CN112595327A - 一种基于uwb室内定位系统的定位方法及装置 - Google Patents

一种基于uwb室内定位系统的定位方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于UWB室内定位系统的定位方法及装置。该方法包括：基于UWB室内定位系统中基站的摆放位置，建立室内坐标系；通过所述UWB室内定位系统获取携带电子标签的待定位物体到各所述基站的距离以及位置信息；通过变增益卡尔曼滤波器对所述距离以及位置信息进行处理，消除NLOS误差，计算所述待定位物体在所述室内坐标系下的位置；通过改进的粒子滤定位算法对所述待定位物体在所述室内坐标系下的位置进行处理，得到当前时刻所述待定位物体的位置。本发明通过上述方法能够有效降低室内环境中NLOS误差对于定位结果的影响，得到最佳的室内位置估计。

Description

一种基于UWB室内定位系统的定位方法及装置
技术领域
本发明涉及室内定位领域，特别是涉及一种基于UWB室内定位系统的定位方法及装置。
背景技术
全球卫星导航定位系统已经发展的较为完善，在信号良好的室外环境下能够提供较高精度的定位，比如我国的北斗卫星导航系统服务范围已经扩展到全球，基本上能够满足对室外环境高精度的定位要求。但对于室内环境而言，卫星信号由于受到遮挡而严重衰减，无法实现高精度定位，因此，室内定位技术在近年来开始快速发展。
UWB是近年来逐渐兴起的一种无线通信技术，其具有时间分辨率高与传输速度快等优势，能够满足很多室内定位场合的需求。一般UWB室内定位系统通过时间差、距离差计算能够实现高精度的定位，但实际应用中，往往主要会因为非视距误差导致UWB系统的定位出现误差甚至错误。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于UWB室内定位系统的定位方法及装置，用以减少UWB室内定位系统中的NLOS误差从而提高平均定位精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于UWB室内定位系统的定位方法，包括：
基于UWB室内定位系统中基站的摆放位置，建立室内坐标系；
通过所述UWB室内定位系统获取携带电子标签的待定位物体到各所述基站的距离以及位置信息；
通过变增益卡尔曼滤波器对所述距离以及位置信息进行处理，消除NLOS误差，计算所述待定位物体在所述室内坐标系下的位置；
通过改进的粒子滤定位算法对所述待定位物体在所述室内坐标系下的位置进行处理，得到当前时刻所述待定位物体的位置。
可选地，所述室内坐标系为X-Y二维平面坐标系。
可选地，所述位置信息包括所述待定位物体的X轴方向位置、Y轴方向位置、X轴方向速度、Y轴方向速度、X轴方向加速度和Y轴方向加速度。
可选地，所述待定位物体的X轴方向速度、Y轴方向速度、X轴方向加速度和Y轴方向加速度均由所述UWB室内定位系统中的IMU采集得到。
可选地，所述变增益卡尔曼滤波器的状态方程如下：
Figure BDA0002859996610000021
其中[Xx(n+1)，Xy(n+1)，Vx(n+1)，Vy(n+1)]T和[Xx(n)，Xy(n)，Vx(n)，Vy(n)]T分别是n+1时刻和n时刻UWB室内定位系统计算得到的待定位物体的X轴方向位置、Y轴方向位置、X轴方向速度、Y轴方向速度，[Ax(n)，Ay(n)]T为待定位物体的X轴方向加速度和Y轴方向加速度，T(n)是UWB室内定位系统的采样间隔，v(n)是n时刻的系统噪声。
可选地，所述变增益卡尔曼滤波器的观测方程如下：
Figure BDA0002859996610000022
其中[Xx(n)，Xy(n)，Vx(n)，Vy(n)]T是n时刻UWB室内定位系统计算得到的待定位物体的X轴方向位置、Y轴方向位置、X轴方向速度、Y轴方向速度，w(n)是n时刻所述UWB室内定位系统的观测噪声。
可选地，所述通过变增益卡尔曼滤波器对所述距离以及位置信息进行处理，消除NLOS误差，计算所述待定位物体在所述室内坐标系下的位置，具体包括：
通过变增益卡尔曼滤波器对所述距离以及位置信息进行处理，得到预测值；
计算所述预测值与所述距离之间的差值；
根据所述差值与设定阈值之间的大小确定当前时刻所述UWB室内定位系统的位置数据中是否存在NLOS误差，从而确定待定位物体在所述室内坐标系下的位置。
本发明还提供了一种基于UWB室内定位系统的定位装置，包括：
坐标系建立模块，用于基于UWB室内定位系统中基站的摆放位置，建立室内坐标系；
距离确定模块，用于通过所述UWB室内定位系统获取携带电子标签的待定位物体到各所述基站的距离以及位置信息；
误差消除模块，用于通过变增益卡尔曼滤波器对所述距离以及位置信息进行处理，消除NLOS误差，计算所述待定位物体在所述室内坐标系下的位置；
位置确定模块，用于通过改进的粒子滤定位算法对所述待定位物体在所述室内坐标系下的位置进行处理，得到当前时刻所述待定位物体的位置。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种基于UWB室内定位系统的定位方法及装置，该方法包括：基于UWB室内定位系统中基站的摆放位置，建立室内坐标系；通过所述UWB室内定位系统获取携带电子标签的待定位物体到各所述基站的距离以及位置信息；通过变增益卡尔曼滤波器对所述距离以及位置信息进行处理，消除NLOS误差，计算所述待定位物体在所述室内坐标系下的位置；通过改进的粒子滤定位算法对所述待定位物体在所述室内坐标系下的位置进行处理，得到当前时刻所述待定位物体的位置。本发明通过上述方法能够有效降低室内环境中NLOS误差对于定位结果的影响，得到最佳的室内位置估计。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例基于UWB室内定位系统的定位方法的流程图；
图2为UWB室内定位系统示意图；
图3为UWB室内定位系统中NLOS误差消除方法示意图。
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。
本发明的目的是提供一种基于UWB室内定位系统的定位方法及装置，用以减少UWB室内定位系统中的NLOS误差从而提高平均定位精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-3所示，一种基于UWB室内定位系统的定位方法包括以下步骤：
步骤101：基于UWB室内定位系统中基站的摆放位置，建立室内坐标系。室内坐标系为X-Y二维平面坐标系,。
步骤102：通过所述UWB室内定位系统获取携带电子标签的待定位物体到各所述基站的距离以及位置信息。所述位置信息包括所述待定位物体的X轴方向位置、Y轴方向位置、X轴方向速度、Y轴方向速度、X轴方向加速度和Y轴方向加速度。所述待定位物体的X轴方向速度、Y轴方向速度、X轴方向加速度和Y轴方向加速度均由所述UWB室内定位系统中的IMU采集得到。
步骤103：通过变增益卡尔曼滤波器对所述距离以及位置信息进行处理，消除NLOS误差，计算所述待定位物体在所述室内坐标系下的位置。
所述变增益卡尔曼滤波器的状态方程如下：
Figure BDA0002859996610000051
其中[Xx(n+1)，Xy(n+1)，Vx(n+1)，Vy(n+1)]T和[Xx(n)，Xy(n)，Vx(n)，Vy(n)]T分别是n+1时刻和n时刻UWB室内定位系统计算得到的待定位物体的X轴方向位置、Y轴方向位置、X轴方向速度、Y轴方向速度，[Ax(n)，Ay(n)]T为待定位物体的X轴方向加速度和Y轴方向加速度，T(n)是UWB室内定位系统的采样间隔，v(n)是n时刻的系统噪声。
所述变增益卡尔曼滤波器的观测方程如下：
Figure BDA0002859996610000052
其中[Xx(n)，Xy(n)，Vx(n)，Vy(n)]T是n时刻UWB室内定位系统计算得到的待定位物体的X轴方向位置、Y轴方向位置、X轴方向速度、Y轴方向速度，w(n)是n时刻所述UWB室内定位系统的观测噪声。
由于某些位置遮挡严重，会导致NLOS误差过大，变增益卡尔曼滤波通过设立一个阈值，经过比较观测值与预测值之差和阈值的大小来确定当前时刻系统的位置数据中是否存在NLOS误差，从而确定状态的更新值，从而消除NLOS误差，具体为：
变增益卡尔曼滤波器的状态方程和观测方程可写为：
xn＝Fn|xn-1+vn
zn＝Cnxn+wn
其中xn为n时刻的状态值，Fn为n时刻状态转移矩阵，xn-1为n-1时刻的状态，vn为n时刻满足均值为0，误差协方差矩阵为Q的过程噪声，zn为n时刻的状态观测值，Cn为n时刻的状态观测矩阵，wn为n时刻满足均值为0，误差协方差矩阵为R的观测噪声。
xn|n-1＝Fn|n-1xn-1+Q
其中xn|n-1为n-1时刻对n时刻状态的预测量，Fn|n-1为n-1时刻到n时刻的状态转移矩阵。
Pn|n-1＝Fn|n-1Pn-1Fn|n-1+Q
其中Pn|n-1为n-1时刻对n时刻误差协方差的预测量，其中Pn-1为n-1时刻的误差误差协方差。
en＝zn-xn|n-1
其中en为n时刻观测值与预测值之差。
An＝CnPn|n-1CT+R
Figure BDA0002859996610000061
其中h为系统设定的阈值，Kn为n时刻的卡尔曼增益。
Pn＝(I-Kn*C)*Pn|n-1
其中Pn为n时刻的误差误差协方差。
xn＝xn|n-1+K*en
