CN111595339B - 一种提高uwb在室内测距精度的方法及测距系统 - Google Patents

一种提高uwb在室内测距精度的方法及测距系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种提高UWB在室内测距精度的方法及测距系统，其特征在于，包括判断检测到的第一径是否准确;如果检测到的第一径不准确，则补偿其UWB测距值；所述判断检测到的第一径是否准确之前，还包括：选取若干用于区分检测到的第一径是否准确的特征值；确定每个特征值的特征值阈值；定义或配置特征值与特征值阈值的比较规则；所述判断检测到的第一径是否准确包括:根据所述比较规则判断检测到的第一径是否准确等，本发明克服了室内的障碍物会对信号产生反射、折射等影响，从而产生多径效应造成测距精度降低等问题。

Description

一种提高UWB在室内测距精度的方法及测距系统
技术领域
本发明涉及一种UWB定位技术，尤其是UWB在室内测距系统及提高精 度的方法。
背景技术
当UWB被用于室内测距时，室内的障碍物会对信号产生反射、折射等影 响，从而产生多径效应。这通常使得UWB将受障碍物反射的反射径判断成第 一径，从而导致UWB的测量距离大于真实距离，直接降低了测距精度。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种提高UWB在室内测距精度的方法，它克服 了室内的障碍物会对信号产生反射、折射等影响，从而产生多径效应造成测 距精度降低的问题。
为实现上述目的，本发明提出的一种提高UWB在室内测距精度的方法， 其特征在于，包括
判断检测到的第一径是否准确；
如果所述检测到的第一径不准确，则补偿其UWB测距值。这样，相对于 现有技术，它在确定测距值前，先判断检测到的第一径是否准确，如果准确， 则可作为最终的测距值，如果不准确，则补偿其UWB测距值以克服室内的障 碍物会对信号产生反射、折射等影响，从而降低多径效应对精度的影响。
优选地，所述判断检测到的第一径是否准确之前，还包括：
选取若干用于区分所述检测到的第一径是否准确的特征值；
确定每个特征值的特征值阈值；
定义或配置特征值与特征值阈值的比较规则；
所述判断检测到的第一径是否准确包括:根据所述比较规则判断所述检测 到的第一径是否准确。
优选地，所述选取若干用于区分所述检测到的第一径是否准确的特征值 后，还包括将所选取的特征值组成用来区分所述检测到的第一径是否准确的 特征值集合，并确定每个特征值在所述特征值集合中的优先级。
优选地，所述的确定每个特征值在所述特征值集合中的优先级时，包括 在不同位置采集若干组第一径判断准确的特征值数据和若干组第一径判断不 准确的特征数数据，分别计算特征值数据的均值和方差，并分析计算该特征 值在所述检测到的第一径准确、所述检测到的第一径不准确落入对应范围值 的概率，进而根据所述概率高低划分为两个或以上不同的优先等级。
优选地，所述优先等级包括第一优先级和第二优先级，其中所述的比较 规则包括第一优先级内的特征值，若其中一个特征值超出特征值阈值，则判 断所述检测到的第一径不准确；第二先级内的特征值，若存在两个或以上特 征值超出特征值阈值，则判断所述检测到的第一径不准确。
优选地，选取的特征值包括噪声方差、潜在峰个数、总接收信号的强度、 CIR模的峰值、饱和度、索引差、信号强度差、幅值差、CIR的总能量、上 升之间、能量、平均附加时延、延时传播、峰度中的一个或多个。
本发明还提供一种UWB室内测距系统，其特征在于：包括
检测模块：用于检测第一径；
判断模块：用于判断所述检测到的第一径是否准确；
补偿模块：用于当所述检测到的第一径不准确时，对其UWB测距值进行 补偿。
优选地，还包括：
配置模块：用于选择或设置若干用于区分所述检测到的第一径是否准确 的特征值；用于配置每个特征值的特征值阈值及特征值与特征值阈值的比较 规则。
进一步，所述的配置模块还用于将所选取的特征值组成用来区分所述检 测到的第一径是否准确的特征值集合，并确定每个特征值在所述特征值集合 中的优先级并完成特征值优先级的配置。
更进一步，所述的配置模块获取不同位置采集若干组第一径判断准确的 特征值数据和若干组第一径判断不准确的特征数数据，分别计算特征值数据 的均值和方差，并分析该特征值在所述检测到的第一径准确、所述检测到的 第一径不准确落入对应范围值的概率，进而根据所述概率高低划分为两个或 以上不同的优先等级并完成特征值优先级的配置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的 附图。
图1为某优选实施例的流程示意图之一；
图2为某优选实施例的流程示意图之二；
图3为某优选实施例的系统结构框图；
图4为某优选实施例中第一径准确性与特征值均值、方差的关系示意图；
图5为某优选实施例中第一径准确性和UWB测距误差的关系示意图；
