CN112180319A - 一种基于左、右手性空间定位系统及其定位方法 - Google Patents

一种基于左、右手性空间定位系统及其定位方法 Download PDF

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Abstract

一种基于左、右手性空间定位系统及其定位方法，属于测距和定位技术领域，本发明在满足分布式局部定位基站局部区域分布密度的情况下，随机安装四个基站，四个不共面的基站A、B、C、D组成一个基础定位系统；以基站A为坐标原点，基站A、C构成的向量
Figure DDA0002643155560000012
为X轴，以X轴为参照，在平面ABC中建立Y轴，Z轴指向为基站D所在位置的竖直方向，构建右手性空间坐标系；以基站A为坐标原点，基站A、B构成的向量
Figure DDA0002643155560000011
为X轴，以X轴为参照，在平面ABC中建立Y轴，Z轴指向为基站D所在位置的竖直方向，构建左手性空间坐标系。本发明通过建立左、右手性空间坐标系，从而能够判断与虚拟坐标系之间的关系，最终确定基站的坐标值。

Description

一种基于左、右手性空间定位系统及其定位方法
技术领域
本发明涉及测距和定位技术领域，尤其涉及一种基于左、右手性空间定位系统及其定位方法。
背景技术
2016年，虞坤霖等人(申请公布号：CN 106211080A)申请的《一种UWB基站坐标自校准方法》专利中提出，采用标签来校准基站变动后的位置，但是专利中并没有实质性的说明怎样使用标签来自动标定基站的坐标。
2017年，朱晓章等人(申请公布号：CN 106990389A)申请的《定位系统中基站间建立坐标系的方法》专利中提出，利用基站间距离建立坐标系的方法解决了现有技术中采用借助全站仪、激光测距仪等测量仪器进行人工测量的方式建立坐标系，但是存在的问题是，该定位系统在建立坐标系时，首先需要明确各个基站的大致方位，对于非视距或者方位不清楚的情况下，仍然无法正常获取定位数据。
2018年，田世伟等人(申请公布号：CN 109218967A)申请的《U WB系统定位基站标定方法及其设备》专利中提出，采用人工测量的方式测量待标定基站在当前定位环境中的真实坐标值，进而建立参考坐标系，此种方式建立的参考坐标系精度不高，具有人为误差影响。
2019年，许晟等人(申请公布号：CN 110290463A)申请的《基于最优化理论的UWB基站坐标自动标定方法和系统》专利中提出，首先将基站以及标签放置相应位置，构建最小UWB系统，并采用最优化理论，对所有理论距离和实际测量距离的残差和进行最优化处理，进而校准系统，在一定程度上，实现了自动化校准过程，但是对于最小UWB系统参考坐标系的建立，仍然采用人为规定基站以及标签放置位置的方式，人为决策多，不具有灵活性。
现有的建立坐标系以及测量基站位置的方法多采用借助全站仪、激光测距仪等测量仪器进行人工测量的方式。人工测量的方式耗费的人力成本巨大，且受限于基站的布设环境，此外，由于仪器的测量误差、人为误差等影响，此种方法测量基站位置的精度较差，甚至位置的准确度，会严重影响对目标的进行定位时的准确度。
因此，需要提供一种定位系统及方法来解决以上问题。
发明内容
本发明为了解决现有的基站需要人为设定同时测量不准确的问题，进而提供一种基于左、右手性空间定位系统及其定位方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于左、右手性空间定位系统，在满足分布式局部定位基站局部区域分布密度的情况下，随机安装四个基站，四个不共面的基站A、B、C、D组成一个基础定位系统；
右手性空间定位系统包括以下步骤:
以基站A为坐标原点，基站A、C构成的向量
Figure BDA0002643155540000021
为X轴，以X轴为参照，在平面ABC中建立Y轴，Z轴指向为基站D所在位置的竖直方向，构建空间坐标系；
左手性空间定位系统包括以下步骤：
以基站A为坐标原点，基站A、B构成的向量
Figure BDA0002643155540000031
为X轴，以X轴为参照，在平面ABC中建立Y轴，Z轴指向为基站D所在位置的竖直方向，构建空间坐标系。
进一步，四个基站所构成的三棱锥以各个顶点(A，B，C，D)对应的高(HA，HB，HC，HD)大于基站测距精度。
一种基于左、右手性空间定位方法，两两基站之间的距离通过基础定位系统内部基站互相测量得到，分别表示为
Figure BDA0002643155540000032
进一步，以右手性空间定位系为标准建立虚拟坐标系，其中基站A、B、C、D的坐标为A(0,0,0)，B(XB,YB,0)，C(b，0，0)，D(XD，YD，ZD)，
其中，
Figure BDA0002643155540000033
Figure BDA0002643155540000034
则
Figure BDA0002643155540000035
Figure BDA0002643155540000036
G＝(c2+d2-e2)2
H＝(b2+d2-f2)2
K＝(b2+c2-a2)2
则
