CN113538724A - 一种基于uwb技术的便携式跑圈设备系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于UWB技术的便携式跑圈设备系统，包括设置在封闭的跑道上的若干检测基站、安装在跑圈人员身上的定位装置和设置在跑道一侧的便携操作平台：检测基站包括一号基站、二号基站和辅助基站，一号基站、二号基站和辅助基站共同构成三角形的终点区域；定位装置佩戴安装在进行跑圈测试人员的身体上；便携操作平台为检测现场的操作终端,该基于UWB技术与WiFi技术的计时跑圈系统，系统设备少，便于携带，操作智能化，无需专业人员即可完成部署，可以提高计时的精度，通过对位置信息的计算，得出准确的过线时间，且采用无线充电方式，便于连续持久使用。
Description
技术领域
本发明具体涉及精确定位及无线传输技术领域，具体是一种基于UWB技术的便携式跑圈设备系统。
背景技术
现有的的跑圈计时方案基于RFID技术与双频标签实现，该方案采用低频电磁波(典型值125khz)产生一个带状识别区域，人员佩戴标签进入该识别场后即视为到达，通过RFID通信手段(433m\900m\2.4G)通知主机标签信息。在识别区域内无法分辨位置。同时由于125k电磁波发射需要很大体积的天线才能够产生足够的能量用于标签唤醒，体积大，不易部署，使用的时候还需要连接有线，系统需要安装，不支持手机端和平板，且标签需要更换电池。
因此，现有技术(基于RFID技术与双频标签的方案)在跑圈计时时存在诸多不便，因而需要一种新型的便捷式跑圈设备系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于UWB技术的便携式跑圈设备系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于UWB技术的便携式跑圈设备系统，包括设置在封闭的跑道上的若干检测基站、安装在跑圈人员身上的定位装置和设置在跑道一侧的便携操作平台：所述检测基站包括一号基站、二号基站和辅助基站，一号基站、二号基站和辅助基站共同构成三角形的终点区域；所述定位装置佩戴安装在进行跑圈测试人员的身体上；所述便携操作平台为检测现场的操作终端。
更进一步的方案：所述一号基站与二号基站设置于跑道的内外两侧且其连线构成跑圈终点线，所述辅助基站设置在一号基站与二号基站外的跑道一侧处。
更进一步的方案：所述一号基站集成了UWB测距功能，二号基站集成了UWB测距功能、4G模块和WiFi模块，所述辅助基站集成了UWB测距功能。。
更进一步的方案：所述定位装置为手环。
更进一步的方案：所述定位装置均设有唯一的设备编号，定位装置集成UWB测距功能。
更进一步的方案：所述便携操作平台集成有4G模块及WiFi功能。
更进一步的方案：所述便携操作平台为平板电脑。
更进一步的方案：所述系统中还设有用以进行数据处理和储存的服务器。
更进一步的方案：所述系统还包括对定位装置进行充电的无线充电柜。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该基于UWB技术与WiFi技术的计时跑圈系统，系统设备少，便于携带，操作智能化，无需专业人员即可完成部署，可以提高计时的精度，通过对位置信息的计算，得出准确的过线时间，且采用无线充电方式，便于连续持久使用。
附图说明
图1为基于UWB技术的便携式跑圈设备系统的结构示意图。
图2为基于UWB技术的便携式跑圈设备系统中基站终点区域坐标的示意图。
图3为基于UWB技术的便携式跑圈设备系统中判断P点是否经过终点区域的示意图。
图中：跑道1、辅助基站2、二号基站3、定位装置4、便携操作平台5、一号基站6。
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。
首先，对超宽带(UWB)进行说明：超宽带技术是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。