其中xn为n时刻更新的状态值。
步骤104：通过改进的粒子滤定位算法对所述待定位物体在所述室内坐标系下的位置进行处理，得到当前时刻所述待定位物体的位置。
建立改进粒子滤波模型，执行改进的粒子滤波算法对数据进行处理，在初始化过程中，t＝0时刻，对于i＝1、2、..、N，由状态向量的先验概率密度函数P(X0)产生采样粒子群
Figure BDA0002859996610000062
所有的采样粒子的权重为1/N，N为粒子个数。在t＝I时刻，I＝1、2、..、n，由变增益卡尔曼滤波进行状态估计和误差协方差的更新，通过估计的状态和误差协方差进行粒子采样得到I时刻的粒子
Figure BDA0002859996610000071
本发明还提供了一种基于UWB室内定位系统的定位装置，包括：
坐标系建立模块，用于基于UWB室内定位系统中基站的摆放位置，建立室内坐标系；
距离确定模块，用于通过所述UWB室内定位系统获取携带电子标签的待定位物体到各所述基站的距离以及位置信息；
误差消除模块，用于通过变增益卡尔曼滤波器对所述距离以及位置信息进行处理，消除NLOS误差，计算所述待定位物体在所述室内坐标系下的位置；
位置确定模块，用于通过改进的粒子滤定位算法对所述待定位物体在所述室内坐标系下的位置进行处理，得到当前时刻所述待定位物体的位置。
本发明通过使用UWB室内定位系统中NLOS误差消除方法，有效降低了室内环境中NLOS误差对于定位结果的影响，得到了最佳的室内位置估计。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于UWB室内定位系统的定位方法，其特征在于，包括：
基于UWB室内定位系统中基站的摆放位置，建立室内坐标系；
通过所述UWB室内定位系统获取携带电子标签的待定位物体到各所述基站的距离以及位置信息；
通过变增益卡尔曼滤波器对所述距离以及位置信息进行处理，消除NLOS误差，计算所述待定位物体在所述室内坐标系下的位置；
通过改进的粒子滤定位算法对所述待定位物体在所述室内坐标系下的位置进行处理，得到当前时刻所述待定位物体的位置。
2.根据权利要求1所述的基于UWB室内定位系统的定位方法，其特征在于，所述室内坐标系为X-Y二维平面坐标系。
3.根据权利要求1所述的基于UWB室内定位系统的定位方法，其特征在于，所述位置信息包括所述待定位物体的X轴方向位置、Y轴方向位置、X轴方向速度、Y轴方向速度、X轴方向加速度和Y轴方向加速度。
4.根据权利要求3所述的基于UWB室内定位系统的定位方法，其特征在于，所述待定位物体的X轴方向速度、Y轴方向速度、X轴方向加速度和Y轴方向加速度均由所述UWB室内定位系统中的IMU采集得到。
5.根据权利要求1所述的基于UWB室内定位系统的定位方法，其特征在于，所述变增益卡尔曼滤波器的状态方程如下：
Figure FDA0002859996600000011
其中[Xx(n+1)，Xy(n+1)，Vx(n+1)，Vy(n+1)]T和[Xx(n)，Xy(n)，Vx(n)，Vy(n)]T分别是n+1时刻和n时刻UWB室内定位系统计算得到的待定位物体的X轴方向位置、Y轴方向位置、X轴方向速度、Y轴方向速度，[Ax(n)，Ay(n)]T为待定位物体的X轴方向加速度和Y轴方向加速度，T(n)是UWB室内定位系统的采样间隔，v(n)是n时刻的系统噪声。
6.根据权利要求1所述的基于UWB室内定位系统的定位方法，其特征在于，所述变增益卡尔曼滤波器的观测方程如下：
Figure FDA0002859996600000021
其中[Xx(n)，Xy(n)，Vx(n)，Vy(n)]T是n时刻UWB室内定位系统计算得到的待定位物体的X轴方向位置、Y轴方向位置、X轴方向速度、Y轴方向速度，w(n)是n时刻所述UWB室内定位系统的观测噪声。
7.根据权利要求1所述的基于UWB室内定位系统的定位方法，其特征在于，所述通过变增益卡尔曼滤波器对所述距离以及位置信息进行处理，消除NLOS误差，计算所述待定位物体在所述室内坐标系下的位置，具体包括：
通过变增益卡尔曼滤波器对所述距离以及位置信息进行处理，得到预测值；
计算所述预测值与所述距离之间的差值；
根据所述差值与设定阈值之间的大小确定当前时刻所述UWB室内定位系统的位置数据中是否存在NLOS误差，从而确定待定位物体在所述室内坐标系下的位置。
8.一种基于UWB室内定位系统的定位装置，其特征在于，包括：
坐标系建立模块，用于基于UWB室内定位系统中基站的摆放位置，建立室内坐标系；
距离确定模块，用于通过所述UWB室内定位系统获取携带电子标签的待定位物体到各所述基站的距离以及位置信息；
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