CN113794991B - 一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统 - Google Patents

一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统，包括UWB定位标签模块、UWB探测模块、LoRa无线通信模块、PC端和电源模块；通过UWB定位标签模块发送UWB信号给单基站UWB探测模块，利用AOA/PDOA算法分别计算出UWB定位标签模块与基站之间的夹角和距离，从而得出待定位目标的坐标信息；再将位置信息数据通过LoRa自组网无线传输到PC端，通过PC端对数据进行解析、计算、滤波处理以及可视化显示。本发明实现了单基站、无线、高精度、长远距离监测定位目标的位置情况，极大程度地降低了定位经济成本，更易于架设部署。

Description

一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统
技术领域
本发明属于无线定位技术领域，尤其涉及一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统。
背景技术
随着无线通信技术的高速发展，基于位置信息服务的需求飞速增长。目前，卫星定位技术已提供了较好的室外定位服务。然而，在诸如大型隧道、楼房、地下车站和商场、矿井等环境中，卫星定位信号常受到严重衰减，无法提供高精度的位置信息，极大地限制了对于这类环境中的物品、车辆、人员的定位、监测、导航或者搜救能力。
近年来，UWB（Ultra wide band）无线定位技术逐渐成为了一个新的研究热点，是一种无线载波通信技术。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能实现数百Mbit/s至2Gbit/s的数据传输速率。尤其地，UWB具有功耗低、传输速率快、穿透能力强、定位精度高以及可在复杂室内环境下精确定位的优势。
在UWB无线定位中，常用的定位方式为多基站组网定位，需要三个及以上的定位基站才能实现精准定位，主要依托的定位算法有：基于到达时间（Time of Arrival，TOA）以及到达时间差定位法（Time Difference of Arrival，TDOA)等，但这在较大程度上增加了经济成本、研发难度、架设难度等。然而，UWB技术作为一种短距离通信方式，其最远通信距离只能达到几百米级别，常用的基站传输数据的方式为有线传输，需要大规模的布置线缆，将耗费大量的人力、物力、财力。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统。基于UWB高精度无线定位技术和LoRa长远距离无线数据传输技术相融合，采用AOA/PDOA或AOA/TOF算法，实现了单一基站无线定位待测目标，极大地降低了定位成本，以及基站安装部署难度。特别地，融合了LoRa无线通信技术，将UWB定位位置信号通过LoRa无线自组网传输的方式，进行远距离、无线、实时、稳定的传输。最后，引入了修正的卡尔曼滤波算法，对待测目标的位置数据进行了实时的滤波处理，从而进一步地提高了定位精度。
本发明的一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统，包括UWB定位标签模块、UWB探测模块、LoRa无线通信模块、处理终端和电源模块。
UWB定位标签模块置于待测目标上，用于发送UWB信号。
UWB探测模块集成于单基站上，用于接收UWB定位标签模块发送的UWB信号，再利用AOA算法计算UWB信号的到达角度，以及PDOA或TOF算法计算出待测目标与基站的距离，最终得到待测目标的位置坐标信息。
LoRa无线通信模块集成于单基站上，用于长远距离的无线数据传输，将UWB定位位置数据通过LoRa自组网无线传输到处理终端进行处理，整个自组网网络结构分为LoRa采集单元、LoRa中继单元和LoRa终端单元。
处理终端用于解析、计算、处理UWB探测模块通过LoRa无线通信模块发送的位置信息数据，其中，利用修正的卡尔曼滤波算法对数据进行滤波处理，实现实时滤除异常位置坐标点，提取有效数据，再利用处理后的数据进行可视化显示设置。
电源模块，为各模块供电。
进一步的，UWB探测模块设置双天线或多天线，利用双天线或多天线的细波束来区分多径信号，并选取两条能量最强的信号来获取相位信息。
进一步的，利用AOA算法计算UWB信号的到达角度，以及PDOA或TOF算法计算出待测目标与基站的距离，具体为：
两条能量最强的信号路径长度的差异p与天线1和2之间的距离d和到达角θ，三者之间的关系为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；考虑一个信号波长