Figure BDA0002643155540000037
Figure BDA0002643155540000038
当d2-ZD 2-XD 2＞0时，
Figure BDA0002643155540000041
d2-ZD 2-XD 2＝0时，YD＝0。
进一步，实际基站A’、B’、C’、D’在虚拟坐标系中的位置为两两基站之间长度的映射，即
Figure BDA0002643155540000042
Figure BDA0002643155540000043
其中A’、B’、C’、D’与A、B、C、D分别互为映射，按照这样的映射关系，虚拟坐标系统与实际基站对应的坐标系统存在镜像或一致。
进一步，当右手性坐标系中的点与虚拟映射点一一对应且位置一致时，在空间移动信标Q，按照y→x→z轨迹移动，在虚拟坐标系中，同样会出现一个Q′点沿着y′→x′→z′移动，这个移动轨迹所构成的矢量坐标系为右手性空间坐标系轨迹。
进一步，当左手性坐标系中的点与虚拟映射点镜像时，在空间移动信标Q，按照y→x→z轨迹移动，在虚拟坐标系中，同样会出现一个Q′点沿着y′→x′→z′移动，对应的y′→x′→z′移动轨迹为左手性空间坐标系轨迹。
进一步，初始时刻信标Q于点O处，通过在右手性坐标系测距系统中的测距值，即信标Q到A、B、C、D四点的距离分别为LA、LB、LC、LD，通过四点空间定位法计算信标Q在O处的坐标Q′，信标Q在X、Y、Z处得到相应坐标X′、Y′、Z′，由虚拟坐标系得出的运动的轨迹用向量表示为
Figure BDA0002643155540000044
对矢量
Figure BDA0002643155540000045
和
Figure BDA0002643155540000046
做外积运算，即
Figure BDA0002643155540000047
从而
Figure BDA0002643155540000048
在
Figure BDA0002643155540000049
上的投影
Figure BDA00026431555400000410
的内积为正值，表示右手性坐标系与虚拟坐标系是一致的。
进一步，初始时刻信标Q于点O处，通过在左手性坐标系测距系统中的测距值，即信标Q到A、B、C、D四点的距离分别为LA、LB、LC、LD，通过四点空间定位法计算信标Q在O处的坐标Q′，信标Q在X、Y、Z处得到相应坐标X′、Y′、Z′，由虚拟坐标系得出的运动的轨迹用向量表示为
Figure BDA0002643155540000051
对矢量
Figure BDA0002643155540000052
和
Figure BDA0002643155540000053
做外积运算，即
Figure BDA0002643155540000054
从而
Figure BDA0002643155540000055
在
Figure BDA0002643155540000056
上的投影
Figure BDA0002643155540000057
的内积为负值，表示左手性坐标系与虚拟坐标系是镜像的。
本发明对于现有技术具有以下有益效果：
本发明通过建立左手性坐标系和右手性坐标系，两两基站间的距离通过互相测量得到，从而计算出虚拟坐标系中基站的坐标值；通过判断左手性坐标系和右手性坐标系与虚拟坐标系的关系，得知D基站竖直坐标的值，最终确定实际基站在虚拟坐标系中的坐标。本发明定位基站的安装部署随机，且通过简单计算即能够得到基站的坐标，不仅节省了人工测量的成本，同时测量更准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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获得其他的附图。
图1是本发明右手性空间坐标系示意图；
图2是本发明左手性空间坐标系示意图；
图3是本发明右手性坐标系中的点与虚拟映射点重合时示意图；
图4是本发明左手性坐标系中的点与虚拟映射点镜像时示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
结合附图1至图4说明本实施例：一种基于左、右手性空间定位系统，在满足分布式局部定位基站局部区域分布密度的情况下，随机安装N个基站，N>3，优选的，安装四个基站，且四个不共面的基站A、B、C、D组成一个基础定位系统，并且这四个基站的信号覆盖范围有公共信号区域。
右手性空间定位系统包括以下步骤:
以基站A为坐标原点，基站A、C构成的向量
Figure BDA0002643155540000071
为X轴，以X轴为参照，在平面ABC中建立Y轴，Z轴指向为基站D所在位置的竖直方向，构建空间坐标系；
左手性空间定位系统包括以下步骤：
以基站A为坐标原点，基站A、B构成的向量
Figure BDA0002643155540000072
为X轴，以X轴为参照，在平面ABC中建立Y轴，Z轴指向为基站D所在位置的竖直方向，构建空间坐标系。
进一步优化，四个基站所构成的三棱锥以各个顶点(A，B，C，D)对应的高(HA，HB，HC，HD)大于基站测距精度，精度度量用多次测量误差的均值表示，单位为米。
如此设置，通过在空间内任意安装基站，由于基站的坐标方位不同，从而可以得到两个空间坐标系。
