CN110996281A - 一种基于tof的uwb基站时钟同步和标定的室内定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于TOF的UWB基站时钟同步和标定的室内定位方法，所有基站固定后，由标准基站分别广播路由信息、时钟调整包及测距包，标准基站广播范围内的基站接收路由信息后建立自身的路由信息并逐层传播；标准基站广播范围内的基站接收时钟更新数据包后向标准基站发送时钟数据包，标准基站计算时钟差后广播时钟调整包给广播范围内的基站。标准基站广播范围外的基站接收上级基站的时钟调整包完成时钟同步并逐层向下传播；各基站接收测距包后逐层向下广播并根据路由表向上级基站发送距离信息，上级基站接收后逐层向上发送最后到达标准基站；标准基站根据距离计算各个基站坐标。本发明可以解决室内定位基站时钟同步与坐标初始化问题。

Description

一种基于TOF的UWB基站时钟同步和标定的室内定位方法
技术领域
本发明涉及室内定位技术领域，具体涉及一种基于TOF的UWB基站时钟同步和标定的室内定位方法。
背景技术
无线电TODA(Time Difference of Arrival，到达时间差法)定位技术需要若干固定的UWB(Ultra Wide Band，超宽带)基站来确定待定位标签的位置，这些基站需要提前进行时钟同步，确保时间一致。在实际应用中，因为客观的环境限制或者测量仪器的限制，人工测量得出的基站距离存在一定的误差，基站与基站之间的时钟同步也无法人工调节实现，从而导致室内定位结果出现较大误差。为了减少误差，去除人工测距和时钟无法同步带来的影响，需要在基站安装完成后由设备自动进行时钟的同步及基站坐标的确定。然而现有方法不能解决上述问题，如果增加额外的设备对其进行定位和时间校对，除了会增加系统复杂度外，也会增加设备成本。为此，本发明提供一种基于TOF(Time of flight，飞行时间)的UWB基站时钟同步和标定的室内定位方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于TOF的UWB基站时钟同步和标定的室内定位方法，具体方案如下：
一种基于TOF的UWB基站时钟同步和标定的室内定位方法，包括以下步骤：
步骤一，i级基站向i+1级基站广播自身的路由信息，所述i+1级基站根据接收到的路由信息更新自身的路由表并向自身的下级基站广播自身的路由信息；i+1级基站以首先接收到的路由信息对应的i级基站作为上级基站；0≤i≤N，N为基站的级数；定义与计算机相连的基站为标准基站，将所述标准基站记为0级基站，此时i＝0；
步骤二，i级基站向i+1级基站广播自身的时钟更新数据包，所述i+1级基站接收所述时钟更新数据包后根据自身的路由表将时钟数据包广播给i级基站；i级基站根据所述时钟数据包计算得到时间差，然后i级基站向对应的i+1级基站广播包括所述时间差的时钟调整包；i+1级基站根据所述时钟调整包完成与i级基站的时钟同步；
步骤三，i级基站向i+1级基站广播测距包，i+1级基站根据所述测距包将自身的测距返回包根据路由信息返回给i级基站，将收到的测距包向下一级基站广播；所述标准基站根据接收到的测距返回包计算对应两个基站之间的距离；
步骤四，根据基站间的距离构建基站坐标系；
步骤五，在所述基站坐标系中对待定位标签进行定位。
基于上述，步骤一中，所述路由信息包括基站自身ID和路由更新编号；i+1级基站根据接收到的路由信息将自身路由表中下一跳的地址更新为最先接收到的i级基站的ID。
基于上述，步骤二中，所述时钟更新数据包包括基站自身ID、时钟同步编号和发送时钟更新数据包时的时间T1；所述时钟数据包包括基站自身ID、时钟同步编号、上级基站的ID、接收的时钟更新数据包中的时间T1和发送时钟数据包的时间T2；
所述时间差Δt1的计算公式为：
Figure BDA0002301175400000021
其中，T3为上级基站接收时钟数据包的时间。
基于上述，步骤三中，所述测距包包括基站自身ID和发送测距包时间；所述测距返回包包括路由表中下一跳基站ID、基站自身ID、接收的测距包中的原基站ID、接收测距包时间与测距包中发送测距包时间的差值Δt2；