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，其中f是它的载波频率，c表示光速；那么，两信号到达相位差
Figure DEST_PATH_IMAGE006
与p和
Figure DEST_PATH_IMAGE008
的关系为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；因此，推导出PDOA到达相位差
Figure 248516DEST_PATH_IMAGE006
和AOA到达角θ之间的关系为
Figure DEST_PATH_IMAGE012
。
另外，根据一条信号发送与接收的相位差
Figure DEST_PATH_IMAGE014
（即PDOA算法），计算出标签到基站的距离，即
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；
或根据测量UWB信号在基站与标签之间往返的飞行时间（即TOF算法），计算出标签到基站的距离，即
Figure DEST_PATH_IMAGE018
。
进一步的，将UWB定位位置信号通过LoRa无线通信模块进行无线传输。特别地，通过LoRa自组网通信模式，实现UWB探测模块与处理终端的长远距离数据通信，该网络结构分为LoRa采集单元、LoRa中继单元和LoRa终端单元。
LoRa采集单元，置于单基站上，用于接收UWB探测模块发送的待测目标位置信息。
LoRa中继单元，置于单基站上或直接单独置于LoRa采集单元与LoRa终端单元之间，用于长远距离无线数据传输。
LoRa终端单元，与处理终端相连接，用于接收中继单元传输的位置数据并上传至处理终端进行处理。
其中，LoRa模块芯片型号为ASR6505，所述ASR6505芯片集成了SX1262和STM8L152。
进一步的，处理终端用于数据的处理和可视化显示，包括：
根据UWB指定的上报命令协议，提取、解析、计算有效位置信息数据；
根据修正的卡尔曼滤波算法对数据进行滤波处理，实现实时滤除异常坐标点；
在处理后的数据的基础上，设计开发可视化交互界面。
上述上报命令协议为十八字节数据的Hex格式；第一字节为起始字节，固定为ASCII码的“*”；第二字节为数据长度；第三字节为序号；第四、五字节为定位标签地址；第六字节为定位标签与UWB定位基站的有效位；第七至十字节为定位标签与UWB定位基站的角度信息；第十一至十四字节为定位标签与UWB定位基站的距离信息；第十五至十六字节为第三方定义数据；第十七位为校验位；第十八位为结束字节，固定为ASCII码的“#”。
进一步的，修正的卡尔曼滤波算法为：
（1）对每5个位置信息数据求取平均值，进行平均处理。
（2）定义模型参数，初始化输入数据值s(k)=[z(0) 0]，实际测量值d=z(0)，测量时间间隔dt=0.01s，状态转移矩阵初始化
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，噪声耦合矩阵初始化
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，激励噪声w(k)对应的协方差矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，测量噪声对应的协方差矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，状态协方差矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，其中q=10，r=10。
（3）由上一时刻状态值s对下一时刻状态值sprediction进行预测更新
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，计算状态协方差矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE034
。
（4）计算卡尔曼增益
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，校准误差
Figure DEST_PATH_IMAGE038
，测量值校正目标的最优估计
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，更新状态协方差矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE042
。
（5）间断式采用卡尔曼滤波算法进行数据处理，以1 min为间隔，对卡尔曼滤波算法进行刷新处理，即每间隔1 min初始化与卡尔曼滤波算法相关的矩阵，从而消除因迭代次数的累计而带来的误差，有效地提高定位精度。
