CN110806562A - 一种基于uwb的测距装置及其测距时序方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UWB的测距装置及其测距时序方法，所述测距装置包括若干定位基站和待定位的标签，其中定位基站和标签通过UWB通信交换时间戳信息；定位基站包括第一主控芯片、DWM1000模块、以太网模块和电源模块；标签包括第二主控芯片、DWM1000模块和电源模块；所述测距时序方法采用双边双向测距，标签在空间内移动时，会周期性的向空间内基站发送测距信号，此时基站将回应此信号进行测距确认，最后标签再发送最终信号以完成一次测距通信。本发明给出了一种基于UWB的具体测距时序方法，具有较高的鲁棒性，有效的减少了标签的能耗，提高定位精度。

Description

一种基于UWB的测距装置及其测距时序方法

技术领域

本发明涉及超宽带无线技术定位领域，尤其涉及一种基于UWB的测距装置及其测距时序方法。

背景技术

现在小区域内定位方式主要为RSSI(received signal strength indication)和TOF(time of flight)，它们都需要在区域内固定一些通讯节点，超声波、射频信号、红外线、蓝牙等无线讯号是节点间主要的通讯手段。其中红外与超声波受视距通讯的影响应用场景有限，蓝牙与WIFI等通讯单位时间内功率损耗高，且定位误差较大，因此以上方式均存在定位精度低，且容易受到干扰的缺点，定位稳定性难以适应室内应用的要求。而UWB技术相较于其它传统的通讯方式，具有穿透性强、功耗低、抗噪声能力强等优点，与此同时，UWB拥有较高的时间分辨率和对抵抗多路径有较强的能力。

现阶段国内外对于UWB的室内定位技术普遍在于对测距定位等算法的研究与改良，很少有测距的时序方案。

发明内容

发明目的：针对现有技术中测距时序方案不完善的缺点，本发明公开了一种基于UWB的测距装置及其测距时序方法，定位基站和标签通过UWB通信交换时间戳信息，测距时序方法采用双边双向测距方法，本发明具有较高的鲁棒性，有效的减少了标签的能耗，提高定位精度。

技术方案：本发明公开了一种基于UWB的测距装置，包括若干定位基站和待定位的标签，定位基站和标签通过UWB通信交换时间戳信息；定位基站包括第一主控芯片、DWM1000模块、以太网模块和电源模块，第一主控芯片分别与DWM1000模块、以太网模块连接，电源模块为第一主控芯片、DWM1000模块和以太网模块供电，定位基站用于维护同区域内其他定位基站的ID注册表，并周期性地向区域内发送ID注册表便于进入此区域的标签接收；标签包括第二主控芯片、DWM1000模块和电源模块，第二主控芯片与DWM1000模块相连，电源模块为第一主控芯片和DWM1000模块供电，标签接收所在区域内定位基站的ID注册表，并周期性地根据ID注册表中的ID依次向各定位基站发起通信。

优选地，所述第一主控芯片为STM32F407ZGT6，所述第二主控芯片为STM32F401。

优选地，所述定位基站分别安装于室内空间的四周且高度各不相同的位置。

一种基于UWB的测距装置的测距时序方法，所述测距时序方法采用双边双向测距，包括以下步骤：

步骤A1：标签根据搜寻阶段所获得的定位基站的ID注册表，向定位基站主动发送第一次测距消息，记录发送第一次测距时间戳，并打开接收；

步骤A2：处于监听状态的定位基站收到某标签的第一次测距消息，记录为收到第一次测距消息时间戳，接着向标签回复第一次回复消息和发送第一次回复消息时间戳，打开接收；

步骤A3：标签收到第一次回复消息，并记录该时间戳为收到第一次回复消息，将发送第一次测距时间戳、发送第一次回复消息时间戳、发送第二次测距时间戳填包进行第二次测距消息发送，然后进入下一等待周期；

