CN113419264A - 一种高精度室内外定位系统及室内外定位与过渡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度室内外定位系统及室内外定位与过渡方法，定位系统包含UWB模块，用于室内高精度定位；RTK模块，用于室外GNSS高精度定位；十轴模块，具有三轴的加速度、陀螺仪、磁力计和一个气压计，用步行者航位推算(PDR)算法能计算出运动轨迹、用磁力计估测运动方向、用气压计估测水平高度，再与UWB室内定位、RTK室外定位结合，能较好地解决室内外定位与过渡问题；4G数据传输模块，用来传输RTK差分信息、GNSS室外定位信息和UWB室内定位信息；STM32微处理器模块，用来连接各个功能模块，发送、接收和处理信息。本发明解决了传统室内外精度不高和室内外过渡区域信号不好造成定位效果差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种高精度室内外定位系统及室内外定位与过渡方法。
背景技术
随着无线通信网络、移动互联网及智能终端的飞速发展，基于位置服务的需求也不断增加。在不同复杂的环境，可靠连续地提供位置信息服务，已经触及到人们生活的方方面面，因此作为提供位置服务保障的室内定位技术也引起了人们越来越多的关注。
尽管室外可以使用GPS进行定位，但在室内、地下、建筑物密集等场景中，由于信号的遮挡、衰减、多径效应等一系列问题，GPS基本不能提供定位服务，只能采用其他方法来进行室内定位。目前，比较主流的室内定位技术主要使用蓝牙，WiFi，Zigbee等无线技术，可以达到米级的定位精度，无法满足高精度定位的需求。并且普通GPS定位因为各种误差原因，精度也通常是米级，也难以满足高精度室外定位的需求。最后无论是多高精度的定位，当定位信号被遮挡时，定位精度都会受到很大的影响，这时候单一的定位方式难以满足平时复杂的定位环境，可以通过融合多种传感器定位的方案来解决这类问题，比如惯性导航技术。惯性导航技术不依赖与信号的强弱，自身就可以产生定位所需的导航参数，但是这类技术由于硬件条件的限制，长时间的导航容易累积误差，不适用与长时间的定位，所以合理的融合定位方法可以有效的对各种传感器优势互补，提高系统的稳定性和准确性。
发明内容
针对上述传统定位方案精度不高和信号遮挡的问题，本发明提供一种高精度室内外定位系统及室内外定位与过渡方法。
为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案；
一种高精度室内外定位系统，其特征在于，包括：
UWB模块，UWB模块包括UWB基站模块和UWB移动站模块；UWB基站模块用于发送UWB信号；UWB移动站模块用于接收和处理UWB基站模块发送的UWB信号，获得UWB移动站模块到UWB基站模块的距离；UWB移动站模块到UWB基站模块的距离，结合UWB基站模块坐标、UWB定位算法，获得UWB移动站模块的坐标，输出UWB室内定位信息；
RTK模块，RTK模块包括RTK基站模块和RTK移动站模块；RTK基站模块用于接收GNSS信号并进行差分处理，生成差分信息，再发送到RTK移动站模块；RTK移动站模块用于对接收到的差分信息进行解算，输出GNSS室外定位信息；
十轴模块，用于采集三轴加速度、三轴角速度、三个磁场方向和一个气压值的信息，并对加速度和角速度进行步行者航位推算(PDR)算法处理，获得行走轨迹和相对位置信息；利用磁场方向估测运动方向；利用气压计数值获得高度信息，以判断所在的楼层，实现不同楼层之间的自动切换；
4G数据传输模块，用于传输系统的定位信息，并传输定位信息到云端储存；
电源模块，用于对系统进行供电；
STM32微处理器模块，用于分别与UWB模块、RTK模块，十轴模块，4G数据传输模块，电源模块连接，并发送、接收和处理接收到的数据信息。
进一步地，UWB基站模块数量不少于三个。
进一步地，还包括与STM32微处理器模块连接的串口模块，串口模块用于调试和展示系统的定位信息。
