA00001661133200000113
为2×1的平移向量。
步骤06：找到使得误差函数e最小，或相似度函数s最大的R和
Figure BSA00001661133200000114
记为RM和
Figure BSA00001661133200000115
步骤07：后续待测目标的IMU定位坐标按以下公式修正至导航坐标系中：
Figure BSA0000166113320000021
附图说明
图1是基于UWB单基站的多用户IMU定位坐标对齐方法的示意图。
具体实施例
如图1所示，定义导航坐标系为：以所布置的UWB基站位置作为原点，以该基站多天线测向0度方向为正Y方向，水平向右转90度为正X方向。
待测目标携带具有UWB模块和IMU模块的定位标签进入UWB基站的作用区域，记下时间为T1；在该区域内进行移动，待累加距离大于阈值d时，记下时间为T2。
获取[T1，T2]时间段内的IMU输出的定位数据
Figure BSA0000166113320000022
i＝1，L，N1，和UWB基站与标签之间的测距测向数据，记为
Figure BSA0000166113320000023
j＝1，L，N2。
按以下步骤建立误差函数e：
(1)将UWB测量数据按以下公式转换为导航坐标系下的坐标数据
Figure BSA0000166113320000025
Figure BSA0000166113320000026
(2)将
Figure BSA0000166113320000027
根据IMU定位数据的采样时间{Ti IMU}进行对齐，得到新的坐标
Figure BSA0000166113320000029
对齐方法采用以下线性线性插值方法：
其中，权重αi定义如下：
Figure BSA00001661133200000211
时间戳参数满足：
Figure BSA00001661133200000212
(3)根据和
Figure BSA00001661133200000214
建立以下误差函数：
Figure BSA00001661133200000215
其中，R为2×2的旋转矩阵，满足RTR＝I；
Figure BSA0000166113320000031
为2×1的向量。
利用最小二乘算法计算使得
Figure BSA0000166113320000032
最小的R和
Figure BSA0000166113320000033
记为RM和此后该待测目标的IMU定位坐标按以下公式修正至导航坐标系中：
Figure BSA0000166113320000035

Claims (5)

1.一种基于UWB单基站的多用户IMU定位坐标对齐方法，其特征在于：在待定位区域选择合适位置只布设1台具有多天线的UWB基站，建立多用户统一的导航坐标系；待测目标通过携带具有UWB模块和惯导模块的定位标签在该基站作用范围移动一定距离；根据该段距离内由惯导模块得到的水平定位坐标序列和由UWB模块得到的相对距离和角度测量序列，自动完成将个体的惯导定位坐标统一对齐到同一个导航坐标系。
2.根据权利要求1所述的多用户IMU定位坐标对齐方法，其特征在于：根据待测目标由惯导模块得到的水平定位坐标序列和由UWB模块得到的相对距离和角度测量序列，建立与每个待测目标的惯导坐标系到导航坐标系的刚性变换参数相关的误差函数(或相似度函数)；找到使得误差函数最小(或相似度函数最大)的最佳刚性变换参数；根据最佳变换参数刚性变换参数，对每个待测目标的惯导模块得到的水平定位数据校正至导航坐标系中。
3.根据权利要求1所述的导航坐标系，是系统软件用于对多个用户定位数据统一显示和管理所使用的坐标系。包括但不限于以所布置的UWB基站位置作为原点，以该基站多天线水平测向0度方向为正Y方向，水平右转90度为正X方向。
4.根据权利要求2所述的刚性变换参数，是表示对坐标进行位置平移和方向改变，但移动轨迹形状不改变的参数，包括但不限于三维刚性变换矩阵，或二维旋转矩阵和平移向量，或旋转角和平移向量。
5.根据权利要求2所述的建立与每个待测目标的惯导坐标系到导航坐标系的刚性变换参数相关的误差函数(或相似度函数)，优选地可以先对数据序列进行时间对齐，包括但不限于插值或重采样方法。
CN201810676375.8A 2018-06-28 2018-06-28 一种基于uwb单基站的多用户imu定位对齐方法 Pending CN110658515A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810676375.8A CN110658515A (zh) 2018-06-28 2018-06-28 一种基于uwb单基站的多用户imu定位对齐方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810676375.8A CN110658515A (zh) 2018-06-28 2018-06-28 一种基于uwb单基站的多用户imu定位对齐方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110658515A true CN110658515A (zh) 2020-01-07

Family

ID=69026250

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810676375.8A Pending CN110658515A (zh) 2018-06-28 2018-06-28 一种基于uwb单基站的多用户imu定位对齐方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110658515A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022151794A1 (zh) * 2021-01-15 2022-07-21 珠海一微半导体股份有限公司 基于无线测距传感器的移动机器人定位方法、系统及芯片
TWI781655B (zh) * 2021-06-15 2022-10-21 恆準定位股份有限公司 結合圖資之超寬頻定位系統
CN115375754A (zh) * 2022-10-21 2022-11-22 中信梧桐港供应链管理有限公司 一种堆场体积探测方法及装置