进一步的，可视化交互界面包括：对定位目标位置坐标的实时显示；对定位目标进行分类管理；用户可自定义设置危险区域范围；可通过输入时间节点，查询历史轨迹。
本发明的有益技术效果为：
1.本发明采用AOA/PDOA或AOA/TOF结合的定位算法，实现了单一定位基站的精准定位，极大程度地降低了基站架设难度，减小了定位经济成本，缩短了维护时间。
2.本发明融合了UWB无线定位技术和LoRa自组网通信技术，定位精度高、功耗低、组网灵活、方便快捷，实现了UWB单基站精准定位和LoRa长远距离无线数据传输。
3.本发明引用了卡尔曼滤波算法，并进行修正，实现了实时滤除异常点值，有效地提高了定位精度，经大量实验反复测试，定位精度保持在10 cm左右。
4.本发明开发了功能丰富的可视化交互界面，可直观显示目标移动轨迹，并扩展了其他应用功能，如电子围栏预警、历史轨迹查询、目标分类管理等，操作简单方便，直观明了。
5.本发明的实现，可应用于各种卫星定位信号较弱或没有的场景，如大型交通隧道中对车辆人员的定位以及危险区域管控等，应用场景广泛，社会意义重大。
附图说明
附图1为基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统的结构框架图。
附图2为AOA/PDOA算法示意图。
附图3为常规LoRa自组网示意图。
附图4为多个单基站组合组网示意图。
附图5为本发明的可视化界面设计流程。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
本发明的一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统如图1所示，包括UWB定位标签模块、UWB探测模块、LoRa无线通信模块、处理终端和电源模块。
UWB定位标签模块置于待测目标上，用于发送UWB信号。选择型号STM32F103C8T6芯片作为主控制器。选择型号DW1000作定位芯片。选择低剖面、高增益、抗干扰的超宽带天线作为UWB定位标签模块的通讯天线。
UWB探测模块集成于单基站上，用于接收UWB定位标签模块发送的UWB信号，再利用AOA算法计算UWB信号的到达角度，以及PDOA或TOF算法计算出待测目标与基站的距离，最终得到待测目标的位置坐标信息。经大量实验反复验证，其最远识别距离为300 m(≤300 m)，定位精度为10 cm左右，而且还具有抗风阻特性，符合空气动力学，即当待测目标高速运动时不易损坏。
UWB探测模块集成了双天线或多天线，选择保持固定距离d的天线作为基站模块的通讯天线，分别命名为天线1、天线2。利用双天线的细波束来区分多径信号，并选取两条能量最强的信号。
利用AOA算法计算UWB信号的到达角度，以及PDOA或TOF算法计算出待测目标与基站的距离具体为：
定位原理如图2所示，具体介绍如下：从图2中所描绘的几何形状可以看出两条能量最强的信号路径长度的差异p与天线1和2之间的距离d和到达角θ，三者之间的关系为
Figure 585563DEST_PATH_IMAGE002
；考虑一个信号波长
Figure 630880DEST_PATH_IMAGE004
，其中f是它的载波频率，c表示光速；那么，两信号到达相位差
Figure 557247DEST_PATH_IMAGE006
与p和
Figure 395454DEST_PATH_IMAGE008
的关系为
Figure 545812DEST_PATH_IMAGE010
；因此，推导出PDOA到达相位差
Figure 344004DEST_PATH_IMAGE006
和AOA到达角θ之间的关系为
Figure 808484DEST_PATH_IMAGE012
。
另外，根据一条信号发送与接收的相位差
Figure 8521DEST_PATH_IMAGE014
(即PDOA算法)，计算出标签到基站的距离，即
Figure 329781DEST_PATH_IMAGE016
;
或根据测量UWB信号在基站与标签之间往返的飞行时间
Figure DEST_PATH_IMAGE043
（即TOF算法），计算出标签到基站的距离，即
Figure 647892DEST_PATH_IMAGE018
。
LoRa无线通信模块采用自组网通信模式，该自组网网络结构主要为LoRa采集单元、LoRa中继单元和LoRa终端单元。针对UWB单基站定位，本发明提出了两种组网方式：
第一种是常规的组网方式，如图3所示。将LoRa采集单元，置于单基站上，用于接收UWB探测模块发送的待测目标位置信息。LoRa中继单元，直接单独置于LoRa采集单元与LoRa终端单元之间，用于长远距离无线数据传输。LoRa终端单元，与处理终端相连接，用于接收LoRa中继单元传输的位置数据并上传至处理终端处理。