图6为某优选实施例中比较规则示例。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步 说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例， 而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有 作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了更好的描述、理解本发明方案，相关术语、变量说明如下：
CIR：发射端到接收端信道冲击响应，包含索引值和复数幅值；
UWB_measure_distance：UWB测量距离；
compensation：对检测到第一径不准的UWB测距补偿值；
compensated_measure_distance：补偿后的测量距离；
STD_NOISE：噪声方差；
noise_threshold：噪声阈值，noise_threshold＝STD_NOIES*n，其中n 的取值范围是(0,50)；
Luep：峰值超过0.6倍noise_threshold的潜在峰个数，潜在峰是指第一 径前CIR模形成的峰；
preamble：接收端接收到的前导序列；
A：接收能量的常数值；
RSSI：总接收信号的强度，
Figure BDA0002431389390000041
FP_AMPL1：第一径后第三个的CIR模；
FP_AMPL2：第一径后第二个的CIR模；
FP_AMPL3：第一径后第一个的CIR模；
PP_AMPL：CIR模的峰值；
MC：饱和度，MC＝max(FP_AMPL1,FP_AMPL2, FP_AMPL3)/PP_AMPL；
FP_INDEX：第一径对应的索引值；
PP_INDEX：PP_AMPL对应的索引值；
IDiff：索引差，IDiff＝PP_INDEX-FP_INDEX；
FP_POWER：接收第一径的信号强度，
Figure BDA0002431389390000042
diff_power：信号强度差，diff_power＝RSSI-FP_PWR；
diff_noise：幅值差，diff_noise＝FP_AMPL2–STD_NOISE；
CIR_PWR：CIR的总能量；
t_rise：上升之间，trise＝tH-tL，其中tL＝min{t：|CIR(t)≥α*STD_NOISE|}，
tH＝min{t：|CIR(t)≥β*PP_AMPL|}，α＞1，0＜β＜1；
energy：能量，
Figure BDA0002431389390000043
T_MED：平均附加时延，
Figure BDA0002431389390000044
其中ψ(t)＝CIR(t)2/energy；
T_RMS：延时传播，
Figure BDA0002431389390000045
kurtosis：峰度，
Figure BDA0002431389390000046
其中
Figure BDA0002431389390000047
Figure BDA0002431389390000048
Luep_tshd：第一径不准时，特征值Luep阈值；
RSSI_tshd：第一径不准时，特征值RSSI阈值；
MC_tshd：第一径不准时，特征值MC阈值；
IDiff_tshd：第一径不准时，特征值IDiff阈值；
dfpwr_tshd：第一径不准时，特征值diff_power阈值；
CIR_PWR_tshd：第一径不准时，特征值CIR_PWR阈值；
STD_NOISE_tshd：第一径不准时，特征值STD_NOISE阈值；
PP_AMPL_tshd：第一径不准时，特征值PP_AMPL阈值；
t_rise_tshd：第一径不准时，特征值t_rise阈值；
energy_tshd：第一径不准时，特征值energy阈值；
T_MED_tshd：第一径不准时，特征值T_MED阈值；
T_RMS_tshd：第一径不准时，特征值T_RMS阈值；
kurtosis_tshd：第一径不准时，特征值kurtosis阈值。
参考图1和2，某优选实施例中，包括以下步骤：
S01，定义或配置检测到的第一径是否准确的比较规则。具体来说包括：
S01a选取若干用于区分检测到的第一径是否准确的特征值；优选地，在 选取前，包括寻找可以用于区分所述检测到的第一径是否准确的特征值，如 某实施例中STD_NOISE、Luep、RSSI、PP_AMPL、MC、IDiff、diff_power、 diff_noise、CIR_PWR、t_rise、energy、T_MED、T_RMS、kurtosis。任意 选取特征值组成用来区分所述检测到的第一径是否准确的特征值集合。例如： 某实施例中选取的特征值包括Luep、RSSI、MC、IDiff、diff_power、diff_noise、 CIR_PWR。