进一步地，UWB基站模块、UWB移动站模块、RTK基站模块、RTK移动站模块、十轴模块、4G数据传输模块，STM32微处理器模块、串口模块、电源模块均集成在一个电路板。
相应地，本发明还提供了一种高精度室内外定位与过渡方法，包括以下步骤：
S1、在室内场景中，部署一定数量的UWB基站模块，并确定和设置好UWB基站模块坐标和ID；在室外场景中，部署RTK基站模块，通过4G数据传输模块将RTK差分信息传输到云端储存；将室内外过渡区域分为两个区域，分别为室内过渡区域和室外过渡区域；若在室内，且UWB室内定位精度高，则执行步骤S2；若在室外且RTK室外定位精度高，则执行步骤S3；若UWB室内定位精度不高或RTK室外定位精度不高，则执行步骤S4；若在室内过渡区域或室外过渡区域，则执行步骤S5；
S2、利用十轴模块的气压计信息判断所在楼层；在进入UWB定位区域时，UWB移动站模块接收到四周UWB基站模块的信号，通过计算可以获得UWB移动站模块到各个UWB基站模块的距离，再结合定位算法和各个UWB基站模块的设定坐标，获得UWB移动站模块在室内的位置，最后通过4G数据传输模块将室内定位坐标传输到云端储存；
S3、STM32微处理器模块先通过4G数据传输模块获取到RTK基站模块的RTK差分信息，再把差分信息传输给RTK移动站模块；RTK移动站模块将对输入的差分信息自动进行解算，输出室外定位坐标，再通过4G数据传输模块把室外定位坐标传输到云端储存；
S4、当人走动时，十轴模块的加速度计和陀螺仪能分别输出三轴加速度和角速度，对这些数据进行滤波处理，再用PDR算法，获得人的行走轨迹和当前的相对位置信息，在信号差的地方进行无缝切换定位；
S5、若室内过渡区域信号好，采用UWB指纹定位；若室内过渡区域信号差，短时间采用PDR定位，长时间采用UWB指纹定位修正PDR定位；若室外过渡区域信号好，采用RTK定位；若室外过渡区域信号差，短时间采用PDR定位，长时间采用RTK定位修正PDR定位。
进一步地，步骤S1中，先选定一个适中的时间来测量十轴模块的PDR定位算法在该时间内的平均误差，再以该平均误差来划分室内外过渡区域的大小。
进一步地，步骤S5中，室内过渡区域对应的UWB指纹定位分为离线阶段和在线阶段；在离线阶段，在室内过渡区域选取若干个指纹点，测定每个指纹点的真实坐标与各个基站的距离，并对距离进行过滤平均，这些坐标和距离信息组成指纹库；在线阶段测得移动站与各个基站的距离，并与指纹库的指纹点进行匹配获得最相近的几个点，并对这几个点进行加权KNN处理，获得最后的定位坐标。
进一步地，步骤S5中，室内过渡区域内，给定一个匹配阈值，若定位点与所有指纹点的欧氏距离都超过该匹配阈值，则判定离开室内过渡区域，反之则是进入该区域。
进一步地，步骤S5中，室外过渡区域内，给定一个定位误差阈值，若RTK移动站模块给出的实时定位误差大于该误差阈值则判定进入室外过渡区域，反之则是离开室外过渡区域。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
1、相比于其他独立式室内外定位方案，本发明所有模块都集成在一个电路板上，节约了成本，用起来也更加方便；
2、相比于传统的室内外定位，本发明定位精度更高，适用场景更加广泛；
3、相比于传统定位由于信号缺失导致的定位不连续，本发明引入了十轴模块来解决信号缺失问题，并提出了一种过渡方案，来更加平滑的过渡室内外定位。
附图说明
图1为一种高精度室内外定位系统结构示意图；
图2为定位方法说明图；
图3为室内外定位示意图；
图4为过渡区域定位流程图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来进一步详细说明本发明的实施方式。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
实施例一
本实施例提供一种高精度室内外定位系统，如图1所示，包括：
UWB模块，包括UWB基站模块和UWB移动站模块，UWB移动站模块接收和处理UWB基站模块发送的UWB信号，获得UWB移动站模块到上述UWB基站模块的距离，获得距离后再根据UWB基站模块坐标和定位算法就可以获得UWB移动站模块的坐标；