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101832775A (zh) * 2010-05-26 2010-09-15 南京信息工程大学 深海作业水下航行器组合导航系统及水下初始对准方法
US20110178708A1 (en) * 2010-01-18 2011-07-21 Qualcomm Incorporated Using object to align and calibrate inertial navigation system
EP2472226A2 (en) * 2010-12-30 2012-07-04 Honeywell International Inc. Building map generation using location and tracking data
CN102721417A (zh) * 2011-12-23 2012-10-10 北京理工大学 一种捷联惯性导航系统凝固惯性系粗对准误差抑制方法
CN105509739A (zh) * 2016-02-04 2016-04-20 济南大学 采用固定区间crts平滑的ins/uwb紧组合导航系统及方法
CN105930819A (zh) * 2016-05-06 2016-09-07 西安交通大学 基于单目视觉和gps组合导航系统的实时城区交通灯识别系统
CN106482749A (zh) * 2016-12-07 2017-03-08 西北工业大学 基于逆向导航算法的捷联惯导与转速计组合对准方法
CN107300385A (zh) * 2017-08-25 2017-10-27 上海瀚界科技发展有限公司 基于uwb测距的惯导定位系统

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110178708A1 (en) * 2010-01-18 2011-07-21 Qualcomm Incorporated Using object to align and calibrate inertial navigation system
CN101832775A (zh) * 2010-05-26 2010-09-15 南京信息工程大学 深海作业水下航行器组合导航系统及水下初始对准方法
EP2472226A2 (en) * 2010-12-30 2012-07-04 Honeywell International Inc. Building map generation using location and tracking data
CN102721417A (zh) * 2011-12-23 2012-10-10 北京理工大学 一种捷联惯性导航系统凝固惯性系粗对准误差抑制方法
CN105509739A (zh) * 2016-02-04 2016-04-20 济南大学 采用固定区间crts平滑的ins/uwb紧组合导航系统及方法
CN105930819A (zh) * 2016-05-06 2016-09-07 西安交通大学 基于单目视觉和gps组合导航系统的实时城区交通灯识别系统
CN106482749A (zh) * 2016-12-07 2017-03-08 西北工业大学 基于逆向导航算法的捷联惯导与转速计组合对准方法
CN107300385A (zh) * 2017-08-25 2017-10-27 上海瀚界科技发展有限公司 基于uwb测距的惯导定位系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
RAN LIU; CHAU YUEN; TRI-NHUT DO; DEWEI JIAO; XIANG LIU; U-XUAN T: "《Cooperative relative positioning of mobile users by fusing IMU inertial and UWB ranging information》", 《2017 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON ROBOTICS AND AUTOMATION (ICRA)》 *
王加芳: "《GPS/Visual/INS多传感器融合导航算法的研究》", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022151794A1 (zh) * 2021-01-15 2022-07-21 珠海一微半导体股份有限公司 基于无线测距传感器的移动机器人定位方法、系统及芯片
TWI781655B (zh) * 2021-06-15 2022-10-21 恆準定位股份有限公司 結合圖資之超寬頻定位系統
CN115375754A (zh) * 2022-10-21 2022-11-22 中信梧桐港供应链管理有限公司 一种堆场体积探测方法及装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20200141739A1 (en) Navigate, track, and position mobile devices in gps-denied or gps-inaccurate areas with automatic map generation
Shi et al. Anchor self-localization algorithm based on UWB ranging and inertial measurements
US20070282565A1 (en) Object locating in restricted environments using personal navigation
US20140171107A1 (en) System and method for wireless indoor localization based on inertial measurement unit and map information
CN105652306A (zh) 基于航迹推算的低成本北斗与mems紧耦合定位系统及方法
Zwirello et al. Sensor data fusion in UWB-supported inertial navigation systems for indoor navigation
CN112729301B (zh) 一种基于多源数据融合的室内定位方法
AU2010304863A1 (en) Improvements in or relating to tracking radio signal sources
WO2011146011A1 (en) Determining the geographic locaton of a portable electronic device
JP5742794B2 (ja) 慣性航法装置及びプログラム
CN109782289A (zh) 一种基于基线几何结构约束的水下航行器定位方法
CN110658515A (zh) 一种基于uwb单基站的多用户imu定位对齐方法
WO2020223689A1 (en) Wireless device localization
CN112304317B (zh) 一种基于室内多维度地磁特征的室内定位方法
JP6031402B2 (ja) 慣性航法システム、移動体端末、慣性航法装置、及びプログラム
CN109769206B (zh) 一种室内定位融合方法、装置、存储介质及终端设备
CN108871325B (zh) 一种基于两层扩展卡尔曼滤波的WiFi/MEMS组合室内定位方法
CN109241228A (zh) 一种多移动机器人协作同步定位与地图构建策略
US20120059621A1 (en) Method and device for localizing objects
CN104507097A (zh) 一种基于WiFi位置指纹的半监督训练方法
CN103760585A (zh) 一种适用林区的星-地结合定位方法
CN116567531A (zh) 基于粒子滤波算法的传感器融合室内定位方法及系统
CN115150748B (zh) 室内定位的方法、系统、电子设备和存储介质
CN109839613B (zh) 一种使用路径信息校准的射频定位方法和装置
Rypkema et al. Synchronous-clock range-angle relative acoustic navigation: A unified approach to multi-AUV localization, command, control and coordination

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20200107

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication