CN111918387A - 一种基于uwb技术的三基站三维定位方法 - Google Patents

一种基于uwb技术的三基站三维定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于UWB技术的三基站三维定位方法，其步骤包括：1，将待测标签置于待测载体上，并处在三个基站的环境下，通过基站筛选构建测距系统；2，基于三个基站构建三维定位坐标系；3，基于三维定位坐标系获取三个基站到标签的距离；4，对所获得的距离信息构建四面体，并求得标签的高度及横纵坐标信息，从而实现定位。本发明能进一步提高UWB三维定位的效率，减少硬件开销，降低设备成本，从而提升定位方法的整体性能。

Description

一种基于UWB技术的三基站三维定位方法
技术领域
本发明属于定位导航技术领域，具体的说是一种基于UWB技术的三基站三维定位方法。
背景技术
随着现代科技的发展，定位技术已经在社会的各个领域得到广泛应用。相比早已经深入我们生活各个方面的室外定位技术——全球定位技术，室内定位由于受到定位时间、精度、环境状况等多方面因素的制约，使得其各方面还未发展成熟；同时，未来定位技术的发展趋势一定是室内定位技术与室外定位技术相结合，因此如今越来越多人开始研究室内定位技术。
超宽带(Ultra Wide Band,UWB)定位技术具有功耗低、稳定性高、安全性好、穿透性高、系统复杂性低以及能实现定位精度非常高等优点，而作为目前室内精准定位技术研究的热门方向，为未来室内精准定位提供大量的可能性。目前投入使用的UWB三维定位技术至少需要四个基站导致硬件资源消耗较大，这对设备成本高的UWB技术的投入使用造成了非常大的阻力，同时目前投入使用的三维定位算法的基站摆放位置受限且通讯时间过长。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于UWB技术的三基站三维定位方法，以期能进一步提高UWB三维定位的效率，减少硬件资源开销，降低设备成本，从而提升定位方法的整体性能。
本发明为达到上述目的，采用如下技术方案：
本发明一种基于UWB技术的三基站三维定位方法的特点是应用于由一个上位机和四个基站所构成的基站环境中，其中，一个基站作为标签并按如下步骤进行：
步骤1、基站筛选：
步骤1.1、三个基站分别尝试与所述标签进行通讯，当建立通讯后，相应的基站对所述标签进行测距，得到测距结果后发送给所述标签；
步骤1.2、所述标签接收到所有基站的测距结果后，选出最小值所对应的基站作为距离最近的基站；
步骤1.3、尝试与距离最近的基站进行通讯，若通讯成功，则将所有测距结果发送给距离最近的基站；否则，与距离次近的基站进行通讯，若通讯成功，则将所有测距结果发送给距离次近的基站；否则，与距离最远的基站进行通讯，若通讯成功，则将所有测距结果发送给距离最远的基站，否则，重复执行步骤1.3；
步骤1.4、三个基站互相之间与其他基站进行通讯，当均建立通讯时，开始定位工作；
步骤2、建立由三个基站所构成的三维定位坐标系；
在任意两个基站的距离中，将相对距离较长的两基站分别定义基站B、基站C；定义标签为H；基站B、基站C所在的直线记为x轴，基站C在x轴正半轴，基站B在x轴负半轴；将另一基站命名为基站A；过基站A点对基站B、基站C所在直线作垂线，垂足为O点且O点记为原点，根据三角形三边关系，O点处于基站B、基站C两点之间，以OA为y轴构建二维平面坐标系；过O点作三个基站所在平面的垂线OZ为z轴；从而建立三维定位坐标系；
步骤3、距离测量：
步骤3.1、对所述标签H通过TOF测距算法获取标签H到基站A的距离HA，标签H到基站B的距离HB，标签H到基站C的距离HC；
步骤3.2、所述上位机测量基站A与基站B的距离为AB、基站A与基站C的距离为AC、基站B与基站C的距离为BC；
步骤4、在线定位阶段：
步骤4.1、利式(1)得到标签H与三个基站构成的四面体体积V：
Figure BDA0002633260910000021