S01b确定每个特征值在所述特征值集合中的优先级；优选地，在不同位 置采集若干组所述检测到的第一径判断准确的特征值数据和若干组所述检测 到的第一径判断不准确的特征数数据，分别计算特征值数据的均值和方差， 并分析计算该特征值在所述检测到的第一径准确、所述检测到的第一径不准 确落入对应范围值的概率，进而根据所述概率高低划分为两个或以上不同的 优先等级。
S01c确定每个特征值的特征值阈值。
S01d定义或配置特征值与特征值阈值的比较规则。例如：某实施例中， 特征值的优先等级包括第一优先级和第二优先级，其中所述的比较规则包括 第一优先级内的特征值，若其中一个特征值超出特征值阈值，则判断所述检 测到的第一径不准确；第二先级内的特征值，若存在两个或以上特征值超出 特征值阈值，则判断所述检测到的第一径不准确。
S02，判断检测到的第一径是否准确。根据特征值与特征值阈值的比较规 则进行判断。
S03，如果所述检测到的第一径不准确，则补偿其UWB测距值。
参考图3，为实施本发明方法对应系统的框图，某优选实施例中，包括：
检测模块：用于检测第一径；
配置模块：用于选择或设置若干用于区分所述检测到的第一径是否准确 的特征值；用于配置每个特征值的特征值阈值及特征值与特征值阈值的比较 规则。优选地，用于将所选取的特征值组成用来区分所述检测到的第一径是 否准确的特征值集合，并确定每个特征值在所述特征值集合中的优先级并完 成特征值优先级的配置。配置模块还可获取不同位置采集若干组第一径判断 准确的特征值数据和若干组第一径判断不准确的特征数数据，分别计算特征 值数据的均值和方差，并分析该特征值在所述检测到的第一径准确、所述检 测到的第一径不准确落入对应范围值的概率，进而根据所述概率高低划分为 两个或以上不同的优先等级并完成特征值优先级的配置；
判断模块：用于判断所述检测到的第一径是否准确；
补偿模块：用于当所述检测到的第一径不准确时，对其UWB测距值进行 补偿。
下面结合图4、5、6，以更某具体的的例子以说明本方法的实施：
1)制定判断所述检测到的第一径是否准确方案
A.寻找可以用于区分所述检测到的第一径是否准确的特征值
本实施例中提供特征值：STD_NOISE、Luep、RSSI、PP_AMPL、 MC、IDiff、diff_power、diff_noise、CIR_PWR、t_rise、energy、 T_MED、T_RMS、kurtosis；
B.任意选取特征值组成用来区分检测到的第一径是否准确的特征值 集合
选取特征值为：Luep、RSSI、MC、IDiff、diff_power、diff_noise、 CIR_PWR；
C.依据特征值对区分检测到的第一径的好坏程度来确定特征值集合 中的优先级
本实施例中提供一种用均值和方差的方法划分特征值的优先级，在一个 房间内不同位置分别采取2000组UWB第一径判断准确的特征值数据和2000 组UWB第一径判断不准确的特征数数据，分别计算特征值的均值和方差如图 4所示，认为采取的特征值数据均服从正态分布，
Luep：
由于Luep为非负整数，
检测到的第一径准确时，特征值Luep有98.4％的概率为0；
检测到的第一径不准确时，特征值Luep有95.5％的概率落在[1, 4]；
因此，认为该特征值的区分效果很好，将其划分在第一优先级 中；
RSSI：
检测到的第一径准确时，特征值RSSI有95.5％的概率落在 (-74.69722，-71.62158)；
检测到的第一径不准确时，特征值RSSI有95.5％的概率落在 (-81.45959，-77.80141)；
因此，认为该特征值的区分效果很好，将其划分在第一优先级 中；
MC：
检测到的第一径准确时，特征值MC有95.5％的概率落在 (0.823658，1)；
检测到的第一径不准确时，特征值RSSI有95.5％的概率落在 (0.2828，0.78236)；
因此，认为该特征值的区分效果很好，将其划分在第一优先级 中；
IDiff：
检测到的第一径准确时，特征值IDiff有95.5％的概率落在 (2.505842,8.917414)；
检测到的第一径不准确时，特征值IDiff有95.5％的概率落在 (13.29026,22.05414)；
因此，认为该特征值的区分效果很好，将其划分在第一优先级 中；
diff_power：
检测到的第一径准确时，特征值diff_power有95.5％的概率落 在(4.536143，8.408711)；
检测到的第一径不准确时，特征值diff_power有95.5％的概率 落在(8.7661，13.526806)；
因此，认为该特征值的区分效果很好，将其划分在第一优先级 中；
diff_noise：
检测到的第一径准确时，特征值diff_noise有68.3％的概率落在 (2439.9123,2889.1277)；
检测到的第一径不准确时，特征值diff_noise有68.3％的概率落 在(1118.229,2238.109)；