D＝c*Δt2
其中D为对应两个基站之间的距离，c为光速。
基于上述，步骤四中，以标准基站A0作为原点，选取其余基站中的一个基站A1，设A1坐标为(D0,1，0)，D0,1为标准基站A0到A1的距离，则以A0为原点，A0A1为x轴构建坐标系，选取基站A2，通过余弦定理，计算A0A1与A0A2的角度θ；
Figure BDA0002301175400000031
其中D0,2为标准基站A0到A2的距离，D1,2为基站A1到A2的距离；计算得到A2的坐标为(D0,2×cosθ，D0,2×sinθ)；；计算得到至少四个基站的坐标，利用TDOA算法对待定位标签进行定位。
基于上述，步骤一中，所述i+1级基站接收所述路由信息后，比较路由信息中的路由更新编号与自身路由表中存储的路由更新编号是否一致，如果不一致则更新自身路由表中下一跳地址为路由信息中的基站自身ID，然后广播自身的路由信息；如果一致则丢弃接收的路由信息。
基于上述，步骤二中，所述i+1级基站接收所述时钟更新数据包后，判断所述时钟更新数据包中的时钟同步编号与自身路由表中存储的时钟同步编号是否一致，如果不一致则判断自身路由表中下一跳地址是否为所述时钟更新数据包中的基站自身ID，如果是则广播所述时钟数据包；
i级基站接收所述时钟数据包后，判断接收到的时钟数据包中的时钟同步编号与自身路由表中存储的时钟同步编号是否一致，并判断接收到的时钟数据包中的上级基站的ID与自身ID是否一致，如果均一致则计算所述时间差Δt1；
所述时钟调整包包括时钟同步编号、基站自身ID、发送时钟数据包的基站ID和时间差；i+1级基站接收到所述时钟调整包后，判断时钟调整包中的基站自身ID与自身路由表中存储的下一跳地址是否一致以及自身ID与时钟调整包中发送时钟数据包的基站ID是否一致，如果均一致则判断时钟调整包中时钟同步编号与自身路由表中存储的时钟同步编号是否一致，如果不一致则基站将所述时间差累加到本地时间以实现时钟同步。
基于上述，步骤三中，所述i+1级基站接收到所述测距包后，判断自身路由表中存储的下一跳地址是否为测距包中的基站自身ID，如果是则广播所述测距包和向上级基站发送自身的测距返回包；所述i级基站接收到其下级基站发送的测距返回包后，如果所述i级基站为标准基站，则上传测距返回包到主机，如果所述i级基站不是标准基站，则判断自身ID与接收到的测距返回包中路由表中下一跳基站ID是否一致，如果一致则将接收到的测距返回包中路由表中下一跳基站ID修改成自身路由表中存储的下一跳地址，然后将修改后的测距返回包与自身的测距返回包一起向上级基站返回。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
本发明首先通过标准基站广播信息，各个基站建立本基站的路由表；然后各个基站再以标准基站的时钟为标准，核对本基站的时钟，进行时钟同步；各个基站再将本基站与广播范围内的各个基站的距离上传到标准基站，从而得到整个定位系统的位置坐标。本发明在不增加任何硬件成本的基础上，利用各个基站的广播来进行基站的时钟同步和位置确定，减少了人工调参的成本和误差。本发明的方案节约成本，简单易行，且适用于室内环境较大，单个基站无法广播覆盖的情况。
附图说明
图1为本发明实例的室内定位方法流程图；
图2为本发明实例中建立路由表的演示图；
图3为本发明实例中建立路由表的流程图；
图4为本发明实例中时钟同步的时序图；
图5为本发明实例中时钟同步的流程图；
图6为本发明实例中位置测算的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，为本发明中基于TOF的UWB基站时钟同步和标定的室内定位方法的流程图，采用路由技术，并基于飞行时间测距法TOF进行基站时钟同步，通过位置测算来解决大规模室内定位基站的初始化问题。包括如下步骤：
步骤1，创建UWB基站的路由表，路由结构如图2所示。
定义与计算机相连的基站为标准基站，标准基站广播的信息由计算机控制发送，并且标准基站将所有基站的信息都传回计算机，计算机负责管理整个UWB定位系统，包括根据标准基站发送回来的数据计算最后的坐标。