步骤A4：定位基站收到第二次测距消息记录收到第二次测距消息时间戳，解包获得各个消息节点时间戳计算距离。

更进一步地，所述测距时序方法中定位基站接收时间戳的工作过程中定位基站时序为周期性进行，包括以下步骤：

步骤B1：定位基站上电，并开启第一定位基站定时器，此时定位基站处于ID注册表消息发送状态，定位基站向空间内发送ID注册表；

步骤B2：开启第二定位基站定时器，第二定位基站定时器用于确定定位基站接收空间内其他定位基站发送ID注册表的时常；

步骤B3：第二定位基站定时器定时期间，定位基站处于ID注册表消息等待状态；期间定位基站若收到其他定位基站的ID信息则添加并更新自己的ID注册表；

步骤B4：第二定位基站定时器到时后，定位基站进入测距消息等待接收状态，接收区域内标签的测距请求信息；

步骤B5：定位基站收到标签测距信息后向对应标签发送确认信号并开启第三定位基站定时器，第三定位基站定时器用于处理标签没有发送最终信号的异常情况，即定位基站没有收到标签最终确认信号时定位基站不发送消息；

步骤B6：在第三定位基站定时器的定时期间，定位基站收到标签最终确认信号则完成一次标签测距，并将距离上报；

步骤B7：第一定位基站定时器到时后重复步骤B1中的开启第一定位基站定时器。

更进一步地，所述测距时序方法中标签接收时间戳的工作过程包括以下步骤：

步骤C1：标签上电，并开启第一标签定时器和第二标签定时器，此时标签处于ID注册表消息等待状态，其中第一标签定时器用于标签整个周期时间的确定，第二标签定时器用于标签接收所进入的区域中定位基站发送的ID注册表；

步骤C2：标签在第二标签定时器定时期间内收到定位基站的ID注册表则在标签内部形成一个注册表用于后面阶段的测距；

步骤C3：标签在第二标签定时器超时后根据ID注册表中信息对定位基站依次测距；

步骤C4：当ID注册表中所有定位基站测距完成后进入休眠状态等待第一标签定时器超时。

更进一步地，所述测距时序方法中标签接收时间戳的工作过程中步骤C3包括以下步骤：

步骤C31：标签根据ID注册表中信息对第一位定位基站发送测距请求信息；

步骤C32：发送后开启第三标签定时器，所述第三标签定时器用于处理标签发送完消息后没有得到基站确认消息所产生的异常情况，即标签发送完消息后没有得到基站确认消息时不发送消息；

步骤C33：在第三标签定时器的定时期间，标签收到定位基站确认消息后向该定位基站发送最终确认信号，完成对该定位基站的一次测距；

步骤C34：标签根据ID注册表中信息对第一位定位基站发送测距请求信息，重复步骤C32至步骤C34，直至完成ID注册表中所有定位基站的测距。

有益效果：

1、第三定位基站定时器用于处理标签没有发送最终信号的异常情况，即定位基站没有收到标签最终确认信号时定位基站不发送消息；第三标签定时器用于处理标签发送完消息后没有得到基站确认消息所产生的异常情况，即标签发送完消息后没有得到基站确认消息时不发送消息；这两个定时器的使用使得本发明具有较高的鲁棒性，同时兼顾标签的功耗，可延长标签的待机寿命；

2、本发明通过标签与定位基站间通讯的特定时序方案，定位基站能高效率获得标签距离。

附图说明

图1为本发明的硬件结构图；

图2为本发明的UWB测距原理示意图；

图3为本发明的定位基站测距时序流程图；

图4为本发明的标签测距时序流程图。

具体实施方式

下面结合附图说明对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种基于UWB的测距装置，包括若干定位基站和待定位的标签，定位基站和标签通过UWB通信交换时间戳信息；其中定位基站分别安装于室内空间的四周且高度各不相同的位置。

定位基站包括第一主控芯片、DWM1000模块、以太网模块和电源模块，第一主控芯片分别与DWM1000模块、以太网模块连接，电源模块为第一主控芯片、DWM1000模块和以太网模块供电，定位基站用于维护同区域内其他定位基站的ID注册表，并周期性地向区域内发送ID注册表便于进入此区域的标签接收。第一主控芯片为STM32F407ZGT6。

标签包括第二主控芯片、DWM1000模块和电源模块，第二主控芯片与DWM1000模块相连，电源模块为第一主控芯片和DWM1000模块供电，标签接收所在区域内定位基站的ID注册表，并周期性地根据ID注册表中的ID依次向各定位基站发起通信。第二主控芯片为STM32F401。

