CN114339612A - 基于超宽带的多基站多标签定位方法及可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于超宽带的多基站多标签定位方法及可读存储介质，方法包括如下步骤：S1：在场地布置多个超宽带的基站和多个标签；S2：同时得到一个所述标签到多个所述基站之间的信号飞行时间；S3：基于所述信号飞行时间得到一个所述标签到多个所述基站的距离。将基站回复信息的处理集成在同一过程，节省了测距过程时间，提高了测距效率。

Description

基于超宽带的多基站多标签定位方法及可读存储介质

技术领域

本发明涉及超宽带定位技术领域，尤其涉及一种基于超宽带的多基站多标签定位方法及可读存储介质。

背景技术

人们现如今有80％以上的时间在室内度过，越来越多的智能化终端和个性化需求应运而生，室内定位的需求也越来越强烈。室内定位的应用场景包括但不限于：为消费者提供商场导购、停车场反向寻车、展厅自助导游等服务。企业应用方面则包括人流监控和分析、智慧工厂仓储和物流、智能制造等。真正地使智慧生活，智慧办公成为可能。而UWB的发展顺应了这股时代的潮流。

超宽带(UWB)技术是一种新兴的无线通信技术，采用纳秒级非正弦波窄脉冲在极宽的频谱上传输极低功率信号，进而实现无载波通信。UWB具有的发射功率低、抗多径能力强、定位延迟低以及收发机结构简单等优点，使其在室内定位这个领域中脱颖而出，在室内静止或者移动的物体以及人的定位跟踪与导航的应用上有很大的优势。

UWB定位技术可以广泛应用于各种军用和民用场合，老人和病人由于生活自理能力差且自我判断和保护能力不足容易迷失方向，遇到危险时很难实现自救和求助。通过人员实时定位的现代化信息智能监管系统，能够及时处理应急情况，为他们的生命健康安全和日常生活提供有力保障。

传统的UWB定位系统有很大局限性。在传统的系统中，基站与标签的数量是固定的，一旦设定便不可更改。在测距过程采用预留时间槽的形式，无论是否接入标签和基站，预留的时间槽都会存在，使得系统时间浪费。同时系统中必须有一个主基站来同步系统中全部基站与标签的时间。以4基站(基站0～3)8标签(标签1～8)为例，其大致工作原理为：4个基站中，以基站0作为测距系统的核心，负责整个系统的时间同步与时间槽分配。在每个测距周期中，基站0 把时间分为10个等分的时间槽，8个标签各占一个不同的时间槽来进行测距，另2个时间槽用于基站间的测距。传统的UWB定位系统采用基站标签点对点单独定位。过程如下：标签首先发送定位请求的轮询信息给特定基站；该基站接收到轮询信息后，对该标签发送一个轮询回复信息；该标签接收到轮询回复信息后，立即继续向该特定基站发送最终信息。该基站接收到最终信息时，表示一次测距过程的结束。一次测距过程耗时大约为25ms，即一秒钟最多承受40次测距过程，效率不高。如果增加标签数量，时间槽个数增加，增加基站数量，时间槽长度将大幅增加，即测距周期大幅度加长。这种系统在定位空间较大时，或标签节点数量多、测距频率有要求时，都很难满足实际需求。此外，传统系统要求全部基站与标签都在彼此的视距通信范围内，当有非视距情况出现，本次测距将会宣告失败。传统UWB定位系统标签的测距请求信号调度不佳，存在信号碰撞的问题，降低了系统的工作效率。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明为了解决现有的问题，提供一种基于超宽带的多基站多标签定位方法及可读存储介质。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：

一种基于超宽带的多基站多标签定位方法，包括如下步骤：S1：在场地布置多个超宽带的基站和多个标签；S2：同时得到一个所述标签到多个所述基站之间的信号飞行时间；S3：基于所述信号飞行时间得到一个所述标签到多个所述基站的距离。