基站广播距离的限制，有部分基站不在标准基站A0的广播范围内，因此需要建立路由表来进行广播范围外的基站通信。本实例中建立的路由结构为树形结构，以标准基站A0为根节点，以A0广播范围内的基站Ah为第一层叶节点(h取1和2，即对应图2中A1和A2)，Ah的路由表内存储根节点A0的基站ID、路由更新编号BID以及时钟同步编号SID。以Ah广播范围内的基站Ak为第二层叶节点(k取3至6，即对应图2中A3至A6)，Ak的路由表内存储根节点Ah的基站ID、路由更新编号BID以及时钟同步编号SID，其余基站以此类推，本实施例中的树形结构包括两层，一层即为一级，在其他实施例中可以根据实际情况将基站划分为多层(即多级)。
具体地，步骤1的实现方法如下：
步骤11，如图3所示，设定路由重建周期T。A0广播自身的路由信息，本实施例中路由信息以路由信息包的形式进行广播，路由信息包中的信息包括信息标识R、A0的基站ID及本次路由更新的路由更新编号BIDt。广播范围内的基站接收到路由信息后，会核对本地基站路由表中的路由更新编号BID和接收到的路由信息中的路由更新编号BIDt是否相同，如果不同则接收该路由信息并更新路由表中下一跳地址为A0的ID，如果相同则丢弃该路由信息。
步骤12，A0广播范围内的基站的路由表在更新完成后，会广播其自身的路由信息，以A1为例，基站A1的路由表在更新完成后，会广播其自身的路由信息，同在A0广播范围内的其余基站接收信息后，会因自身存储的路由更新编号BID与接收到的路由更新编号BIDt相同而丢弃该信息。在A0广播范围之外，在A1广播范围内的基站Ak会接收到该信息。若Ak同时接收A1、A2广播的信息，则选择最先接收到的路由信息，丢弃其余的路由信息，例如图2中A4位于A1和A2的广播范围内，则如果A4先接收到A1发送的路由信息，则A4的上级基站为A1。
步骤13，Ak完成更新后，继续向周围广播路由信息。所有接收到Ak广播信息的基站也会核实自己的路由信息，决定是否更新路由表。重复进行，最终可以覆盖到所有基站。为了防止基站不停发送路由信息，对每个基站更新完成后广播路由信息的次数进行限定。每个基站最多广播三次路由信息，每隔两到三天更新一次路由信息，防止因个别基站出现异常而导致以其为上级基站的固定基站大面积失效。
步骤2，时钟同步。
由标准基站广播时钟更新数据包，在标准基站广播范围内的基站接收到信息，并反馈给标准基站。标准基站计算时钟差反馈给广播范围内的基站。不在标准基站广播范围内的基站，根据建立的路由表，接收上级基站的时钟调整包完成时钟同步。
具体地，步骤2的实现方法如下：
步骤21，人工设定时钟同步的周期，避免因晶振频率偏移而导致的时钟误差。如图4和图5所示，A0广播时钟更新数据包，时钟更新数据包的内容包括包名T、A0基站的ID、时钟同步编号SIDt和发包时间戳T1。
步骤22，Ah接收到包后，会核对包中时钟同步编号SIDt与本基站路由表中存储的时钟同步编号SID是否一致，一致则说明本基站已经进行过时钟同步，丢弃该包。不一致则说明本基站未进行过时钟同步则进行下一步判定。核对本基站路由表中下一跳地址与接收包中基站ID是否一致，不一致说明发包基站不是本基站的上级基站，丢弃该包。一致则需要接收该包并返回时钟数据包。时钟数据包包含包名TB、时钟同步编号SIDt、上级基站ID、接收到的时钟更新包中的时间戳T1、本基站Ah的ID以及发送该包的时间戳T2。
步骤23，A0接收时钟数据包后，首先核对包中SIDt与本基站路由表中存储的时钟同步编号SID是否一致，包中上级基站是否为本基站。核对一致后，接收该包并记录接收时间戳T3。利用以下公式计算时钟差Δt1。
Figure BDA0002301175400000061
步骤24，A0计算完成后，广播时钟调整包。时钟调整包中包括包名TD、时钟同步编号SIDt、A0基站ID、接收的时钟数据包中基站Ah的ID以及计算好的时钟差Δt1。