步骤4.2、以三个基站所处平面为底面，令变量P为底面三个基站所构成的三角形周长的一半，通过式(2)得到底面三个基站所构成三角形面积SABC：
Figure BDA0002633260910000022
步骤4.3、记标签H在底面的投影点为T，HT为标签H对应底面的高；从而通过体积公式求得高HT，即为标签H的Z轴坐标；
步骤4.4、记变量P1为投影点T、基站A、原点O所围成的三角形△TOA周长的
Figure BDA0002633260910000023
利用式(2)计算得到投影点T、基站A、原点O所围成的三角形△TOA的面积；
步骤4.5、记基站A到投影点T的距离为AT、基站B到投影点T的距离为BT、基站C到投影点T的距离为CT、从而由勾股定理分别得到距离AT、距离BT、距离CT；
步骤4.6、利用式(3)得到基站A到原点O的距离OA：
Figure BDA0002633260910000024
基站C到原点O的距离OC是通过基站A与基站C之间的距离AC，并利用勾股定理求得，即
Figure BDA0002633260910000031
基站B到原点O的距离OB是通过基站B与基站C之间的距离BC减去基站C与原点O的距离OC求得，即OB＝BC-OC；
步骤4.7、由基站B、基站C、投影点T所构成的两个角相加为180°，即∠TOC+∠TOB＝π，从而利用式(4)得到投影点T到原点O的距离OT：
Figure BDA0002633260910000032
步骤4.7、当OT2+OC2＞CT2时，判定所述标签H的横坐标X的符号为正；
当OT2+OC2＝CT2时，判定所述标签H的横坐标X的值为0；
当OT2+OC2＜CT2时，判定所述标签H的横坐标X的符号为负；
步骤4.8、标签H在基站A、基站B、基站C所组成的二维面的投影点T到基站A、原点O所在直线的距离为标签H的横坐标的绝对值|X|；且
Figure BDA0002633260910000033
从而最终得出标签H的X轴坐标；其中，STOA表示投影点T、基站A、原点O点所围三角形△TOA的面积；
步骤4.8、当OT2+OA2＞AT2时，判定所述标签H的纵坐标Y的符号为正；
当OT2+OA2＝AT2时，判定所述标签H的纵坐标Y的值为0；
当OT2+OA2＜AT2时，判定所述标签H的纵坐标Y的符号为负；
步骤4.9、标签H在三基站所组成的面的投影点T到基站B和基C所在直线的距离为标H的纵坐标的绝对值|Y|，且
Figure BDA0002633260910000034
从而得到出标签H的Y轴坐标，进而得到所述标签H的位置坐标并实现三维定位。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明对于室内定位的应用场景，只利用三个基站以及相应的供能设备即可以实现定位。在有效节约节省的应用成本的同时，减小了测距时间并提高了设备的定位范围，整体而言，本发明具有实时性强及定位范围广的优点；
2.本发明中单片机用于测距，FPGA用于坐标计算，二者并行工作，提高了定位实时性；
3.本发明中定位方法能通过FPGA硬件实现，使用了并行架构，有效提升了计算速度和数据吞吐量。
4.本发明中三个基站可以摆放成任意形状的三角形，其测量范围大。相比于传统实现方式，避免了将基站摆放成特定形状的缺陷。
附图说明
图1为本发明三基站三维定位方法的标签在第一象限时的定位图；
图2为本发明三基站三维定位方法的标签在第二象限时的定位图；
图3为本发明三基站三维定位方法的标签在第三象限时的定位图；
图4为本发明三基站三维定位方法的标签在第四象限时的定位图；
图5为本发明三基站三维定位方法的标签横坐标为正，标签在xoy平面投影点在第一象限时的平面图；
图6为本发明三基站三维定位方法的标签横坐标为正，标签在xoy平面投影点在第四象限的平面图；
图7为本发明三基站三维定位方法的标签横坐标为正，标签在xoy平面投影点在x轴正半轴的平面图；
图8为本发明三基站三维定位方法的标签横坐标为零，标签在xoy平面投影点在y轴正半轴的平面图；
图9为本发明三基站三维定位方法的标签横坐标为零，标签在xoy平面投影点在y轴负半轴的平面图；