优选地，将同一个所述标签对不同所述基站的请求合并并调度所述标签的请求顺序同时得到一个所述标签到多个所述基站之间的信号飞行时间。

优选地，在所述标签和所述基站之间设置自同步原则调度所述标签的请求顺序。

优选地，每个所述标签有一个唯一的16位短地址Addr16，所述标签的广播间隔时间为T_adv，规划容纳所述标签数量为N_tag，则所述标签广播占用的时间槽T_slot＝T_adv/N_tag；设超宽带定位系统中的标签A对应的广播时间序列刻度分配为 T_{seq_a}＝Addr16_a％N_tag，标签B的广播时间序列刻度分配T_{seq_b}＝Addr16_b％N_tag；所述标签A在T₀时刻扫描到所述标签B的广播消息，且如果所述标签A的短地址大于所述标签B的短地址，则所述标签A调整自身下次广播时间；调整原则为：如果所述标签A的T_{seq_a}等于所述标签B的T_{seq_b}，则所述标签A下次广播时间延迟T_slot/2；如果所述标签A的T_{seq_a}大于所述标签B的T_{seq_b}，则所述标签A下次广播时间为T₀+(T_{seq_a}-T_seq-b)*T_slot；如果所述标签A的T_{seq_a}小于所述标签B的 T_{seq_b}，则所述标签A下次广播时间为T₀+T_adv-(T_{seq_b}-T_seq-a)*T_slot。

优选地，在场地布置多个超宽带的所述基站和多个所述标签后，所述基站上电，进入基站初始状态；在所述基站初始状态下，基站发射端和基站接收端关闭，初始化设备资源参数，重新配置广播通道参数；所述标签上电，进入标签初始状态；在所述标签初始状态下，标签发射端与标签接收端关闭，初始化设备资源参数，重新配置广播通道参数；所述标签初始状态结束后进入标签扫描状态，在所述标签扫描状态下，所述标签发射端关闭，所述标签接收端开启接收其它标签的广播消息；当接收到其它所述标签的广播消息时，根据所述标签的所述自同步原则调整自身下次广播时间刻度；所述标签扫描状态下，当自身广播时间刻度到来时，所述标签关闭所述标签接收端，退出所述标签扫描状态，进入标签广播状态；所述基站初始状态结束，进入基站扫描状态，在所述基站扫描状态下，所述基站发射端关闭，在广播通道接收端持续开启，用于扫描所述标签的广播消息；同时，所述标签在广播状态下，所述标签接收端关闭，所述标签发射端开启，在自身广播时间刻度点发射广播消息，广播消息发送完成后立即切换到数据通道，进入所述标签轮询状态；所有所述基站持续扫描，直到扫描到所述标签的广播消息后，根据所述广播消息内容，扫描到所述标签广播信息的所有所述基站切换到对应数据通道进入基站轮询状态。

优选地，所述标签在标签轮询状态下，以所述标签广播状态时发送广播消息时间刻度为基准，固定标签轮询消息时延后，在数据通道发送轮询消息，并在本地打下时间戳，记为t_t1；同时，所述基站在所述基站轮询状态下，所述基站发射端关闭，所述基站接收端开启接收所述标签的轮询消息，在所述基站轮询消息扫描时间时长内扫描所述标签的所述轮询消息，若扫描时间内未能接收到指定轮询消息则所述基站退出轮询状态，切换到广播通道进入所述基站扫描状态；若扫描到指定轮询消息，则立刻在本地打下时间戳，记为t_a1,i，其中i为基站编号；且在轮询回复消息时延后发射轮询回复消息，轮询回复消息发射完成后所述基站进入基站最终状态；所述标签在发送完成轮询信息后，立即开启所述标签接收端，在轮询回复消息扫描时长内接收各个所述基站的轮询回复消息，并分别在接收到所述轮询回复信息时在本地打下时间戳t_t2,i，其中i表示发送所述轮询回复消息的基站编号；所述标签扫描时间结束后关闭所述标签接收端，进入标签最终状态。

优选地，所述标签在所述标签最终状态下，以所述标签轮询状态时发送轮询消息时间刻度为基准，固定最终消息发射延时时长延时后，在本地打下时间戳，记为t_t3，并在数据通道发送最终消息，所述标签进入所述标签扫描状态；所述基站在所述基站最终状态下，所述基站发射端关闭，所述基站接收端开启接收标签的最终消息，在最终消息扫描时长内未接收到所述最终消息则退出最终状态，直接进入所述基站扫描状态；所述基站最终状态接收到所述最终消息后，立即在本地打下时间戳，记为t_a3,i，表示完成了一次标签测距，随即在本地利用整个测距过程中所述基站和所述标签打下的时间戳，计算出飞行时间T_prop,i：