RTK模块，包括RTK基站模块和RTK移动站模块，RTK基站模块负责接收GNSS信号并进行差分处理，生成差分信息，再发送到RTK移动站模块，RTK移动站模块会自动对接收到的差分信息进行解算，若GNSS信号良好，则会输出实时的、动态的、厘米级室外定位信息；
十轴模块，用于采集三轴加速度、三轴角速度、三个磁场方向和一个气压值的信息，再对加速度和角速度进行步行者航位推算(PDR)算法处理，获得行走轨迹和相对位置信息；利用磁场方向估测运动方向；利用气压计数值获得高度信息可以判断所在的楼层，可以实现不同楼层之间的自动切换；
4G数据传输模块，用于传输系统的所有定位信息，包括RTK差分信息、UWB室内定位信息、GNSS室外定位信息等，传输这些信息到云端储存，在需要的时候可以到云端重新获取这些定位信息；
STM32微处理器模块，用来处理连接各个功能模块，发送、接收和处理接收到的数据信息，包括UWB室内定位坐标的解算，十轴模块PDR算法的解算，RTK差分信息的传输等，在室内外过渡区域可以融合所有定位信息来进行过渡定位；
电源模块，该模块接入移动电池或者电源适配器后对整个高精度室内外定位系统进行供电。
其中，UWB基站模块的数量为三个或三个以上，UWB移动站模块接收和处理三个及以上UWB基站模块发送的UWB信号。本实施例还包括串口模块，用于调试和展示整个系统的所有定位信息。本实施例通过同时设置UWB模块、RTK模块、十轴模块、4G数据传输模块、电源模块、STM32微处理器模块以及串口模块，相比于传统的室内外定位，本发明定位精度更高，适用场景更加广泛。本实施例UWB模块，用于室内高精度定位；RTK模块，用于室外GNSS高精度定位；十轴模块，具有三轴的加速度、陀螺仪、磁力计和一个气压计，用步行者航位推算(PDR)算法能计算出运动轨迹、用磁力计估测运动方向、用气压计估测水平高度，再与UWB室内定位、RTK室外定位结合，能较好地解决室内外定位与过渡问题；4G数据传输模块，用来传输RTK差分信息、GNSS室外定位信息和UWB室内定位信息；STM32微处理器模块，用来连接各个功能模块，发送、接收和处理信息；串口模块，用于调试和展示整个系统的所有定位信息；电源模块，该模块接入移动电池或者电源适配器后对整个高精度室内外定位系统进行供电。本实施例解决了传统室内外精度不高和室内外过渡区域信号不好造成定位效果差的问题。
UWB基站模块、UWB移动站模块、RTK基站模块、RTK移动站模块、十轴模块、4G数据传输模块，STM32微处理器模块、串口模块、电源模块均集成在一个电路板。相比于其他独立式室内外定位方案，本发明所有模块都集成在一个电路板上，节约了成本，用起来也更加方便。
实施例二
如图2-4所示，本实施例提供一种高精度室内外定位与过渡方法，
以下步骤：
S1、在室内场景中，先部署好一定数量的UWB基站模块，并确定和设置好这几个UWB基站模块坐标和ID，在室外场景中，在空旷的地方部署好RTK基站模块，通过4G数据传输模块将RTK差分信息传输到云端储存。将室内外过渡区域分为两个区域，分别为室内过渡区域和室外过渡区域；若在室内，且UWB室内定位精度高，则执行步骤S2；若在室外且RTK室外定位精度高，则执行步骤S3；若UWB室内定位精度不高或RTK室外定位精度不高，则执行步骤S4；若在室内过渡区域或室外过渡区域，则执行步骤S5；
S2、首先利用十轴模块的气压计信息判断人所在楼层，再进入UWB定位区域时，UWB移动站模块会接收到四周UWB基站模块的信号，通过计算可以获得UWB移动站模块到各个UWB基站模块的距离，如果接收到3个以上UWB基站模块的信号，可以再结合定位算法和各个UWB基站模块的设定坐标，就能获得UWB移动站模块在室内的位置，最后通过4G数据传输模块把室内定位坐标传输到云端储存。