图10为本发明三基站三维定位方法的标签横坐标为负，标签在xoy平面投影点在第二象限时的平面图；
图11为本发明三基站三维定位方法的标签横坐标为负，标签在xoy平面投影点在第三象限时的平面图；
图12为本发明三基站三维定位方法的标签横坐标为负，标签在xoy平面投影点在x轴负半轴时的平面图；
图13为本发明三基站三维定位方法的标签纵坐标为正，标签在xoy平面投影点在第一象限时的平面图；
图14为本发明三基站三维定位方法的标签纵坐标为正，标签在xoy平面投影点在第二象限时的平面图；
图15为本发明三基站三维定位方法的标签纵坐标为正，标签在xoy平面投影点在y轴正半轴时的平面图；
图16为本发明三基站三维定位方法的标签纵坐标为0，标签在xoy平面投影点在x轴正半轴时的平面图；
图17为本发明三基站三维定位方法的标签纵坐标为0，标签在xoy平面投影点在x轴负半轴时的平面图；
图18为本发明三基站三维定位方法的标签纵坐标为负，标签在xoy平面投影点在第三象限时的平面图；
图19为本发明三基站三维定位方法的标签纵坐标为负，标签在xoy平面投影点在第四象限时的平面图；
图20为本发明三基站三维定位方法的标签纵坐标为负，标签在xoy平面投影点在y轴负半轴时的平面图；
具体实施方式
本实施例中，一种基于UWB技术的三基站三维定位方法，是应用于由一个上位机和四个基站所构成的基站环境中，其中，一个基站作为标签；将待测标签置于待测载体上，并使其处在3个基站的环境下，通过基站筛选构建测距系统；筛选工作完成后，建立由三个基站所构成的定位坐标系并获取3个基站到标签的距离构建出相应的四面体；通过计算求得标签的高度及横纵坐标信息后实现标签的定位。具体的说是按如下步骤进行：
步骤1、基站筛选：
步骤1.1、三个基站分别尝试与标签进行通讯，当建立通讯后，相应的基站对标签进行测距，得到测距结果后发送给标签；
步骤1.2、标签接收到所有基站的测距结果后，选出最小值所对应的基站作为距离最近的基站；
步骤1.3、尝试与距离最近的基站进行通讯，若通讯成功，则将所有测距结果发送给距离最近的基站；否则，与距离次近的基站进行通讯，若通讯成功，则将所有测距结果发送给距离次近的基站；否则，与距离最远的基站进行通讯，若通讯成功，则将所有测距结果发送给距离最远的基站，否则，重复执行步骤1.3；
步骤1.4、三个基站互相之间与其他基站进行通讯，当均建立通讯时，开始定位工作；
步骤2、建立由三个基站所构成的三维定位坐标系；
在任意两个基站的距离中，将相对距离较长的两基站分别定义基站B、基站C；定义标签为H；基站B、基站C所在的直线记为x轴，基站C在x轴正半轴，基站B在x轴负半轴。将另一基站命名为基站A。过基站A点对基站B、基站C所在直线作垂线，垂足为O点且O点记为原点，根据三角形三边关系，O点一定在基站B、基站C两点之间，以OA为y轴构建二位平面坐标系；过O点作三个基站所在平面的垂线OZ为z轴；从而建立三维定位坐标系；
如图1所示，此时标签位于第一象限，基站A，基站B，基站C构成一个三角形，基站B与基站C的相对距离较长且基站C位于x轴正半轴，基站B位于x轴负半轴，原点O与基站A所在直线与基站B与基站C所在直线垂直，即原点O与基站A所在直线为y轴，过原点O与xoy平面垂直的直线为z轴，即图中所示的三维定位坐标系。
如图2所示，此时标签位于第二象限，基站A，基站B，基站C所构成的三维定位坐标系。
如图3所示，此时标签位于第三象限，基站A，基站B，基站C所构成的三维定位坐标系。
如图4所示，此时标签位于第四象限，基站A，基站B，基站C所构成的三维定位坐标系。
步骤3、距离测量：
步骤3.1、对标签H通过TOF测距算法获取标签H到基站A的距离HA，标签H到基站B的距离HB，标签H到基站C的距离HC；
步骤3.2、上位机测量基站A与基站B的距离AB、基站A与基站C的距离AC、基站B与基站C的距离BC；
步骤4、在线定位阶段：
步骤4.1、利式(1)得到标签H与三个基站构成的四面体体积V：
Figure BDA0002633260910000061