因此，认为该特征值的区分效果很好，将其划分在第二优先级 中；
CIR_PWR：
检测到的第一径准确时，特征值CIR_PWR有68.3％的概率落 在(725.2389，966.6829)；
检测到的第一径不准确时，特征值CIR_PWR有68.3％的概率 落在(380.8952，693.044)；
因此，认为该特征值的区分效果很好，将其划分在第二优先级 中；
D.确定特征值组中的特征值阈值和UWB测距补偿值
i.计算特征值组中的特征值阈值
例如，结合图4并计算可知，
Luep_tshd＝1；
RSSI_tshd＝-76；
MC_tshd＝0.8；
IDiff_tshd＝11；
dfpwr_tshd＝8.5；
dfnis_tshd＝2300；
CIR_PWR_tshd＝700；
ii.计算UWB测距补偿值
由图5可知，compensation＝1.22m；
E.定义测量特征值与特征值阈值的比较原则
定义比较原则如图6，初始化score＝0，通过比较原则若score＝1， 则认为UWB判断的检测到的第一径不准确，即UWB测距不准确。
2)判断检测到的第一径是否准确
若score＝0或0.5，UWB检测到的第一径准确；
若score＝1，UWB检测到的第一径不准确；
3)如果检测到的第一径不准确，补偿其UWB测距值
compensation_measure_distance＝UWB_measure_distance– 1.22；
举例说明，当特征值依次为：Luep＝1、RSSI＝-79、MC＝0.75、IDiff ＝9、diff_power＝8、diff_noise＝2500、CIR_PWR＝800，且 UWB_measure_distance＝4m时，score＝1，判为UWB检测到的第一径不 准；
compensation_measure_distance＝UWB_measure_distance– compensation＝2.7802m。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是 在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换， 或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种提高UWB在室内测距精度的方法，其特征在于，包括
选取若干用于区分检测到的第一径是否准确的特征值；所选取的特征值组成用来区分所述检测到的第一径是否准确的特征值集合，并确定每个特征值在所述特征值集合中的优先级；
确定每个特征值的特征值阈值；
定义或配置特征值与特征值阈值的比较规则；所述优先级包括第一优先级和第二优先级，其中所述的比较规则包括第一优先级内的特征值，若其中一个特征值超出特征值阈值，则判断所述检测到的第一径不准确；第二先级内的特征值，若存在两个或以上特征值超出特征值阈值，则判断所述检测到的第一径不准确；
根据所述比较规则判断所述检测到的第一径是否准确；
如果所述检测到的第一径不准确，则补偿其UWB测距值。
2.如权利要求1所述的提高UWB在室内测距精度的方法，其特征在于，所述的确定每个特征值在所述特征值集合中的优先级时，包括在不同位置采集若干组第一径判断准确的特征值数据和若干组第一径判断不准确的特征数据，分别计算特征值数据的均值和方差，并分析计算该特征值在所述检测到的第一径准确、所述检测到的第一径不准确落入对应范围值的概率，进而根据所述概率高低划分为两个或以上不同的优先等级。
3.如权利要求1或2所述的提高UWB在室内测距精度的方法，其特征在于，选取的特征值包括噪声方差、潜在峰个数、总接收信号的强度、CIR模的峰值、饱和度、索引差、信号强度差、幅值差、CIR的总能量、上升之间、能量、平均附加时延、延时传播、峰度中的一个或多个。
4.一种UWB室内测距系统，其特征在于：包括
配置模块：用于选择或设置若干用于区分检测到的第一径是否准确的特征值；用于配置每个特征值的特征值阈值及特征值与特征值阈值的比较规则；将所选取的特征值组成用来区分所述检测到的第一径是否准确的特征值集合，并确定每个特征值在所述特征值集合中的优先级并完成特征值优先级的配置；
检测模块：用于检测第一径；
判断模块：用于判断所述检测到的第一径是否准确；
补偿模块：用于当所述检测到的第一径不准确时，对其UWB测距值进行补偿。
5.如权利要求4所述的UWB室内测距系统，其特征在于，所述的配置模块获取不同位置采集若干组第一径判断准确的特征值数据和若干组第一径判断不准确的特征数据，分别计算特征值数据的均值和方差，并分析该特征值在所述检测到的第一径准确、所述检测到的第一径不准确落入对应范围值的概率，进而根据所述概率高低划分为两个或以上不同的优先等级并完成特征值优先级的配置。
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