实施例2
结合实施例一说明本实施例，一种基于左、右手性空间定位方法，两两基站之间的距离通过基础定位系统内部基站互相测量得到，分别表示为
Figure BDA0002643155540000081
通过对各方位向量进行设定，方便后续计算。
进一步优化，以右手性空间定位系为标准建立虚拟坐标系，其中基站A、B、C、D的坐标为A(0,0,0)，B(XB,YB,0)，C(b，0，0)，D(XD，YD，ZD),其中，
Figure BDA0002643155540000082
S表示△ABC的面积，
Figure BDA0002643155540000083
则
Figure BDA0002643155540000084
V表示三棱锥D-ABC的体积
Figure BDA0002643155540000085
G＝(c2+d2-e2)2
H＝(b2+d2-f2)2
K＝(b2+c2-a2)2
则
Figure BDA0002643155540000086
Figure BDA0002643155540000087
当d2-ZD 2-XD 2＞0时，
Figure BDA0002643155540000088
d2-ZD 2-XD 2＝0时，YD＝0。
如此设置，可通过计算获得基站的具体坐标值，从而确定其位置。
实施例3
结合实施例一至二说明本实施方式，实际基站A’、B’、C’、D’在虚拟坐标系中的位置为两两基站之间长度的映射，即
Figure BDA0002643155540000091
Figure BDA0002643155540000092
其中A’、B’、C’、D’与A、B、C、D分别互为映射，按照这样的映射关系，虚拟坐标系统与实际基站对应的坐标系统存在镜像或一致。
作为优选的，当右手性坐标系中的点与虚拟映射点一一对应且位置一致时，在空间移动信标Q，按照y→x→z轨迹移动，在虚拟坐标系中，同样会出现一个Q′点沿着y′→x′→z′移动，这个移动轨迹所构成的矢量坐标系为右手性空间坐标系轨迹；
进一步，当左手性坐标系中的点与虚拟映射点镜像时，在空间移动信标Q，按照y→x→z轨迹移动，在虚拟坐标系中，同样会出现一个Q′点沿着y′→x′→z′移动，对应的y′→x′→z′移动轨迹为左手性空间坐标系轨迹；
如此设置，通过运动轨迹的不同从而区分了左、右手性空间坐标系，手性的不同决定着算法的不同。
实施例4
结合实施例一至三说明本实施方式，初始时刻信标Q于点O处，通过在右手性坐标系测距系统中的测距值，即信标Q到A、B、C、D四点的距离分别为LA、LB、LC、LD，通过四点空间定位法计算信标Q在O处的坐标Q′，信标Q在X、Y、Z处得到相应坐标X′、Y′、Z′，由虚拟坐标系得出的运动的轨迹用向量表示为
Figure BDA0002643155540000093
根据右手螺旋定则，对矢量
Figure BDA0002643155540000094
和
Figure BDA0002643155540000095
做外积运算，即
Figure BDA0002643155540000096
从而
Figure BDA0002643155540000101
在
Figure BDA0002643155540000102
上的投影
Figure BDA0002643155540000103
的内积为正值，表示右手性坐标系与虚拟坐标系是一致的；
进一步，初始时刻信标Q于点O处，通过在左手性坐标系测距系统中的测距值，即信标Q到A、B、C、D四点的距离分别为LA、LB、LC、LD，通过四点空间定位法计算信标Q在O处的坐标Q′，信标Q在X、Y、Z处得到相应坐标X′、Y′、Z′，由虚拟坐标系得出的运动的轨迹用向量表示为
Figure BDA0002643155540000104
根据右手螺旋定则，对矢量
Figure BDA0002643155540000105
和
Figure BDA0002643155540000106
做外积运算，即
Figure BDA0002643155540000107
从而
Figure BDA0002643155540000108
在
Figure BDA0002643155540000109
上的投影
Figure BDA00026431555400001010
的内积为负值，表示左手性坐标系与虚拟坐标系是镜像的；
如此设置，通过初始计算，得知D基站竖坐标为正值时，右手性坐标系与虚拟坐标系一致，当D基站竖坐标为负值时，左手性坐标系与虚拟坐标系镜像，由此可知，实际的基站A、B、C、D在虚拟坐标系中的坐标可被确定。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于左、右手性空间定位系统，在满足分布式局部定位基站局部区域分布密度的情况下，随机安装四个基站，四个不共面的基站A、B、C、D组成一个基础定位系统；
其特征在于，右手性空间定位系统包括以下步骤:
以基站A为坐标原点，基站A、C构成的向量
Figure FDA0002643155530000013
为X轴，以X轴为参照，在平面ABC中建立Y轴，Z轴指向为基站D所在位置的竖直方向，构建空间坐标系；