步骤4.2、以三个基站所处平面为底面，令变量P为底面三个基站所构成的三角形周长的一半，通过式(2)得到底面三个基站所构成三角形面积SABC：
Figure BDA0002633260910000062
步骤4.3、记标签H在底面的投影点为T，HT为标签H对应底面的高；从而通过体积公式求得高HT，即为标签H的Z轴坐标；
步骤4.4、记变量P1为投影点T、基站A、原点O所围成的三角形△TOA周长的
Figure BDA0002633260910000063
利用式(2)计算得到投影点T、基站A、原点O所围成的三角形△TOA的面积；
步骤4.5、记基站A到投影点T的距离为AT、基站B到投影点T的距离为BT、基站C到投影点T的距离为CT、从而由勾股定理分别得到距离AT、距离BT、距离CT；
步骤4.6、利用式(3)得到基站A到原点O的距离OA：
Figure BDA0002633260910000071
基站C到原点O的距离OC是通过基站A与基站C之间的距离AC，并利用勾股定理求得，即
Figure BDA0002633260910000072
基站B到原点O的距离OB是通过基站B与基站C之间的距离BC减去基站C与原点O的距离OC求得，即OB＝BC-OC；
步骤4.7、由基站B、基站C、投影点T所构成的两个角相加为180°，即∠TOC+∠TOB＝π，从而利用式(4)得到投影点T到原点O的距离OT：
Figure BDA0002633260910000073
步骤4.7、当OT2+OC2＞CT2时，判定标签H的横坐标X的符号为正；
如图5、图6和图7所示，此时∠TOC为锐角或0°，T位于第一象限或第四象限或x轴正半轴，其横坐标为正值，即标签H的横坐标为正值。
当OT2+OC2＝CT2时，判定标签H的横坐标X的值为0；
如图8和图9所示，此时∠TOC为直角，T位于y轴正半轴或y轴负半轴，其横坐标为0，即标签H的横坐标为0。
当OT2+OC2＜CT2时，判定标签H的横坐标X的符号为负；
如图10、图11和图12所示，此时∠TOC为钝角或180°，T位于第二象限或第三象限或x轴负半轴，其横坐标为负值，即标签H的横坐标为负值。
步骤4.8、标签H在基站A、基站B、基站C所组成的二维面的投影点T到基站A、原点O所在直线的距离为标签H的横坐标的绝对值|X|；且
Figure BDA0002633260910000074
从而最终得出标签H的X轴坐标；其中，STOA表示投影点T、基站A、原点O点所围三角形△TOA的面积；
步骤4.8、当OT2+OA2＞AT2时，判定标签H的纵坐标Y的符号为正；
如图13、图14和图15所示，此时∠TOA为锐角或0°，T位于第一象限或第二象限或y轴正半轴，其纵坐标为正值，即标签H的纵坐标为正值
当OT2+OA2＝AT2时，判定标签H的纵坐标Y的值为0；
如图16和图17所示，此时∠TOA为直角，T位于x轴正半轴或x轴负半轴，其纵坐标为0，即标签H的纵坐标为0。
当OT2+OA2＜AT2时，判定标签H的纵坐标Y的符号为负；
如图18、图19和图20所示，此时∠TOA为钝角或180°，T位于第三象限或第四象限或y轴负半轴，其纵坐标为负值，即标签H的纵坐标为负值。
步骤4.9、标签H在三基站所组成的面的投影点T到基站B和基C所在直线的距离为标H的纵坐标的绝对值|Y|，且
Figure BDA0002633260910000081
从而得到出标签H的Y轴坐标，进而得到标签H的位置坐标并实现三维定位。

Claims (1)

1.一种基于UWB技术的三基站三维定位方法，其特征是应用于由一个上位机和四个基站所构成的基站环境中，其中，一个基站作为标签并按如下步骤进行：
步骤1、基站筛选：
步骤1.1、三个基站分别尝试与所述标签进行通讯，当建立通讯后，相应的基站对所述标签进行测距，得到测距结果后发送给所述标签；
步骤1.2、所述标签接收到所有基站的测距结果后，选出最小值所对应的基站作为距离最近的基站；
