CN113067847B - 一种匹配式超宽带定位系统架构设计方法 - Google Patents

一种匹配式超宽带定位系统架构设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种匹配式超宽带定位系统架构设计方法，属于物联网定位技术领域，用于解决室内电子设备的精准定位和身份识别的技术问题。本方法包括在空间内设置的三维成像相机和集成有超宽带UWB芯片的目标识别设备，目标识别设备分配有身份ID；三维成像相机建立空间坐标系，获取目标识别设备的空间坐标参数，对空间坐标进行计算获得目标识别设备间的空间距离和方位角度；通过匹配超宽带UWB芯片获得的位置距离和空间角度数据与通过三维成像相机获得的数据对比分析进而判断每个目标识别设备的身份ID，实现室内电子设备的精准定位和身份识别；能够广泛应用于室内物联网、工业工厂、消费电子中的物体身份ID和位置识别，实现灵活便捷的控制和信号传输。

Description

一种匹配式超宽带定位系统架构设计方法
技术领域
本发明属于物联网定位技术领域，涉及一种匹配式超宽带定位系统架构设计方法。
背景技术
物联网一直被认为是“下一个工业革命”，因为它即将改变人们的生活、工作、娱乐和旅行方式。随着物联网技术的快速发展，作为移动通信和个人通信服务的一部分，室内位置服务也变得越来越重要，基于位置的服务成为最具发展潜力的物联网业务之一。
室内物联网定位技术能够广泛的应用于室内电子设备的身份识别、空间信息识别，使得能够提供更多和灵活的室内物联网控制、识别和定位方式。
超宽带(Ultra Wide-Band，简称UWB)定位，是一种新型的无线通信技术。该技术采用TDOA(到达时间差原理)，利用UWB技术测得定位标签相对于两个不同定位基站之间无线电信号传播的时间差，从而得出定位标签相对于四组定位基站的距离差。
超宽带定位系统是指在室内定位系统中，人员或物品上所佩戴的定位标签利用UWB脉冲信号发射出位置数据，定位基站接收，计算出定位标签信号到达不同定位基站的时间道差，然后处理软件对位置进行结算，从而得到被定位物体的位置。因为它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，所以定位特别精准，定位精度最高能达到6cm。
现有室内物联网定位技术难以同时实现室内多个电子设备的身份识别和空间信息的精准识别，从而对设备进行精准控制。因此，就需要设计一种匹配式超宽带定位系统架构，能够实现室内互联网设备的灵活匹配和相互定位控制，便于室内家电设备、机器人或其他电子设备相互发送指令和信号。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，为了实现室内的多终端灵活控制和识别，即一个电子设备快速的识别并定位其他电子设备，提出了一种匹配式超宽带定位系统架构设计方法，该装置要解决的技术问题是：如何实现室内电子的精准定位和身份识别，从而实现一个目标识别设备和其他多个目标识别设备的快速识别与空间匹配，在任何一个设备发生空间位置移动后，仍然可以快速准确的判断其他设备的位置和身份信息。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种匹配式超宽带定位系统架构设计方法，是一种在室内互联网设备的灵活匹配和相互定位控制的方法，应用于室内物联网、工业工厂、消费电子中的物体身份ID和位置识别，通过匹配三维成像相机与超宽带UWB芯片获取的数据来判断空间中目标识别设备的空间位置和身份ID，便于室内家电设备、机器人或其他电子设备相互发送指令和信号。
采用本方法设计的匹配式超宽带定位系统架构包括在空间内设置的若干目标识别设备和三维成像相机，每个目标识别设备集成设置有超宽带UWB芯片，并对每个目标识别设备分配身份ID；
通过三维成像相机建立空间坐标系，获取目标识别设备的空间坐标参数，对目标识别设备的空间坐标参数进行计算获得任意两个目标识别设备的空间距离和方位角度；
目标识别设备通过所集成的超宽带UWB芯片获取其他目标识别设备的空间位置距离和空间角度方向；
超宽带UWB芯片获得的位置距离和空间角度数据与通过三维成像相机获得的位置距离和空间角度数据对比分析分辨出每个目标识别设备的身份ID。