第二种是多个单基站进行组网，如图4所示。将LoRa采集单元，置于单基站上，用于接收UWB探测模块发送的待测目标位置信息。接着，将多个置于单基站上的LoRa采集单元用作LoRa中继单元，即单个基站与单个基站之间进行组网传输通信，单基站上的LoRa模块既作为LoRa采集单元又作为LoRa中继单元，有效地实现了长远距离的无线数据传输，极大地减小了数据传输成本和架设难度。LoRa终端单元，与处理终端相连接，用于接收中继单元传输的位置数据并上传至处理终端处理。
由于UWB技术为短距离通信，其最远通信距离只能达到几百米级别，常用的基站传输数据的方式为有线传输，但这需要大规模的布置线缆，将耗费大量的人力、物力、财力，而LoRa无线通信技术，是一种兼具长远距离和低功耗特点的技术。因此，本发明融合了UWB单基站精准定位技术和LoRa无线通信技术，将UWB定位位置信号通过LoRa无线自组网传输的方式，进行了远距离、无线、实时、稳定的传输。
LoRa模块选择芯片型号ASR6505，是一款基于SX1262的LoRa终端模组，集成了LoRa射频芯片SX1262和主控芯片STM8L152。为体现集成化，将采集单元的LoRa模块与定位基站模块集成于一体，实现了一款UWB+LoRa的单基站模块。
处理终端用于解析、计算、处理UWB探测模块通过LoRa无线通信模块发送的位置信息数据，其中，利用修正的卡尔曼滤波算法对数据进行滤波处理，实现实时滤除异常位置坐标点，提取有效数据并进行滤波处理，再利用处理后的数据进行可视化显示设置。包括：
根据UWB指定的上报命令协议，提取、解析、计算有效位置信息数据；
利用修正的卡尔曼滤波算法对数据进行滤波处理，实现实时滤除异常坐标点；
在处理后的数据的基础上，设计开发可视化交互界面。
上述上报命令协议为十八字节数据的Hex格式；第一字节为起始字节，固定为ASCII码的“*”；第二字节为数据长度；第三字节为序号；第四、五字节为定位标签地址；第六字节为定位标签与UWB定位基站的有效位；第七至十字节为定位标签与UWB定位基站的角度信息；第十一至十四字节为定位标签与UWB定位基站的距离信息；第十五至十六字节为第三方定义数据；第十七位为校验位；第十八位为结束字节，固定为ASCII码的“#”。
进一步的，修正的卡尔曼滤波算法为：
（1）对每5个位置信息数据求取平均值，进行平均处理。
（2）定义模型参数，初始化输入数据值s(k)=[z(0) 0]，实际测量值d=z(0)，测量时间间隔dt=0.01s，状态转移矩阵初始化
Figure 650483DEST_PATH_IMAGE020
，噪声耦合矩阵初始化
Figure 705027DEST_PATH_IMAGE022
，激励噪声w(k)对应的协方差矩阵
Figure 462767DEST_PATH_IMAGE024
，测量噪声对应的协方差矩阵
Figure 235551DEST_PATH_IMAGE026
，状态协方差矩阵
Figure 776254DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 449418DEST_PATH_IMAGE030
，其中q=10，r=10。
（3）由上一时刻状态值S对下一时刻状态值Sprediction进行预测更新
Figure 112481DEST_PATH_IMAGE032
，计算状态协方差矩阵
Figure 372561DEST_PATH_IMAGE034
。
（4）计算卡尔曼增益
Figure 982534DEST_PATH_IMAGE036
，校准误差
Figure 11670DEST_PATH_IMAGE038
，测量值校正目标的最优估计
Figure 48896DEST_PATH_IMAGE040
，更新状态协方差矩阵
Figure 530693DEST_PATH_IMAGE042
。
（5）间断式采用卡尔曼滤波算法进行数据处理，以1 min为间隔，对卡尔曼滤波算法进行刷新处理，即每间隔1 min初始化与卡尔曼滤波算法相关的矩阵，从而消除因迭代次数的累计而带来的误差，有效地提高定位精度。
进一步的，可视化交互界面包括：对定位目标位置坐标的实时显示；对定位目标进行分类管理；用户可自定义设置危险区域范围；可通过输入时间节点，查询历史轨迹。
可视化交互界面设计流程如图5所示，实现了实时显示定位目标轨迹，精准定位目标。并扩展了其他应用功能，如定位目标位置坐标显示、定位目标分类管理、电子围栏预警、历史轨迹查询等等。所述电子围栏预警功能，可自定义设置禁止围栏区域。若有目标进入该区域时，将触发电子围栏功能，进行语音报警提醒。所述历史轨迹查询功能，用户可通过输入时间节点信息，提取该时间段的位置信息数据，从而进行历史轨迹查询。

Claims (5)

1.一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统，其特征在于，包括UWB定位标签模块、UWB探测模块、LoRa无线通信模块、处理终端和电源模块；