步骤1.3、尝试与距离最近的基站进行通讯，若通讯成功，则将所有测距结果发送给距离最近的基站；否则，与距离次近的基站进行通讯，若通讯成功，则将所有测距结果发送给距离次近的基站；否则，与距离最远的基站进行通讯，若通讯成功，则将所有测距结果发送给距离最远的基站，否则，重复执行步骤1.3；
步骤1.4、三个基站互相之间与其他基站进行通讯，当均建立通讯时，开始定位工作；
步骤2、建立由三个基站所构成的三维定位坐标系；
在任意两个基站的距离中，将相对距离较长的两基站分别定义基站B、基站C；定义标签为H；基站B、基站C所在的直线记为x轴，基站C在x轴正半轴，基站B在x轴负半轴；将另一基站命名为基站A；过基站A点对基站B、基站C所在直线作垂线，垂足为O点且O点记为原点，根据三角形三边关系，O点处于基站B、基站C两点之间，以OA为y轴构建二维平面坐标系；过O点作三个基站所在平面的垂线OZ为z轴；从而建立三维定位坐标系；
步骤3、距离测量：
步骤3.1、对所述标签H通过TOF测距算法获取标签H到基站A的距离HA，标签H到基站B的距离HB，标签H到基站C的距离HC；
步骤3.2、所述上位机测量基站A与基站B的距离为AB、基站A与基站C的距离为AC、基站B与基站C的距离为BC；
步骤4、在线定位阶段：
步骤4.1、利式(1)得到标签H与三个基站构成的四面体体积V：
Figure FDA0002633260900000011
步骤4.2、以三个基站所处平面为底面，令变量P为底面三个基站所构成的三角形周长的一半，通过式(2)得到底面三个基站所构成三角形面积SABC：
Figure FDA0002633260900000021
步骤4.3、记标签H在底面的投影点为T，HT为标签H对应底面的高；从而通过体积公式求得高HT，即为标签H的Z轴坐标；
步骤4.4、记变量P1为投影点T、基站A、原点O所围成的三角形△TOA周长的
Figure FDA0002633260900000022
利用式(2)计算得到投影点T、基站A、原点O所围成的三角形△TOA的面积；
步骤4.5、记基站A到投影点T的距离为AT、基站B到投影点T的距离为BT、基站C到投影点T的距离为CT、从而由勾股定理分别得到距离AT、距离BT、距离CT；
步骤4.6、利用式(3)得到基站A到原点O的距离OA：
Figure FDA0002633260900000023
基站C到原点O的距离OC是通过基站A与基站C之间的距离AC，并利用勾股定理求得，即
Figure FDA0002633260900000024
基站B到原点O的距离OB是通过基站B与基站C之间的距离BC减去基站C与原点O的距离OC求得，即OB＝BC-OC；
步骤4.7、由基站B、基站C、投影点T所构成的两个角相加为180°，即∠TOC+∠TOB＝π，从而利用式(4)得到投影点T到原点O的距离OT：
Figure FDA0002633260900000025
步骤4.7、当OT2+OC2＞CT2时，判定所述标签H的横坐标X的符号为正；
当OT2+OC2＝CT2时，判定所述标签H的横坐标X的值为0；
当OT2+OC2＜CT2时，判定所述标签H的横坐标X的符号为负；
步骤4.8、标签H在基站A、基站B、基站C所组成的二维面的投影点T到基站A、原点O所在直线的距离为标签H的横坐标的绝对值|X|；且
Figure FDA0002633260900000026
从而最终得出标签H的X轴坐标；其中，STOA表示投影点T、基站A、原点O点所围三角形△TOA的面积；
步骤4.8、当OT2+OA2＞AT2时，判定所述标签H的纵坐标Y的符号为正；
当OT2+OA2＝AT2时，判定所述标签H的纵坐标Y的值为0；
当OT2+OA2＜AT2时，判定所述标签H的纵坐标Y的符号为负；
步骤4.9、标签H在三基站所组成的面的投影点T到基站B和基C所在直线的距离为标H的纵坐标的绝对值|Y|，且
Figure FDA0002633260900000027
从而得到出标签H的Y轴坐标，进而得到所述标签H的位置坐标并实现三维定位。
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