所述目标识别设备的数量为两个以上，每个目标识别设备上集成超宽带UWB芯片，每个目标识别设备均分配有可识别的身份ID，即每个目标识别设备有一个自己的身份ID；目标识别设备可通过设备上集成的超宽带UWB芯片寻找其他目标识别设备，定位其他目标识别设备的空间位置，获取空间位置距离和空间角度方向数据。
所述目标识别设备为电子设备，具有其他电子单元，如供电单元、处理器、通讯单元，该目标设别设备能够自行处理超宽带UWB芯片所获取地数据或将超宽带UWB芯片所获取的数据传输给其他设备进行处理。
所述身份ID为用于区分每个目标识别设备的一个或一串数据，是每个目标识别设备的身份名称。
所述超宽带UWB芯片是一种无线射频的通讯芯片，发射和接收的信号具有很高的带宽比，能够发射和接收极窄(纳秒级乃至亚纳秒级)的脉冲信号。在电子设备上集成设置超宽带UWB芯片，超宽带UWB芯片能够向其他超宽带UWB芯片发射和接收极窄的脉冲信号，通过计算发射和接收的脉冲信号时间差可以计算其他超宽带UWB芯片的距离位置和空间角度，从而精准得到被定位物体的位置和身份信息。
所述三维成像相机获取物体和空间的三维信息，建立空间坐标系；三维成像相机定位目标识别设备的空间三维轮廓并获取目标识别设备在空间坐标系的空间坐标参数。
所述三维成像相机为能够识别空间中目标识别设备并获取目标识别设备的空间位置参数的立体相机或激光雷达，在获取任意两目标识别设备的空间位置参数后，可以通过立体几何进行计算出两目标识别设备的空间距离和方位关系(即坐标系下的转角和仰角)，即该系统可以知道任意两目标识别设备身份ID所对应的空间距离和方位关系。
所述空间位置参数包括空间三维坐标(X，Y，Z)和通过三维坐标所计算出的空间角度和距离等参数。
三维成像相机建立空间坐标系，获取目标识别设备的空间坐标参数，对目标识别设备的空间坐标参数进行计算获得任意两个目标识别设备的空间距离和方位角度的计算方法如下：
位于空间中的各目标识别设备上均集成设置有超宽带UWB芯片，每个目标识别设备均分配有身份ID，以三维成像相机为原点建立空间坐标系，各目标识别设备依次设置为A、B、C、D...，空间坐标分别对应为(Xa，Ya，Za)、(Xb，Yb，Zb)、(Xc，Yc，Zc)、(Xd，Yd，Zd)...
通过立体几何可以计算出向量
Figure GDA0003536510030000031
AB的距离为
Figure GDA0003536510030000032
向量
Figure GDA0003536510030000033
计算A和B方向的空间夹角θab，即
Figure GDA0003536510030000041
Figure GDA0003536510030000042
同样地，类似计算目标识别设备A和C之间地距离为
Figure GDA0003536510030000043
A和C方向的空间夹角θac，即
Figure GDA0003536510030000044
采用上述方法可以依次计算出目标识别设备A与其他目标识别设备的空间位置距离和方位角度数据统计为
Figure GDA0003536510030000045
所述空间中的三维坐标系中所存在的任意目标识别设备，可以通过集成在其上的超宽带UWB芯片来定位其他目标识别设备的空间距离和方位关系数据，通过匹配该数据与前面通过三维坐标系计算得到的空间距离和方位关系，便可以知道另一其他目标识别设备的身份ID；通过此方法可以区分并识别空间中所有的目标识别设备ID。
所述目标识别设备包括家用电器、机器人和其他电子设备，家用设备包括遥控器、手机、冰箱、电视、空调、音响、手环、手表等电子设备。
本发明提供的一种匹配式超宽带定位系统架构设计方法，通过三维成像相机来获取所有空间中目标识别设备之间空间位置参数进行计算获得任意两个目标识别设备的空间位置距离和角度方位，再通过目标识别设备上所集成的超宽带UWB芯片来获取空间中另一目标识别设备的空间位置距离和角度方位，通过匹配该空间位置距离和角度方位与三维成像相机来获取所有空间中的目标识别设备之间的空间位置距离和角度方位，便可以判断并区分另一目标识别设备的身份ID。从而能够在空间中有多个目标识别设备时，无论任意目标识别设备发生移动与否，一个目标识别设备在精准寻找到另一个目标识别设备时能够判断其身份ID、空间距离和角度方位。
