CN110794364A - 一种uwb室内定位方法 - Google Patents

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Abstract

一种UWB室内定位系统，属于UWB定位领域。包括超宽带定位模块、微控制器、显示屏、无线串口通信模块、上位机；超宽带定位模块分为定位标签和基站，系统中至少有四个已知坐标的固定基站和一个定位标签；定位标签计算UWB信号的飞行时间，通过双边双向测距算法精确计算出标签到与各个基站之间的距离数据；微控制器通过串口接收标签测得的距离数据包，并求解出定位标签所在位置的坐标数据；显示器显示微控制器上计算出的实时坐标；若需远程监控，可通过无线串口把坐标数据发送给上位机，上位机接收、显示、保存位置坐标数据，并实时显示定位标签的移动轨迹。本发明消除设备之间时钟必须同步的困扰，同时降低时钟漂移的影响，实际应用广泛，定位精度较高。

Description

一种UWB室内定位方法
技术领域
本发明涉及UWB定位领域，具体设计一种UWB室内定位方法。
背景技术
随着定位技术的发展，特别是近年来对室内定位的巨大需求，涌现出一系列定位方法。目前常见的室内无线定位方法主要有Wi-Fi定位、蓝牙定位、超宽带定位、RFID定位、ZigBee 定位和超声波定位等。与传统的窄带系统相比，超宽带定位技术具有更强的穿透力、更广的覆盖范围、更低的系统复杂度、良好的抗多径效果、可达到较高的定位精度等显著优势，因此广泛应用于室内移动机器人的导航或定位中。
无线定位的准确度直接受测距精度的影响。常见的测距算法包括基于接收信号强度(RSS) 和基于到达时间(TOA)等。由于超宽带信号在频域上带宽极大，可以提供很高的时间分辨率，因此采用基于到达时间的测距方法。该方法主要是根据测量接收信号从标签到基站的时间差即信号的飞行时间(Time of Fight,TOF)，乘上电磁波的传播速度C来计算两节点之间的距离。因此，无线测距的关键是飞行时间的精确测量。常见的单程测距(One-WayRanging,OWR)要保证基站与标签之间时钟同步，而实际中由于晶振频率不精确，导致在初始时刻难以实现时钟完全同步。
发明内容
对以上技术问题，本发明提供了一种基于UWB的室内定位方法，提高定位的准确性。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案实现：
定位系统主要由超宽带定位模块、微控制器、无线串口通信模块、上位机组成。其中超宽带定位模块又分为定位标签和基站。标签与基站从物理结构上来讲一模一样，只是充当的角色不同，可以通过软件配置成为不同的角色。
一种UWB室内定位方法，其特征是：包括有以下步骤：
(a)上位机发送控制命令，通过无线串口通信模块传送给主控制器；
(b)主控制器通过串口模块向超宽带定位模块发送指令，超宽带定位系统通过双边双向测距算法测得UWB信号在定位标签与基站之间的飞行时间，然后乘以光速得到定位标签到基站之间的距离数据；
(c)定位标签把距离数据包通过串口模块传递给主控制器，主控制器判断并解析出定位标签到各个基站之间的距离值；
(d)主控制器通过三边定位算法得到定位标签的位置坐标数据,在显示器上显示出定位标签实时位置坐标，并通过无线串口模块把位置坐标传递给上位机；
(e)上位机软件接收、显示、保存位置坐标数据，并实时显示定位标签的移动轨迹。
进一步，作为优选技术方案，所述步骤(b)的具体过程为：
(b1)定位标签首先向各个基站发送消息轮询包，记录发送时间Poll_tx并进入接收模式；
(b2)基站接收到轮询包后记录接收时间poll_rx,延时一段时间后向标签回复响应包并记录发送时间answer_tx进入接收模式；
(b3)标签接收到返回消息后记录时间answer_rx，延时一段时间后向基站发送结束包并记录发送时间final_tx进入接收模式；
(b4)基站接收到结束包记录接收时间final_rx并发送报告包给标签，测距通信完成。
(b5)测距完成之后，通过双边双向测距公式：
Figure RE-GDA0002354217630000021
得到飞行时间之后在乘以光速得到定位基站到标签之间的距离值。
进一步，作为优选技术方案，定位方法其特征在于：所述定位标签和基站之间的测距采用双边双向测距算法得到与各个基站之间的距离数据，消除设备之间时钟必须同步的困扰，同时降低时钟漂移的影响。
进一步，作为优选技术方案，定位方法其特征在于：定位系统中定位标签和主控制器通过串口模块连接，保证两者之间的数据通信；系统中至少有四个已知坐标的固定基站和一个定位标签。
进一步，作为优选技术方案，定位方法其特征在于：该系统应用范围广泛，在定位环境中，既可以在现场通过显示屏直观的得知当前标签的位置坐标，也可以远程监控，通过上位机软件获得定位标签的位置信息。
附图说明
图1为本发明的实施例一种基于UWB室内定位系统的结构原理图。
图2为本发明的实施例一种基于UWB室内定位系统的定位标签和基站的结构原理示图。
图3为本发明的实施例一种基于UWB室内定位系统的双边双向测距算法原理示图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明作进一步地详细说明：
如图1所示：本发明实施例基于UWB室内定位装置及系统包括超宽带定位模块、微控制器、显示器、无线串口通信模块、上位机。其中超宽带定位模块又分为定位标签和基站。标签与基站从物理结构上来讲一模一样，只是充当的角色不同，可以通过软件配置成为不同的角色。其中超宽带定位模块又分为定位标签和基站。图中使用到的四个固定基站分别为基站 1、基站2、基站3、基站4。系统的信息流为：上位机发送控制命令，通过无线串口通信模块传送给微控制器，微控制器接收到命令后控制超宽带定位模块进行实时定位。连接在微控制器上的标签把接收到的与各个基站之间的距离数据通过串口通信传送给微控制器，微控制器对接收到的距离数据进行解算，确定定位标签的具体位置，在显示器上显示出定位标签实时位置坐标，并把定位数据通过无线串口模块实时的回传给上位机。上位机软件上显示出巡检机器人所在位置的坐标。
如图2所示：本发明定位标签和基站包括控制器、UWB信号收发器、电源模块、USB接口、串口模块、状态指示灯、天线。状态指示灯分为黄色和紫色指示灯。黄色指示灯为信号接收指示灯，若未收到信号，则常亮，收到则熄灭；紫色指示灯为信号发射指示灯，若发送失败，则常亮，发送成功则熄灭。USB接口可以用于USB供电，也可以连接上位机完成模块的配置和调试等；串口接口可进行供电，但主要用于将获得的测距数据发送至控制器完成数据传递。
如图3所示：本发明实施例一种基于UWB室内定位系统，标签和基站之间采用双边双向测距算法(Symmetric Double-sided Two-way ranging SDS-TWR)获得两者之间距离。其具体方法为：定位标签首先向各个基站发送消息轮询包，记录发送时间Poll_tx并进入接收模式；基站接收到轮询包后记录接收时间poll_rx,延时一段时间后向标签回复响应包并记录发送时间answer_tx进入接收模式；标签接收到返回消息后记录时间answer_rx，延时一段时间后向基站发送结束包并记录发送时间final_tx进入接收模式；基站接收到结束包记录接收时间 final_rx并发送报告包给标签，测距通信完成。测距完成之后，通过SDS-TWR测距公式：
得到飞行时间之后在乘以光速得到定位基站到标签之间的距离值。
定位标签通过双边双向测距算法得到标签到各个基站之间的距离值，把距离数据包通过串口模块传递给主控制器；主控制器接收并判断数据包是否有效。若数据无效，去除掉重新接收。若数据有效，即主控制器获得标签发送来的距离数据包，解算出标签到各个基站之间的距离数据，并通过三边定位算法得到定位标签的位置坐标数据,并通过无线串口模块把位置坐标传递给上位机，上位机软件接收、显示、保存位置坐标数据，并实时显示定位标签的移动轨迹。