S3、STM32微处理器模块会先通过4G数据传输模块获取到RTK基站模块的RTK差分信息，再把差分信息传输给RTK移动站模块。只要GNSS信号良好，RTK移动站模块将对输入的差分信息自动进行解算，输出实时的、动态的、厘米级室外定位坐标，再通过4G数据传输模块把定位坐标传输到云端储存；
S4、在无线电信号遮挡严重的区域，无论是UWB室内定位还是RTK室外定位精度都会受到很大的影响，甚至会导致无法定位的情况，十轴模块就能实现信号遮拦区域的过渡定位。当人走动时，十轴模块里的加速度计和陀螺仪能分别输出三轴加速度和角速度，对这些数据进行滤波处理，再用PDR算法，就能获得人的行走轨迹和当前的相对位置信息，在信号差的地方进行无缝切换定位；
S5、若室内过渡区域信号好，采用UWB指纹定位；若室内过渡区域信号差，短时间采用PDR定位，长时间采用UWB指纹定位修正PDR定位；若室外过渡区域信号好，采用RTK定位；若室外过渡区域信号差，短时间采用PDR定位，长时间采用RTK定位修正PDR定位。
如图4所示，在室内外过渡区域，可以分为两个区域，分别是室内过渡区域和室外过渡区域。通常情况下，由于建筑物的遮挡，室外过渡区域的GNSS定位精度会下降严重，定位结果会有严重的漂移情况。由于室内环境情况都不同，UWB信号遮挡严重程度不一致，UWB定位精度也会有好有坏，因此提出一种室内外过渡方法来适应大部分情况。
对室内外过渡区域的划分，由于十轴模块的加速度和角速度误差会随着时间不断累积，所以先选定一个适中的时间来测量十轴模块的PDR定位算法在该时间内的平均误差，再以该平均误差来划分室内外过渡区域的大小。划分区域后，在室内过渡区域内，UWB模块的定位误差要普遍大于该平均误差，在室外过渡区域内，RTK模块的定位误差也普遍大于该平均误差。
室内过渡区域，该区域内传统三边定位误差普遍较大，采用指纹定位方法来对该区域进行定位。指纹定位分为离线阶段和在线阶段。在离线阶段，在室内过渡区域选取若干个指纹点，测定每个指纹点的真实坐标与各个基站的距离，并对距离进行过滤平均，这些坐标和距离信息组成指纹库。在线阶段测得移动站与各个基站的距离，并与指纹库的指纹点进行匹配获得最相近的几个点，并对这几个点进行加权KNN处理，获得最后的定位坐标。由于过渡区域较小，避免了寻常指纹库指纹点过多导致的计算量过大的问题。给定一个匹配阈值，如果定位点与所有指纹点的欧氏距离都超过该匹配阈值，则判定离开室内过渡区域，反之则是进入该区域。由于十轴模块的的加速度和角速度误差会随着时间不断累积，所以短时间内单独使用十轴在该过渡区域进行PDR定位，但是若在该过渡区域停留时间过长，PDR定位误差将大于UWB指纹定位误差，则用UWB指纹定位来修正PDR算法的定位结果，抑制十轴模块的误差累积。
室外过渡区域，给定一个定位误差阈值，若RTK移动站模块给出的实时定位误差大于该误差阈值则判定进入室外过渡区域，反之则是离开室外过渡区域。进入室外过渡区域，短时间内单独使用十轴在该过渡区域进行PDR定位，若在该过渡区域停留时间过长，则用RTK定位结果来修正PDR算法的定位结果。
Claims (10)
1.一种高精度室内外定位系统，其特征在于，包括：
UWB模块，UWB模块包括UWB基站模块和UWB移动站模块；UWB基站模块用于发送UWB信号；UWB移动站模块用于接收和处理UWB基站模块发送的UWB信号，获得UWB移动站模块到UWB基站模块的距离；UWB移动站模块到UWB基站模块的距离，结合UWB基站模块坐标、UWB定位算法，获得UWB移动站模块的坐标，输出UWB室内定位信息；
RTK模块，RTK模块包括RTK基站模块和RTK移动站模块；RTK基站模块用于接收GNSS信号并进行差分处理，生成差分信息，再发送到RTK移动站模块；RTK移动站模块用于对接收到的差分信息进行解算，输出GNSS室外定位信息；
十轴模块，用于采集三轴加速度、三轴角速度、三个磁场方向和一个气压值的信息，并对加速度和角速度进行步行者航位推算(PDR)算法处理，获得行走轨迹和相对位置信息；利用磁场方向估测运动方向；利用气压计数值获得高度信息，以判断所在的楼层，实现不同楼层之间的自动切换；
4G数据传输模块，用于传输系统的定位信息，并传输定位信息到云端储存；