与现有技术相比，本匹配式超宽带定位系统架构设计方法具有以下优点：
本发明通过匹配超宽带UWB芯片获得的位置距离和空间角度数据与通过三维成像相机获得的位置距离和空间角度数据进而判断每个目标识别设备的身份ID，能够实现室内电子设备在发生移动后然后可以准确的判断、识别和定位其他电子设备；能够广泛的应用于室内物联网、工业工厂、消费电子中的物体身份ID和位置识别，实现灵活和便捷的控制和信号传输。
本设计方法能够实现室内的多终端灵活控制和识别，通过室内一个终端可以快速定位和识别其他的终端，在室内物联网实现一个设备管理或遥控其他设备，与此同时不需要路由器等数据传输基站或者网关。
附图说明
图1是采用本系统架构设计方法以三维成像相机为原点建立空间坐标系获取空间内其他目标识别设备的坐标系结构示意图；
图2是采用本系统架构设计方法目标识别设备A获取空间内其他目标识别设备空间位置的结构示意图；
图2是本系统架构设计方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
本实施例提供了一种匹配式超宽带定位系统架构设计方法，应用于室内物联网、工业工厂、消费电子中的物体身份ID和位置识别，通过匹配三维成像相机与超宽带UWB芯片获取的数据来判断空间中目标识别设备的空间位置和身份ID，提供一种在室内互联网设备的灵活匹配和相互定位控制的方法，便于室内家电设备、机器人或其他电子设备相互发送指令和信号。
采用本方法设计的匹配式超宽带定位系统架构包括在空间内设置的若干目标识别设备和三维成像相机，每个目标识别设备集成设置有超宽带UWB芯片，并对每个目标识别设备分配身份ID；
通过三维成像相机建立空间坐标系，获取目标识别设备的空间坐标参数，对目标识别设备的空间位置坐标进行计算获得任意两个目标识别设备的空间距离和方位角度；
目标识别设备通过所集成的超宽带UWB芯片获取其他目标识别设备的空间位置距离和空间角度方向；
超宽带UWB芯片获得的位置距离和空间角度数据与通过三维成像相机获得的位置距离和空间角度数据对比分析分辨出每个目标识别设备的身份ID。
目标识别设备的数量为两个以上，每个目标识别设备上集成超宽带UWB芯片，每个目标识别设备均分配有可识别的身份ID，即每个目标识别设备有一个自己的身份ID；目标识别设备可通过设备上集成的超宽带UWB芯片寻找其他目标识别设备，定位其他目标识别设备的空间位置，获取空间位置距离和空间角度方向数据。
目标识别设备为电子设备，具有其他电子单元，如供电单元、处理器、通讯单元，该目标设别设备能够自行处理超宽带UWB芯片所获取地数据或将超宽带UWB芯片所获取的数据传输给其他设备进行处理。
身份ID为用于区分每个目标识别设备的一个或一串数据，是每个目标识别设备的身份名称。
超宽带UWB芯片是一种无线射频的通讯芯片，发射和接收的信号具有很高的带宽比，能够发射和接收极窄(纳秒级乃至亚纳秒级)的脉冲信号。在电子设备上集成设置超宽带UWB芯片，超宽带UWB芯片能够向其他超宽带UWB芯片发射和接收极窄的脉冲信号，通过计算发射和接收的脉冲信号时间差可以计算其他超宽带UWB芯片的距离位置和空间角度，从而精准得到被定位物体的位置和身份信息。
三维成像相机获取物体和空间的三维信息，建立空间坐标系；三维成像相机定位目标识别设备的空间三维轮廓并获取目标识别设备在空间坐标系的空间坐标参数。
三维成像相机为能够识别空间中目标识别设备并获取目标识别设备的空间坐标参数的立体相机或激光雷达，在获取任意两目标识别设备的空间坐标参数后，可以通过立体几何进行计算出两目标识别设备的空间距离和方位关系(即坐标系下的转角和仰角)，即该系统可以知道任意两目标识别设备身份ID所对应的空间距离和方位关系。
空间位置参数包括空间三维坐标(X，Y，Z)和通过三维坐标所计算出的空间角度和距离等参数。
空间中的三维坐标系中所存在的任意目标识别设备，可以通过集成在其上的超宽带UWB芯片来定位其他目标识别设备的空间距离和方位关系数据，通过匹配该数据与前面通过三维坐标系计算得到的空间距离和方位关系，便可以知道另一其他目标识别设备的身份ID；通过此方法可以区分并识别空间中所有的目标识别设备ID。