其中，T_round1,i＝t_t2,i-t_t1指所述标签广播轮询信息到收到基站i回复的轮询回复信息所经过的时间；

T_round2,i＝t_a3,i-t_a2,i指基站i从回复轮询回复信息到收到所述标签广播的最终信息所经过的时间；

T_reply1,i＝t_a2,i-t_a1,i指基站i从收到所述标签广播的轮询信息到回复轮询回复信息所经过的时间；

T_reply2,i＝t_t3-t_t2,i指所述标签从收到基站i回复的轮询回复信息到广播最终信息所经过的时间；

所述基站退出所述基站最终状态，进入所述基站扫描状态。

优选地，所述飞行时间T_prop,i乘以光速c，得到每个所述标签到各响应所述基站的距离信息d₁,d₂,…d_n：

d_i＝T_prop,i·c

同时得到测距信息，所述测距信息包含时间、标签编号、基站编号、距离。

优选地，还包括测距信息分拣算法对所述测距信息进行整合，包括如下步骤：T1：获取所述测距信息并定义最大等待时间和最少基站数量：对输入的所述测距信息按照标签编号进行分组并考察最大等待时间内，所述组内所收到的所述测距信息所含不同基站编号的数量，若所述基站数量大于或等于所述最少基站数量，则进入步骤T3，若所述基站数量小于所述最少基站数量则进入步骤T2；T2：考察当前接收测距数据和所述组第一个接收到的测距数据的时间差，若时间差小于所述最大等待时间，则返回步骤T1继续接收所述测距信息；若时间差大于等于所述最大等待时间，则进入步骤T3；T3：进行定位计算并对计算结果进行滤波，输出定位结果，随后删除所述组下所有的测距信息。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一所述方法的步骤。

本发明的有益效果为：提供一种基于超宽带的多基站多标签定位方法及可读存储介质，通过将定位过程中单个标签到多个基站的测距过程进行了合并，将测距申请更改为广播过程，并将基站回复信息的处理集成在同一过程，节省了测距过程时间，提高了测距效率。

进一步地，本发明删除了传统系统中预留固定基站数目和固定时间槽的设置，将基站数量更改为可变，从而提高了系统的可扩展性。

再进一步地，本发明设计了标签自同步算法，标签可根据算法自适应地调整广播时间，有效避免了标签测距请求信号碰撞的问题，防止在一个测距过程中重复收到同一标签请求的现象，使得调度更加合理。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于超宽带的多基站多标签定位方法的示意图。

图2是本发明实施例中一种基于超宽带的多基站多标签定位流程示意图。

图3是本发明实施例中测距信息分拣算法对所述测距信息进行整合的方法示意图。

图4是本发明实施例中测距信息分拣算法的流程示意图。

图5是本发明实施例中标签的定位时序设计示意图。

图6是本发明实施例中标签的定位时序设计示意图。

图7(a)-图7(b)是本发明实施例中一种接入标签数目vs每秒测距数量的示意图。

图8是本发明实施例中标签自同步算法使用前后对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，本发明一种基于超宽带的多基站多标签定位方法，包括如下步骤：

S1：在场地布置多个超宽带的基站和多个标签；

S2：同时得到一个所述标签到多个所述基站之间的信号飞行时间；

S3：基于所述信号飞行时间得到一个所述标签到多个所述基站的距离。

本发明的方法将一个标签得到的多个基站之间的信号飞行时间同时得到，节省了测距过程时间，提高了测距效率。

在本发明的一种实施例中，将同一个所述标签对不同所述基站的请求合并并调度所述标签的请求顺序同时得到一个所述标签到多个所述基站之间的信号飞行时间。

具体地，在所述标签和所述基站之间设置自同步原则调度所述标签的请求顺序。

为防止上述系统中出现不断收到同一个标签的定位请求的可能(如某标签在特定时刻距离基站特别近，信号飞行时间短)，本发明特此设计了自同步算法，即标签与基站除了测距状态外，额外添加了一个自同步状态，并且测距与自同步分别在不同的信道进行。自同步时，标签根据算法自行调整信号发射时间，避免同其它标签信号碰撞。

在本发明的一种实施例中，每个所述标签有一个唯一的16位短地址Addr16，所述标签的广播间隔时间为T_adv，规划容纳所述标签数量为N_tag，则所述标签广播占用的时间槽T_slot＝T_adv/N_tag；

设超宽带定位系统中的标签A对应的广播时间序列刻度分配为 T_{seq_a}＝Addr16_a％N_tag，标签B的广播时间序列刻度分配T_{seq_b}＝Addr16_b％N_tag；