Ah接收到时钟调整包后，核对包中A0基站ID与本基站路由表中下一跳ID是否一致以及包中基站Ah的ID与本基站ID是否一致。一致则进行下一步审核，不一致丢弃该包。核对包中时钟同步编号SIDt与本基站路由表中SID编号是否一致。一致丢弃该包，不一致接收该包，并根据包中时钟差Δt1累加到本地时钟，同时更新路由表中SID编号为包中SIDt编号。Ah时钟同步之后，向周围广播自身的时钟更新数据包，仿照A0的流程来进行路由树第三层基站的时钟同步，以此类推直到所有的基站都时钟同步完成。
步骤3，测量各基站之间距离。
在室内定位技术中，需要若干固定的基站来确定待定位标签的坐标，这些基站可能需要长期工作，并且基站位置不能移动，否则在定位标签时可能发生极大的误差。为了解决在固定基站使用过程中，因基站位移而导致的标签定位偏差，就需要每隔一段时间对固定基站的位置进行一次检测。
具体地，步骤3的实现方法如下：
步骤31，如图6所示，设置坐标更新时间，定时更新基站坐标信息。A0广播测距包，测距包中包括包名D、本基站A0的ID以及发送该包时的时间戳
Figure BDA0002301175400000071
Ah在接收到该包后，首先核对包名是否为D，来判断是否开始测距，如果是则Ah广播自身的测距返回包，测距返回包包括包名RD、路由表中下一跳基站ID、Ah基站ID、A0基站ID、时间差Δt2(接收到测距包时的时间戳
Figure BDA0002301175400000072
与接收的测距包中的时间戳
Figure BDA0002301175400000073
的差值)。
步骤32，Ah核对接收到的测距包中基站ID与Ah本地路由表中下一跳ID是否一致，一致则Ah广播测距包。Ah若接收到下级基站Ak广播的测距返回包，接收到的测距返回包应该包含包名RD、发包基站路由表中下一跳基站ID、发包基站Ak的ID、接收的D包中的原基站ID以及Δt2。Ah核对测距返回包中发包基站路由表中下一跳基站ID与本基站ID是否一致，一致接收该包并将该测距返回包中下一跳基站ID改为本基站路由表中下一跳ID，然后广播该测距返回包。
步骤33，最终所有基站的测距返回包都会被A0接收，A0用公式(2)计算距离。
D＝c×Δt2 (2)
两个基站之间的时钟差会被两个基站各广播一次，因此可以在计算时取平均值来减少误差。
步骤4，建立基站坐标系。
以标准基站A0作为原点(坐标为(0，0))，选取其余固定基站中的任意一个记为A1，坐标为(D0,1，0)(D0,1为标准基站A0到A1的距离)，即以A0为原点，A0A1为x轴构建坐标系，然后通过余弦定理，计算A0A1与A0A2的角度。
Figure BDA0002301175400000081
其中D0,2为标准基站A0到A2的距离，D1,2为基站A1到A2的距离；最终计算得到A2的坐标为(D0,2×cosθ，D0,2×sinθ)；。
步骤5，建立基站坐标系。
根据计算得到的至少四个标签信号范围内的基站的坐标，利用TDOA算法对待定位标签进行定位。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于TOF的UWB基站时钟同步和标定的室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，i级基站向i+1级基站广播自身的路由信息，所述i+1级基站根据接收到的路由信息更新自身的路由表并向自身的下级基站广播自身的路由信息；i+1级基站以首先接收到的路由信息对应的i级基站作为上级基站；0≤i≤N，N为基站的级数；定义与计算机相连的基站为标准基站，将所述标准基站记为0级基站，此时i＝0；
步骤二，i级基站向i+1级基站广播自身的时钟更新数据包，所述i+1级基站接收所述时钟更新数据包后根据自身的路由表将时钟数据包广播给i级基站；i级基站根据所述时钟数据包计算得到时间差，然后i级基站向对应的i+1级基站广播包括所述时间差的时钟调整包；i+1级基站根据所述时钟调整包完成与i级基站的时钟同步；
步骤三，i级基站向i+1级基站广播测距包，i+1级基站根据所述测距包将自身的测距返回包根据路由信息返回给i级基站，将收到的测距包向下一级基站广播；所述标准基站根据接收到的测距返回包计算对应两个基站之间的距离；
步骤四，根据基站间的距离构建基站坐标系；
步骤五，在所述基站坐标系中对待定位标签进行定位。