本发明提供的一种匹配式超宽带定位系统架构设计方法，通过三维成像相机来获取所有空间中目标识别设备之间空间位置参数进行计算获得任意两个目标识别设备的空间位置距离和角度方位，再通过目标识别设备上所集成的超宽带UWB芯片来获取空间中另一目标识别设备的空间位置距离和角度方位，通过匹配该空间位置距离和角度方位与三维成像相机来获取所有空间中的目标识别设备之间的空间位置距离和角度方位，便可以判断并区分另一目标识别设备的身份ID。从而能够在空间中有多个目标识别设备时，无论任意目标识别设备发生移动与否，一个目标识别设备在精准寻找到另一个目标识别设备时能够判断其身份ID、空间距离和角度方位。
在本发明中，所述目标识别设备可以是家用电器、机器人或者其他电子设备，为使本发明能够确切、清晰的描述，本实施例将以室内家用电器设备控制来说明一种匹配式超宽带定位系统架构设计方法。
具体地，当室内有许多家用设备，冰箱、电视、空调、音响、手环、手表等电子设备，物联网技术的发展可以提供一种遥控器或者手机等终端来控制所有的电器设备，一方面遥控器可能会在空间被用户移动，一方面家用电器也可能被用户移动，即所有的目标识别设备都有可能在空间被移动。
采用本方法设计的匹配式超宽带定位系统可以提供一个多功能的遥控器，即此遥控器在匹配空调时便可以向空调发射指令，在匹配手表时，便可以向手表发射指令；在室内有多个空调时，即空调1、空调2、空调3...时，空调出厂后的配置是完全一样的，这时采用匹配式超宽带射频定位系统设计提供的遥控器仍然可以通过位置判断达到上述功能，即指向任意空调便可以控制其工作，达到及其便利的操作方法。
通过该种方式，无论室内设备的种类和出厂设置相同与否，任意系统内的设备如遥控器或者手机都可以灵活的通过位置来控制或发送指令，达到一种灵活、便捷、智能的控制方法。
在上述实施例基础上，作为一种优选的实施例，对目标识别设备进行身份ID分配，可以以目标识别设备A为遥控器或手机设备，目标识别设备B、C…为空调、冰箱的家用电器。
作为一种优选的实施例，如图1所示，图1是采用本系统架构设计方法以三维成像相机为原点建立空间坐标系获取空间内其他目标识别设备的坐标系结构示意图；O点为三维成像相机位置，即为原点，通过图像识别可以获取A、B、C的空间坐标(Xa，Ya，Za)、(Xb，Yb，Zb)、(Xc，Yc，Zc)。
通过立体几何可以计算出向量
Figure GDA0003536510030000081
AB的距离为
Figure GDA0003536510030000082
向量
Figure GDA0003536510030000083
计算A和B方向的空间夹角θab，即
Figure GDA0003536510030000084
Figure GDA0003536510030000085
同样地，类似计算目标识别设备A和C之间地距离为
Figure GDA0003536510030000091
A和C方向的空间夹角θac，即
Figure GDA0003536510030000092
进一步地，可以计算各目标识别设备之间的距离和方位角度，统计表如表1所示。
表1为以各各目标识别设备与目标识别设备A之间的距离和方位角度统计表
Figure GDA0003536510030000093
上述目标识别设备A、B、C、D、E...均集成有超宽带UWB芯片；任意一对超宽带UWB芯片可以通过发射脉冲信号，通过计算发射和接收的信号时间差与相位差可以分别计算出两个超宽带UWB芯片的距离和角度。
进一步地，如图2所示，图2是目标识别设备A获取空间内其他目标识别设备的空间位置的坐标系结构示意图；目标识别设备A可以广播式发射脉冲信号，可以获得空间内其他目标识别设备的距离d和方位角度θ，所获取的空间位置距离和方位角度统计为[(d1，θ1)，(d2，θ2)，(d3，θ3)，(d4，θ4)，...]，此时可以获取空间内其他目标识别设备的空间位置，但不能确定每个目标识别设备的身份ID；
进一步地，将目标识别设备A所获取的空间位置距离和方位角度数据[(d1，θ1)，(d2，θ2)，(d3，θ3)，(d4，θ4)，...]，与通过三维成像相机获取坐标计算得到的
Figure GDA0003536510030000094
进行匹配对比分析，以此来分辨出每个目标识别设备的身份ID。