如图2所示，定位基站时序为周期性进行，一个周期内定位基站首先开启第一定位基站定时器，该定时器用于定位基站周期性行为，即定位基站时序为150ms一个周期，此时定位基站处于ID注册表消息发送状态，定位基站向空间内发送注册信息，信息中包括自己的定位基站ID和自己注册表中已知的定位基站ID；其后开启第二定位基站定时器，该定时器用于确定定位基站接收空间内其他定位基站发送注册信息的时常，此时定位基站处于ID注册表消息等待状态，在此定时期间内若收到其他定位基站的注册信息则添加更新自己的注册表；第二定位基站定时器定时到后定位基站进入测距消息接收状态即RNG_WAIT状态接收区域内标签的测距请求信息，收到标签测距信息后向对应标签ID发送确认信号并开启第三定位基站定时器，该定时器用于标签没有发送最终信号的异常处理。在第三定位基站定时器的时间范围内定位基站收到标签最终确认信号则完成一次标签测距。在第一定位基站定时器的时间范围内周期的进行各标签的定位过程，直到第一定位基站定时器超时后重新进行此上流程。其中第一定位基站定时器定时周期为150ms，第二定位基站定时器定时周期为10ms，第三定位基站定时器定时周期为5ms。

如图3所示，标签的时序为周期的进行，一个周期内标签首先开启第一标签定时器和第二标签定时器，第一标签定时器用于标签整个周期时间的确定，第二标签定时器用于标签接收所进入的区域定位基站发送的注册，此时标签进入ID注册表消息等待状态。标签在第二标签定时器期间内收到定位基站的注册信号则在标签内部形成一个注册表用于后面阶段的测距。第二标签定时器超时后标签根据注册表中定位基站ID依次进行测距，首先标签向对应定位基站发送测距请求信息，发送后开启第三标签定时器。第三标签定时器用于处理标签发送完消息后没有得到定位基站确认消息所产生的异常，在第三标签定时器范围内收到定位基站确认消息后向对应定位基站发送最终确认信号以完成一次测距流程。当注册表中所有定位基站全部通信完成后进入休眠状态即SLEEP状态等待第一标签定时器超时。其中第一标签定时器定时周期为150ms，第二标签定时器定时周期为10ms，第三标签定时器定时周期为5ms。

其中定位基站与标签每次测距周期内包括三个阶段：注册、通信测距和休眠。

如图4所示，测距采用的是双边双向测距即DS-TWR算法，步骤如下：

Step1：标签根据搜寻阶段所获得的定位基站注册表，向定位基站发送第一次测距消息即rng消息并记录此时间戳rng_tx为发送第一次测距时间戳，打开接收；

Step2：处于监听状态的定位基站收到某标签的第一次测距消息即rng消息记录此时间戳rng_rx为收到第一次测距消息时间戳，接着向标签回复第一次回复消息即res消息，发送第一次回复消息时间戳为res_tx，打开接收；

Step3：标签收到res消息即第一次回复消息记录时间戳res_rx为收到第一次回复消息时间戳，将发送第一次测距时间戳rng_tx、发送第一次回复消息时间戳res_rx、发送第二次测距时间戳fin_tx填包进行fin消息即第二次测距消息发送，然后进入下一测距周期；

Step4：定位基站收到fin消息即第二次测距消息记录时间戳fin_rx为收到第二次测距消息时间戳，解包获得各个点时间戳计算距离。

从图4流程中可得式(1)(2)：

T_round1＝T_reply1+2T_prop (1)

T_round2＝T_reply2+2T_prop (2)

其中T_round1为标签向定位基站发送消息并收到定位基站回复的时间差，T_reply1为定位基站收到标签消息到回复标签信息的时间差，T_prop为信号飞行时间，T_round2为定位基站向标签发送消息并收到定位基站回复的时间差，T_reply2为标签收到基站回复消息到发送最终消息的时间差；

由式(1)(2)可推出式(3)(4)：

从式(3)(4)可推出最终信号飞行时间：

使用DS-TWR测距方式时钟引入的误差error为：

其中k_a和k_b分别是定位基站时钟、标签时钟的实际频率和预期频率的最大比值。

假设定位基站时钟M和标签时钟N的时钟精度是20ppm，其中1ppm为百万分之一，Ka和kb分别是定位基站时钟、标签时钟的实际频率和预期频率的最大比值，即硬件的时钟最大精度误差，k_a和k_b的取值都在0.99998和1.00002之间，现取极大值也就是0.99998或者1.00002，即k_a和k_b分别是0.99998或者1.00002，来计算测距误差。假如两个定位基站之间相对距离为10m，光速为3×10⁸m/s，UWB信号在空气中飞行时间即T_prop为