UWB技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低，定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。
请参阅图1～3，本发明实施例中，一种基于UWB技术的便携式跑圈设备系统，包括设置在封闭的跑道1上的若干检测基站、安装在跑圈人员身上的定位装置4和设置在跑道1一侧的便携操作平台5，所述检测基站包括一号基站6、二号基站3和辅助基站2，所述一号基站6与二号基站3设置于跑道1的内外两侧且其连线构成跑圈终点线，一号基站6集成了UWB测距功能，二号基站3集成了UWB测距功能、4G模块和WiFi模块，所述辅助基站2设置在一号基站6与二号基站3外的跑道1一侧处，通过辅助基站2、一号基站6与二号基站3构成了三角形的终点区域，所述辅助基站2集成了UWB测距功能；所述定位装置4佩戴安装在进行跑圈测试人员的身体上，优选的可为手环，定位装置4均设有唯一的设备编号，定位装置4集成UWB测距功能，所述便携操作平台5为检测现场的操作终端，优选的为平板电脑，便携操作平台5集成有4G模块及WiFi功能，所述系统中还设有用以进行数据处理和储存的服务器，服务器根据具体需求可设置在云端或自行配置。
进一步的，为了便于对系统中的各个功能部件进行充电，所述系统还包括无线充电柜，通过无线充电柜给多个定位装置4进行无线充电，无线充电柜可移动的置于操作现场或固定于某处，如办公室等。
该便携式跑圈设备系统系统的具体工作原理通过其操作步骤进行详细说明：
1、操作人员把手环发给参加测试人员，并正确佩戴；
2、操作人员对进行跑圈测试的人员进行用户编号，通过便携操作平台5把定位装置4和用户编号编辑到系统里，每个便携操作平台5出厂的时候都标识了一个设备编号，设备编号是惟一的；
3、操作人员把一号基站6和二号基站3分别放置于跑道的两侧，构成一条直线，辅助基站2放于直线的另外一侧(位置任意定)，构成一个三角形的形状即可。一号基站6和二号基站3之间的连线即为终点线；三角形的形状则为终点区域；
4、通过WiFi或4G模块使便携操作平台5与二号基站3连接；
5、初始化后，一号基站6、二号基站3和辅助基站2之间通过UWB模块两两开始相互测量距离，由于基站的位置对精确度要求比较高，精确度达到10ms的，因此测量算法为DS-TWR(双边双向测距法)：
一号基站6和二号基站3之间通过多次测距，计算出一号基站6和二号基站3之间的平均距离AB，缓存本地；
二号基站3和辅助基站2之间开始多次测距，计算出二号基站3和辅助基站2之间的平均距离BC，缓存本地；
一号基站6和辅助基站2之间开始多次测距，计算出一号基站6和辅助基站2之间的平均距离AC，发送给二号基站3；
基站二号基站3收到AC之间的距离后，然后通过4G模块发送到服务器端，服务器根据发送过来的距离，计算出一号基站6的坐标PA(0,0)，二号基站3的坐标PB(AB,0),辅助基站2的坐标PC，然后根据海伦公式求出三角形的面积Sabc，云端再发送平板，平板端显示出A、B、C 3个基站之间的距离显示出一个三角形的终点区域。并且状态指示提示初始化完成，可以跑圈；
6、操作人员发出开始进行跑圈指令；
7、训练人员开始跑圈，跑圈人员的定位装置4通过UWB模块和3个基站之间开始相互测距，此处测距要求精确度要求不高，并且降低手环的功耗，因此采用SS-TWR(单向双边测距法)；
8、基站一号基站6和辅助基站2分别收到定位装置4的发过来的消息后，根据单向双边测距法算出距离后发送给二号基站3；二号基站3接收完某个定位装置4端的测量距离后通过4G模块发送到服务器端，服务器根据海伦公式来计算面积，得出该手环的位置是否已经在三角形内，判断用户是否已经跑完一圈，然后把当前手环的状态发送给便携操作平台5展示处理；
9、操作人员通过通过便携操作平台5反馈的信息，实时掌握训练人员的跑圈情况；
10、训练完成后，操作人员把定位装置4直接放到无线充电柜里面，进行充电。
需要特别说明的是：
1、在步骤5中，关于PC的坐标，见图2，其X＝(AC2+AB2-BC2)/2AB，其Y利用勾股定理，利用X值及AC值可开根号求得；
2、在步骤5中，关于三角形面积的求值，利用海伦公式，即