所述标签A在T₀时刻扫描到所述标签B的广播消息，且如果所述标签A的短地址大于所述标签B的短地址，则所述标签A调整自身下次广播时间；调整原则为：

如果所述标签A的T_{seq_a}等于所述标签B的T_{seq_b}，则所述标签A下次广播时间延迟T_slot/2；

如果所述标签A的T_{seq_a}大于所述标签B的T_{seq_b}，则所述标签A下次广播时间为T₀+(T_{seq_a}-T_seq-b)*T_slot；

如果所述标签A的T_{seq_a}小于所述标签B的T_{seq_b}，则所述标签A下次广播时间为T₀+T_adv-(T_{seq_b}-T_seq-a)*T_slot。

本发明设计了标签自同步算法，标签可根据算法自适应地调整广播时间，有效避免了标签测距请求信号碰撞的问题，防止在一个测距过程中重复收到同一标签请求的现象，使得调度更加合理。

如图2所示，是本发明的实施例中一种基于超宽带的多基站多标签定位流程示意图。

在本发明的一种实施例中，在场地布置UWB基站(基站位置必须已知)和 UWB标签，并在主机后端存储UWB基站和标签设备的MAC地址，随后基站上电，进入初始状态。初始状态下，基站发射端和接收端关闭，初始化设备资源参数，重新配置广播通道参数；标签上电，进入初始状态。初始状态下，标签发射端与接收端关闭，初始化设备资源参数，重新配置广播通道参数。

所述标签上电，进入标签初始状态；在所述标签初始状态下，标签发射端与标签接收端关闭，初始化设备资源参数，重新配置广播通道参数；

所述标签初始状态结束后进入标签扫描状态，在所述标签扫描状态下，所述标签发射端关闭，所述标签接收端开启接收其它标签的广播消息；当接收到其它所述标签的广播消息时，根据所述标签的所述自同步原则调整自身下次广播时间刻度；所述标签扫描状态下，当自身广播时间刻度到来时，所述标签关闭所述标签接收端，退出所述标签扫描状态，进入标签广播状态；

所述基站初始状态结束，进入基站扫描状态，在所述基站扫描状态下，所述基站发射端关闭，在广播通道接收端持续开启，用于扫描所述标签的广播消息；同时，所述标签在广播状态下，所述标签接收端关闭，所述标签发射端开启，在自身广播时间刻度点发射广播消息，广播消息发送完成后立即切换到数据通道，进入所述标签轮询状态；所有所述基站持续扫描，直到扫描到所述标签的广播消息后，根据所述广播消息内容，扫描到所述标签广播信息的所有所述基站切换到对应数据通道进入基站轮询状态。

在网络不佳或丢包率较大时，标签无法进行连续的应答，可取消标签的广播过程，使得每一个测距过程单独进行。

在本发明的再一种实施例中，所述标签在标签轮询状态下，以所述标签广播状态时发送广播消息时间刻度为基准，固定标签轮询消息时延后，在数据通道发送轮询消息，并在本地打下时间戳，记为t_t1；

在一种具体的实施例中，UWB测距系统中事先设置标签轮询消息时延的时间，典型值为2ms

同时，所述基站在所述基站轮询状态下，所述基站发射端关闭，所述基站接收端开启接收所述标签的轮询消息，在所述基站轮询消息扫描时间时长内扫描所述标签的所述轮询消息，若扫描时间内未能接收到指定轮询消息则所述基站退出轮询状态，切换到广播通道进入所述基站扫描状态；若扫描到指定轮询消息，则立刻在本地打下时间戳，记为t_a1,i，其中i为基站编号；

在一种具体的实施例中，基站轮询消息扫描时间时长为20ms。

且在轮询回复消息时延后发射轮询回复消息，轮询回复消息发射完成后所述基站进入基站最终状态；所述标签在发送完成轮询信息后，立即开启所述标签接收端，在轮询回复消息扫描时长内接收各个所述基站的轮询回复消息，并分别在接收到所述轮询回复信息时在本地打下时间戳t_t2,i，其中i表示发送所述轮询回复消息的基站编号；该基站的MAC地址必须存在与主机后端中，否则不处理。