在本实施例中，上述方法可以用于室内遥控器或者手机等手持设备来识别并发送信号至空调、电视、手表手环等家电或电子设备，本发明不仅局限于上述实施例，也可以用于厂房内机器人相互识别，或者手持设备识别和控制，或者其他电子设备的相互识别和控制。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种匹配式超宽带定位系统架构设计方法，其特征在于，包括在空间内设置的若干目标识别设备和三维成像相机，每个目标识别设备均集成设置有超宽带UWB芯片，并对每个目标识别设备分配身份ID；通过匹配三维成像相机与超宽带UWB芯片获取的数据来判断空间中目标识别设备的空间位置和身份ID，识别方法如下：
三维成像相机建立空间坐标系，获取目标识别设备的空间坐标参数，对目标识别设备的空间坐标参数进行计算获得任意两个目标识别设备的空间距离和方位角度；
目标识别设备通过所集成的超宽带UWB芯片获取其他目标识别设备的空间位置距离和空间角度方向；
超宽带UWB芯片获得的位置距离和空间角度数据与通过三维成像相机获得的位置距离和空间角度数据对比分析分辨出每个目标识别设备的身份ID。
2.根据权利要求1所述的一种匹配式超宽带定位系统架构设计方法，其特征在于，所述目标识别设备的数量为两个以上，每个目标识别设备可通过设备上集成的超宽带UWB芯片寻找其他目标识别设备，定位其他目标识别设备的空间位置，获取空间位置距离和空间角度方向数据。
3.根据权利要求2所述的一种匹配式超宽带定位系统架构设计方法，其特征在于，所述目标识别设备为电子设备，具有供电单元、处理器、通讯单元，目标设别设备能够自行处理超宽带UWB芯片所获取地数据或将超宽带UWB芯片所获取的数据传输给其他设备进行处理。
4.根据权利要求1所述的一种匹配式超宽带定位系统架构设计方法，其特征在于，所述身份ID为用于区分每个目标识别设备的一个或一串数据。
5.根据权利要求1所述的一种匹配式超宽带定位系统架构设计方法，其特征在于，所述三维成像相机为能够识别空间中目标识别设备并获取目标识别设备的空间位置参数的立体相机或激光雷达，在获取任意两目标识别设备放入空间位置参数后，通过立体几何进行计算出两目标识别设备的空间距离和方位角度数据。
6.根据权利要求1所述的一种匹配式超宽带定位系统架构设计方法，其特征在于，所述目标识别设备包括家用电器、机器人和其他电子设备。
7.根据权利要求6所述的一种匹配式超宽带定位系统架构设计方法，其特征在于，所述目标识别设备包括遥控器、手机、冰箱、电视、空调、音响、手环、手表等电子设备。
8.根据权利要求5所述的一种匹配式超宽带定位系统架构设计方法，其特征在于，所述三维成像相机建立空间坐标系，获取目标识别设备的空间坐标参数，对目标识别设备的空间坐标参数进行计算获得任意两个目标识别设备的空间距离和方位角度的计算方法如下：
位于空间中的各目标识别设备上均集成设置有超宽带UWB芯片，每个目标识别设备均分配有身份ID，以三维成像相机为原点建立空间坐标系，各目标识别设备依次设置为A、B、C、D...，空间坐标分别对应为(Xa，Ya，Za)、(Xb，Yb，Zb)、(Xc，Yc，Zc)、(Xd，Yd，Zd)...
通过立体几何可以计算出向量
Figure FDA0003639558510000021
AB的距离为
Figure FDA0003639558510000022
向量
Figure FDA0003639558510000023
计算A和B方向的空间夹角θab，即
Figure FDA0003639558510000024
Figure FDA0003639558510000025
同样地，类似计算目标识别设备A和C之间地距离为
Figure FDA0003639558510000026
A和C方向的空间夹角θac，即
Figure FDA0003639558510000027
采用上述方法可以依次计算出目标识别设备A与其他目标识别设备的空间位置距离和方位角度数据统计为[(|AB|，θab)，(|AC|，θac)，(|AD|，θad)，(|AE|，θae)，...]。
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