其中p为半周长，a、b、c代表各边长度；
3、步骤7中的单边单边双向测距为现有测距技术，单侧双向测距(SS-TWR)是对单个往返消息时间上的简单测量，设备A主动发送数据到设备B，设备B返回数据响应设备A；
测距流程：设备A(Device A)主动发送(TX)数据，同时记录发送时间差，设备B(Device B)接收到之后记录接收时间差；延时Treply之后，设备B发送数据，同时记录发送时间差，设备A接收数据，同时记录接收时间差；可以拿到两个时间差数据，设备A的时间差Tround和设备B的时间差Treply，最终得到无线信号的飞行时间Tprop；
4、步骤5中的双边双向测距使现有的测距技术，是单边双向测距的一种扩展测距方法，记录了两个往返的时间差，最后得到飞行时间，虽然增加了响应的时间，但会降低测距误差；其分为两次测距，设备A主动发起第一次测距消息，设备B响应，得到4个时间差；然后过了一段时间，设备B主动发起测距，设备A响应，同样得到4个不同的时间差。最终可以得到四个时间差：Tround1、Treply1、Tround2、Treply2；
5、见图3，通过面积法判断点P是否在三角形ABC内，如果P点在三角形内，则Sabc＝Sapc+Sapb+Spbc(S代表面积)，否则Sabc<Sapc+Sapb+Spbc,P点在三角形外。从而准确捕获经过跑圈人员是否经过检测面积。
综合，通过该通过本系统，可以精确统计出用户跑了多少圈，训练时间，每一圈的时间；然后通过用户每天的数据，可以方便统计出来用户每月的训练情况。本系统可以用在学校的学生训练，可以用在军队士兵的基本训练情况，了解用户的训练情况后，可以针对训练情况，然后方便展开后续其它的工作安排，提高效率。
该基于UWB技术与WiFi技术的计时跑圈系统，系统设备少，便于携带，操作智能化，无需专业人员即可完成部署，可以提高计时的精度，通过对位置信息的计算，得出准确的过线时间，且采用无线充电方式，便于连续持久使用。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种基于UWB技术的便携式跑圈设备系统，其特征在于，包括设置在封闭的跑道(1)上的若干检测基站、安装在跑圈人员身上的定位装置(4)和设置在跑道(1)一侧的便携操作平台(5)：
所述检测基站包括一号基站(6)、二号基站(3)和辅助基站(2)，一号基站(6)、二号基站(3)和辅助基站(2)共同构成三角形的终点区域；
所述定位装置(4)佩戴安装在进行跑圈测试人员的身体上；
所述便携操作平台(5)为检测现场的操作终端。
2.根据权利要求1所述的基于UWB技术的便携式跑圈设备系统，其特征在于，所述一号基站(6)与二号基站(3)设置于跑道(1)的内外两侧且其连线构成跑圈终点线，所述辅助基站(2)设置在一号基站(6)与二号基站(3)外的跑道(1)一侧处。
3.根据权利要求1所述的基于UWB技术的便携式跑圈设备系统，其特征在于，所述一号基站(6)集成了UWB测距功能，二号基站(3)集成了UWB测距功能、4G模块和WiFi模块，所述辅助基站(2)集成了UWB测距功能。
4.根据权利要求1所述的基于UWB技术的便携式跑圈设备系统，其特征在于，所述定位装置(4)为手环。
5.根据权利要求1所述的基于UWB技术的便携式跑圈设备系统，其特征在于，所述定位装置(4)均设有唯一的设备编号，定位装置(4)集成UWB测距功能。
6.根据权利要求1所述的基于UWB技术的便携式跑圈设备系统，其特征在于，所述便携操作平台(5)集成有4G模块及WiFi功能。
7.根据权利要求1所述的基于UWB技术的便携式跑圈设备系统，其特征在于，所述便携操作平台(5)为平板电脑。
8.根据权利要求1所述的基于UWB技术的便携式跑圈设备系统，其特征在于，所述系统中还设有用以进行数据处理和储存的服务器。
9.根据权利要求1所述的基于UWB技术的便携式跑圈设备系统，其特征在于，所述系统还包括对定位装置(4)进行充电的无线充电柜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20211022 |