左手性空间定位系统包括以下步骤：
以基站A为坐标原点，基站A、B构成的向量
Figure FDA0002643155530000014
为X轴，以X轴为参照，在平面ABC中建立Y轴，Z轴指向为基站D所在位置的竖直方向，构建空间坐标系。
2.根据权利要求1所述一种基于左、右手性空间定位系统，其特征在于，四个基站所构成的三棱锥以各个顶点(A，B，C，D)对应的高(HA，HB，HC，HD)大于基站测距精度。
3.一种基于左、右手性空间定位方法，其特征在于，两两基站之间的距离通过基础定位系统内部基站互相测量得到，分别表示为
Figure FDA0002643155530000011
4.根据权利要求3所述一种基于左、右手性空间定位方法，其特征在于，以右手性空间定位系为标准建立虚拟坐标系，其中基站A、B、C、D的坐标为A(0,0,0)，B(XB,YB,0)，C(b，0，0)，D(XD，YD，ZD)，
其中，
Figure FDA0002643155530000012
Figure FDA0002643155530000021
则
Figure FDA0002643155530000022
Figure FDA0002643155530000023
G＝(c2+d2-e2)2
H＝(b2+d2-f2)2
K＝(b2+c2-a2)2
则
Figure FDA0002643155530000024
Figure FDA0002643155530000025
当d2-ZD 2-XD 2＞0时，
Figure FDA0002643155530000026
d2-ZD 2-XD 2＝0时，YD＝0。
5.根据权利要求4所述一种基于左、右手性空间定位方法，其特征在于，实际基站A’、B’、C’、D’在虚拟坐标系中的位置为两两基站之间长度的映射，即
Figure FDA0002643155530000027
Figure FDA0002643155530000028
其中A’、B’、C’、D’与A、B、C、D分别互为映射，按照这样的映射关系，虚拟坐标系统与实际基站对应的坐标系统存在镜像或一致。
6.根据权利要求5所述一种基于左、右手性空间定位方法，其特征在于,当右手性坐标系中的点与虚拟映射点一一对应且位置一致时，在空间移动信标Q，按照y→x→z轨迹移动，在虚拟坐标系中，同样会出现一个Q′点沿着y′→x′→z′移动，这个移动轨迹所构成的矢量坐标系为右手性空间坐标系轨迹。
7.根据权利要求6所述一种基于左、右手性空间定位系统及其定位方法，其特征在于，当左手性坐标系中的点与虚拟映射点镜像时，在空间移动信标Q，按照y→x→z轨迹移动，在虚拟坐标系中，同样会出现一个Q′点沿着y′→x′→z′移动，对应的y′→x′→z′移动轨迹为左手性空间坐标系轨迹。
8.根据权利要求7所述一种基于左、右手性空间定位方法，其特征在于，初始时刻信标Q于点O处，通过在右手性坐标系测距系统中的测距值，即信标Q到A、B、C、D四点的距离分别为LA、LB、LC、LD，通过四点空间定位法计算信标Q在O处的坐标Q′，信标Q在X、Y、Z处得到相应坐标X′、Y′、Z′，由虚拟坐标系得出的运动的轨迹用向量表示为
Figure FDA0002643155530000031
对矢量
Figure FDA0002643155530000032
和
Figure FDA0002643155530000033
做外积运算，即
Figure FDA0002643155530000034
从而
Figure FDA0002643155530000035
在
Figure FDA0002643155530000036
上的投影
Figure FDA0002643155530000037
的内积为正值，表示右手性坐标系与虚拟坐标系是一致的。
9.根据权利要求8所述一种基于左、右手性空间定位方法，其特征在于，初始时刻信标Q于点O处，通过在左手性坐标系测距系统中的测距值，即信标Q到A、B、C、D四点的距离分别为LA、LB、LC、LD，通过四点空间定位法计算信标Q在O处的坐标Q′，信标Q在X、Y、Z处得到相应坐标X′、Y′、Z′，由虚拟坐标系得出的运动的轨迹用向量表示为
Figure FDA0002643155530000038
对矢量
Figure FDA0002643155530000039
和
Figure FDA00026431555300000310
做外积运算，即
Figure FDA00026431555300000311
从而
Figure FDA00026431555300000312
在
Figure FDA00026431555300000313
上的投影
Figure FDA00026431555300000314
的内积为负值，表示左手性坐标系与虚拟坐标系是镜像的。
10.根据权利要求8所述一种基于左、右手性空间定位方法，其特征在于，当
Figure FDA0002643155530000041
D点基站的竖坐标ZD取正值，当
Figure FDA0002643155530000042
D点基站的竖坐标取负值。
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