电源模块，用于对系统进行供电；
STM32微处理器模块，用于分别与UWB模块、RTK模块，十轴模块，4G数据传输模块，电源模块连接，并发送、接收和处理接收到的数据信息。
2.根据权利1所述的一种高精度室内外定位系统，其特征在于，
UWB基站模块数量不少于三个。
3.根据权利1所述的一种高精度室内外定位系统，其特征在于，
还包括与STM32微处理器模块连接的串口模块，串口模块用于调试和展示系统的定位信息。
4.根据权利3所述的一种高精度室内外定位系统，其特征在于，
UWB基站模块、UWB移动站模块、RTK基站模块、RTK移动站模块、十轴模块、4G数据传输模块，STM32微处理器模块、串口模块、电源模块均集成在一个电路板。
5.一种高精度室内外定位与过渡方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在室内场景中，部署UWB基站模块，并确定和设置好UWB基站模块坐标和ID；在室外场景中，部署RTK基站模块，通过4G数据传输模块将RTK差分信息传输到云端储存；将室内外过渡区域分为两个区域，分别为室内过渡区域和室外过渡区域；若在室内，且UWB室内定位精度高，则执行步骤S2；若在室外且RTK室外定位精度高，则执行步骤S3；若UWB室内定位精度不高或RTK室外定位精度不高，则执行步骤S4；若在室内过渡区域或室外过渡区域，则执行步骤S5；
S2、利用十轴模块的气压计信息判断所在楼层；在进入UWB定位区域时，UWB移动站模块接收到四周UWB基站模块的信号，通过计算可以获得UWB移动站模块到各个UWB基站模块的距离，再结合定位算法和各个UWB基站模块的设定坐标，获得UWB移动站模块在室内的位置，最后通过4G数据传输模块将室内定位坐标传输到云端储存；
S3、STM32微处理器模块先通过4G数据传输模块获取到RTK基站模块的RTK差分信息，再把差分信息传输给RTK移动站模块；RTK移动站模块将对输入的差分信息自动进行解算，输出室外定位坐标，再通过4G数据传输模块把室外定位坐标传输到云端储存；
S4、当人走动时，十轴模块的加速度计和陀螺仪能分别输出三轴加速度和角速度，对这些数据进行滤波处理，再用PDR算法，获得人的行走轨迹和当前的相对位置信息，在信号差的地方进行无缝切换定位；
S5、若室内过渡区域信号好，采用UWB指纹定位；若室内过渡区域信号差，短时间采用PDR定位，长时间采用UWB指纹定位修正PDR定位；若室外过渡区域信号好，采用RTK定位；若室外过渡区域信号差，短时间采用PDR定位，长时间采用RTK定位修正PDR定位。
6.根据权利5所述的一种高精度室内外定位与过渡方法，其特征在于，步骤S1中，UWB基站模块数量不少于三个。
7.根据权利5所述的一种高精度室内外定位与过渡方法，其特征在于，步骤S1中，先选定一个适中的时间来测量十轴模块的PDR定位算法在该时间内的平均误差，再以该平均误差来划分室内外过渡区域的大小。
8.根据权利5所述的一种高精度室内外定位与过渡方法，其特征在于，步骤S5中，室内过渡区域对应的UWB指纹定位分为离线阶段和在线阶段；在离线阶段，在室内过渡区域选取若干个指纹点，测定每个指纹点的真实坐标与各个基站的距离，并对距离进行过滤平均，这些坐标和距离信息组成指纹库；在线阶段测得移动站与各个基站的距离，并与指纹库的指纹点进行匹配获得最相近的几个点，并对这几个点进行加权KNN处理，获得最后的定位坐标。
9.根据权利5所述的一种高精度室内外定位与过渡方法，其特征在于，步骤S5中，室内过渡区域内，给定一个匹配阈值，若定位点与所有指纹点的欧氏距离都超过该匹配阈值，则判定离开室内过渡区域，反之则是进入该区域。
10.根据权利5所述的一种高精度室内外定位与过渡方法，其特征在于，步骤S5中，室外过渡区域内，给定一个定位误差阈值，若RTK移动站模块给出的实时定位误差大于该误差阈值则判定进入室外过渡区域，反之则是离开室外过渡区域。
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