因此时钟引入的时间误差error计算公式为：

导致测距误差为66.6×10^-15×3×10⁸＝0.2mm。

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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于UWB的测距装置，其特征在于：包括若干定位基站和待定位的标签，定位基站和标签通过UWB通信交换时间戳信息；所述定位基站包括第一主控芯片、DWM1000模块、以太网模块和电源模块，第一主控芯片分别与DWM1000模块、以太网模块连接，电源模块为第一主控芯片、DWM1000模块和以太网模块供电；所述标签包括第二主控芯片、DWM1000模块和电源模块，第二主控芯片与DWM1000模块相连，电源模块为第一主控芯片和DWM1000模块供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于UWB的测距装置，其特征在于：所述第一主控芯片为STM32F407ZGT6，所述第二主控芯片为STM32F401。

3.根据权利要求1所述的一种基于UWB的测距装置，其特征在于：所述定位基站安装于室内空间的四周且高度各不相同的位置。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于UWB的测距装置的测距时序方法，其特征在于：所述测距时序方法采用双边双向测距，包括以下步骤：

步骤A1：标签根据搜寻阶段所获得的定位基站的ID注册表，向定位基站主动发送第一次测距消息，记录发送第一次测距时间戳，并打开接收；

步骤A2：处于监听状态的定位基站收到某标签的第一次测距消息，记录为收到第一次测距消息时间戳，接着向标签回复第一次回复消息和发送第一次回复消息时间戳，打开接收；

步骤A3：标签收到第一次回复消息，并记录该时间戳为收到第一次回复消息，将发送第一次测距时间戳、发送第一次回复消息时间戳、发送第二次测距时间戳填包进行第二次测距消息发送，然后进入下一等待周期；

步骤A4：定位基站收到第二次测距消息记录收到第二次测距消息时间戳，解包获得各个消息节点时间戳计算距离。

5.根据权利要求4所述的一种基于UWB的测距装置的测距时序方法，其特征在于：所述测距时序方法中定位基站接收时间戳的工作过程中定位基站时序为周期性进行，包括以下步骤：

步骤B1：定位基站上电，并开启第一定位基站定时器，此时定位基站处于ID注册表消息发送状态，定位基站向空间内发送ID注册表；

步骤B2：开启第二定位基站定时器；

步骤B3：第二定位基站定时器定时期间，定位基站处于ID注册表消息等待状态；期间定位基站若收到其他定位基站的ID信息则添加并更新自己的ID注册表；

步骤B4：第二定位基站定时器到时后，定位基站进入测距消息接收状态，接收区域内标签的测距请求信息；

步骤B5：定位基站收到标签测距信息后向对应标签发送确认信号并开启第三定位基站定时器；

步骤B6：在第三定位基站定时器的定时期间，定位基站收到标签最终确认信号则完成一次标签测距，并将距离上报；

步骤B7：第一定位基站定时器到时后重复步骤B1中的开启第一定位基站定时器。

6.根据权利要求4所述的一种基于UWB的测距装置的测距时序方法，其特征在于：所述测距时序方法中标签接收时间戳的工作过程包括以下步骤：

步骤C1：标签上电，并开启第一标签定时器和第二标签定时器，此时标签处于ID注册表消息等待状态；

步骤C2：标签在第二标签定时器定时期间内收到定位基站的ID注册表则在标签内部形成一个注册表用于后面阶段的测距；

步骤C3：标签在第二标签定时器超时后根据ID注册表中信息对定位基站依次测距；

步骤C4：当ID注册表中所有定位基站测距完成后进入休眠状态等待第一标签定时器超时。

7.根据权利要求6所述的一种基于UWB的测距装置的测距时序方法，其特征在于：所述测距时序方法中标签接收时间戳的工作过程中步骤C3包括以下步骤：

步骤C31：标签根据ID注册表中信息对第一位定位基站发送测距请求信息；

步骤C32：发送后开启第三标签定时器；

步骤C33：在第三标签定时器的定时期间，标签收到定位基站确认消息后向该定位基站发送最终确认信号，完成对该定位基站的一次测距；

步骤C34：标签根据ID注册表中信息对第一位定位基站发送测距请求信息，重复步骤C32至步骤C34，直至完成ID注册表中所有定位基站的测距。

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