2.根据权利要求1所述的基于TOF的UWB基站时钟同步和标定的室内定位方法，其特征在于：步骤一中，所述路由信息包括基站自身ID和路由更新编号；i+1级基站根据接收到的路由信息将自身路由表中下一跳的地址更新为最先接收到的i级基站的ID。
3.根据权利要求1所述的基于TOF的UWB基站时钟同步和标定的室内定位方法，其特征在于：步骤二中，所述时钟更新数据包包括基站自身ID、时钟同步编号和发送时钟更新数据包时的时间T1；所述时钟数据包包括基站自身ID、时钟同步编号、上级基站的ID、接收的时钟更新数据包中的时间T1和发送时钟数据包的时间T2；
所述时间差Δt1的计算公式为：
Figure FDA0002301175390000021
其中，T3为上级基站接收时钟数据包的时间。
4.根据权利要求1所述的基于TOF的UWB基站时钟同步和标定的室内定位方法，其特征在于：步骤三中，所述测距包包括基站自身ID和发送测距包时间；所述测距返回包包括路由表中下一跳基站ID、基站自身ID、接收的测距包中的原基站ID、接收测距包时间与测距包中发送测距包时间的差值Δt2；
D＝c*Δt2
其中D为对应两个基站之间的距离，c为光速。
5.根据权利要求1所述的基于TOF的UWB基站时钟同步和标定的室内定位方法，其特征在于：步骤四中，以标准基站A0作为原点，选取其余基站中的一个基站A1，设A1坐标为(D0，1，0)，D0，1为标准基站A0到A1的距离，则以A0为原点，A0A1为x轴构建坐标系，选取基站A2，通过余弦定理，计算A0A1与A0A2的角度θ；
Figure FDA0002301175390000022
其中D0，2为标准基站A0到A2的距离，D1，2为基站A1到A2的距离；计算得到A2的坐标为(D0，2×cosθ，D0，2×sinθ)；；计算得到至少四个基站的坐标，利用TDOA算法对待定位标签进行定位。
6.根据权利要求2所述的基于TOF的UWB基站时钟同步和标定的室内定位方法，其特征在于：步骤一中，所述i+1级基站接收所述路由信息后，比较路由信息中的路由更新编号与自身路由表中存储的路由更新编号是否一致，如果不一致则更新自身路由表中下一跳地址为路由信息中的基站自身ID，然后广播自身的路由信息；如果一致则丢弃接收的路由信息。
7.根据权利要求3所述的基于TOF的UWB基站时钟同步和标定的室内定位方法，其特征在于：步骤二中，所述i+1级基站接收所述时钟更新数据包后，判断所述时钟更新数据包中的时钟同步编号与自身路由表中存储的时钟同步编号是否一致，如果不一致则判断自身路由表中下一跳地址是否为所述时钟更新数据包中的基站自身ID，如果是则广播所述时钟数据包；
i级基站接收所述时钟数据包后，判断接收到的时钟数据包中的时钟同步编号与自身路由表中存储的时钟同步编号是否一致，并判断接收到的时钟数据包中的上级基站的ID与自身ID是否一致，如果均一致则计算所述时间差Δt1；
所述时钟调整包包括时钟同步编号、基站自身ID、发送时钟数据包的基站ID和时间差；i+1级基站接收到所述时钟调整包后，判断时钟调整包中的基站自身ID与自身路由表中存储的下一跳地址是否一致以及自身ID与时钟调整包中发送时钟数据包的基站ID是否一致，如果均一致则判断时钟调整包中时钟同步编号与自身路由表中存储的时钟同步编号是否一致，如果不一致则基站将所述时间差累加到本地时间以实现时钟同步。
8.根据权利要求4所述的基于TOF的UWB基站时钟同步和标定的室内定位方法，其特征在于：步骤三中，所述i+1级基站接收到所述测距包后，判断自身路由表中存储的下一跳地址是否为测距包中的基站自身ID，如果是则广播所述测距包和向上级基站发送自身的测距返回包；所述i级基站接收到其下级基站发送的测距返回包后，如果所述i级基站为标准基站，则上传测距返回包到主机，如果所述i级基站不是标准基站，则判断自身ID与接收到的测距返回包中路由表中下一跳基站ID是否一致，如果一致则将接收到的测距返回包中路由表中下一跳基站ID修改成自身路由表中存储的下一跳地址，然后将修改后的测距返回包与自身的测距返回包一起向上级基站返回。
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