UWB定位标签模块置于待测目标上，用于发送UWB信号；
UWB探测模块集成于单基站上，用于接收UWB定位标签模块发送的UWB信号，再利用AOA/PDOA或AOA/TOF算法计算出待测目标的位置坐标信息；
LoRa无线通信模块集成于单基站上，用于长远距离的无线数据传输，将UWB定位位置数据通过LoRa自组网无线传输到处理终端进行处理，整个自组网网络结构分为LoRa采集单元、LoRa中继单元和LoRa终端单元；
处理终端用于解析、计算、处理UWB探测模块通过LoRa无线通信模块发送的位置信息数据，其中，利用修正的卡尔曼滤波算法对数据进行滤波处理，实现实时滤除异常位置坐标点，提取有效数据，再利用处理后的数据进行可视化显示设置；
所述修正的卡尔曼滤波算法为：
（1）对多个位置信息数据求取平均值，进行平均处理；
（2）定义模型参数，初始化输入数据值s(k)=[z(0) 0]，实际测量值d=z(0)，测量时间间隔dt，状态转移矩阵初始化
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，噪声耦合矩阵初始化
Figure 919522DEST_PATH_IMAGE002
，激励噪声w(k)对应的协方差矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，测量噪声对应的协方差矩阵
Figure 961296DEST_PATH_IMAGE004
，状态协方差矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 570394DEST_PATH_IMAGE006
，其中q=10，r=10；
（3）由上一时刻状态值s对下一时刻状态值Sprediction进行预测更新
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，计算状态协方差矩阵
Figure 90237DEST_PATH_IMAGE008
；
（4）计算卡尔曼增益
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，校准误差
Figure 793357DEST_PATH_IMAGE010
，式中Z measure指实际测量值；测量值校正目标的最优估计
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，更新状态协方差矩阵
Figure 943716DEST_PATH_IMAGE012
，式中I为单位矩阵；
（5）间断式采用卡尔曼滤波算法进行数据处理，设置时间间隔为t min，对卡尔曼滤波算法进行刷新处理，即每间隔t min初始化与卡尔曼滤波算法相关的矩阵，从而消除因迭代次数的累计而带来的误差，有效地提高定位精度；
电源模块，为各模块供电。
2.根据权利要求1所述的一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统，其特征在于，所述UWB探测模块设置双天线或多天线，利用所述双天线或多天线的细波束来区分多径信号，并选取两条能量最强的信号来获取相位信息；再利用AOA算法计算UWB信号的到达角度，以及PDOA或TOF算法计算出待测目标与基站的距离，最终得到待测目标的位置坐标信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统，其特征在于，所述LoRa无线通信模块采用自组网通信模式，用于实现UWB探测模块与处理终端的长远距离数据通信；
所述LoRa采集单元，置于单基站上，用于接收UWB探测模块发送的待测目标位置信息；
所述LoRa中继单元为多个，置于单基站上或直接单独置于LoRa采集单元与LoRa终端单元之间，用于长远距离无线数据传输；
所述LoRa终端单元，与处理终端相连接，用于接收中继单元传输的位置数据并上传至处理终端处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统，其特征在于，所述处理终端用于数据的处理和可视化显示，包括：
根据UWB指定的上报命令协议，提取、解析、计算有效位置信息数据；
利用修正的卡尔曼滤波算法对数据进行滤波处理，实现实时滤除异常坐标点；
在处理后的数据的基础上，设计开发可视化交互界面。
5.根据权利要求4所述的一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统，其特征在于，所述可视化交互界面，包括：对定位目标位置坐标的实时显示；对定位目标进行分类管理；用户可自定义设置危险区域范围；通过输入时间节点，查询历史轨迹。
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