Claims (5)

1.一种UWB室内定位方法，其特征是：包括有以下步骤：
(a)上位机发送控制命令，通过无线串口通信模块传送给主控制器；
(b)主控制器通过串口模块向超宽带定位模块发送指令，超宽带定位系统通过双边双向测距算法测距算法测得UWB信号在定位标签与基站之间的飞行时间，然后乘以光速得到定位标签到基站之间的距离数据；
(c)定位标签把距离数据包通过串口模块传递给主控制器，主控制器判断并解析出定位标签到各个基站之间的距离值；
(d)主控制器通过三边定位算法得到定位标签的位置坐标数据,在显示器上显示出定位标签实时位置坐标，并通过无线串口模块把位置坐标传递给上位机；
(e)上位机软件接收、显示、保存位置坐标数据，并实时显示定位标签的移动轨迹。
2.根据权利要求1所述的一种UWB室内定位方法，其特征在于：所述步骤(b)的具体过程为：
(b1)定位标签首先向各个基站发送消息轮询包，记录发送时间Poll_tx并进入接收模式；
(b2)基站接收到轮询包后记录接收时间poll_rx,延时一段时间后向标签回复响应包并记录发送时间answer_tx进入接收模式；
(b3)标签接收到返回消息后记录时间answer_rx，延时一段时间后向基站发送结束包并记录发送时间final_tx进入接收模式；
(b4)基站接收到结束包记录接收时间final_rx并发送报告包给标签，测距通信完成。
(b5)测距完成之后，通过双边双向测距公式：
得到飞行时间之后在乘以光速得到定位基站到标签之间的距离值。
3.根据权利要求1所述的一种UWB室内定位方法，其特征在于：所述定位标签和基站之间的测距采用双边双向测距算法得到与各个基站之间的距离数据，消除设备之间时钟必须同步的困扰，同时降低时钟漂移的影响。
4.根据权利要求1所述的一种UWB室内定位方法，其特征在于：定位系统中定位标签和主控制器通过串口模块连接，保证两者之间的数据通信；系统中至少有四个已知坐标的固定基站和一个定位标签。
5.根据权利要求1所述的一种UWB室内定位方法，其特征在于：该系统应用范围广泛，在定位环境中，既可以在现场通过显示屏直观的得知当前标签的位置坐标，也可以远程监控，通过上位机软件获得定位标签的位置信息。
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