在一种具体的实施例中，轮询回复消息时延典型值为1+0.5ims，其中i为基站编号；轮询回复消息扫描时长典型值为10ms。

所述标签扫描时间结束后关闭所述标签接收端，进入标签最终状态。

本发明删除了传统系统中预留固定基站数目和固定时间槽的设置，将基站数量更改为可变，从而提高了系统的可扩展性。

在本发明的一种实施例中，所述标签在所述标签最终状态下，以所述标签轮询状态时发送轮询消息时间刻度为基准，固定最终消息发射延时时长延时后，在本地打下时间戳，记为t_t3，并在数据通道发送最终消息，所述标签进入所述标签扫描状态；在一种具体的实施例中，最终消息发射延时时长典型值为15ms。

所述基站在所述基站最终状态下，所述基站发射端关闭，所述基站接收端开启接收标签的最终消息，在最终消息扫描时长内未接收到所述最终消息则退出最终状态，直接进入所述基站扫描状态；所述基站最终状态接收到所述最终消息后，立即在本地打下时间戳，记为t_a3,i，表示完成了一次标签测距，在一种具体的实施例中，最终消息扫描时长典型值为15ms。

随即在本地利用整个测距过程中所述基站和所述标签打下的时间戳，计算出飞行时间T_prop,i：

其中，T_round1,i＝t_t2,i-t_t1指所述标签广播轮询信息到收到基站i回复的轮询回复信息所经过的时间；

T_round2,i＝t_a3,i-t_a2,i指基站i从回复轮询回复信息到收到所述标签广播的最终信息所经过的时间；

T_reply1,i＝t_a2,i-t_a1,i指基站i从收到所述标签广播的轮询信息到回复轮询回复信息所经过的时间；

T_reply2,i＝t_t3-t_t2,i指所述标签从收到基站i回复的轮询回复信息到广播最终信息所经过的时间；

所述基站退出所述基站最终状态，进入所述基站扫描状态。

在本发明的一种实施例中，所述飞行时间T_prop,i乘以光速c，得到每个所述标签到各响应所述基站的距离信息d₁,d₂,…d_n：

d_i＝T_prop,i·c

同时得到测距信息，所述测距信息包含时间、标签编号、基站编号、距离。

如图3所示，还包括测距信息分拣算法对所述测距信息进行整合，包括如下步骤：

T1：获取所述测距信息并定义最大等待时间和最少基站数量：对输入的所述测距信息按照标签编号进行分组并考察最大等待时间内，所述组内所收到的所述测距信息所含不同基站编号的数量，若所述基站数量大于或等于所述最少基站数量，则进入步骤T3，若所述基站数量小于所述最少基站数量则进入步骤T2；

T2：考察当前接收测距数据和所述组第一个接收到的测距数据的时间差，若时间差小于所述最大等待时间，则返回步骤T1继续接收所述测距信息；若时间差大于等于所述最大等待时间，则进入步骤T3；

T3：进行定位计算并对计算结果进行滤波，输出定位结果，随后删除所述组下所有的测距信息。

如图4所示，是本发明实施例中测距信息分拣算法的流程示意图。

如图5所示，是基站的定位时序设计示意图。在本发明中基站4个状态：初始(INIT)状态，扫描(SCAN)状态，轮询(POLL)状态，最终(FINAL)状态。传统的基站与标签之间的测距就是一个扫描-轮询-最终(scan-poll-final)的三段过程，本发明设计这几个状态使得基站成为状态机，有效描述了基站的行为，并方便做状态的切换。

初始状态：上电或复位时，基站处于初始状态。完成后基站立即进入SCAN 状态。

扫描状态：基站发射端关闭，在广播通道RX持续开启，扫描标签的广播(Adv) 消息。扫描到标签的广播消息后，切换到对应数据通道，基站进入轮询状态。

轮询状态：基站发射端关闭，接收端开启接收标签的轮询消息，接收到指定轮询消息后，发射轮询回复(PollRsp)消息，完成后进入最终状态。

最终状态：基站发射端关闭，接收端开启接收标签的最终消息，接收到指定最终消息后，即可计算出基站与标签的距离，表示完成了一次标签测距，并进入扫描状态。

如图6所示，是标签的定位时序设计示意图。本发明的标签分为5个状态：初始(INIT)状态，扫描(SCAN)状态，广播(ADV)状态，轮询(POLL) 状态，最终(FINAL)状态。传统的基站与标签之间的测距就是一个扫描-轮询- 最终(scan-poll-final)的三段过程，本发明的标签除了测距三状态以外，还有一个广播过程，配合自同步算法，有效地调度信号，防止信号碰撞；本发明设计标签的5个状态也使得标签成为状态机，有效描述了标签的行为，并方便做状态的切换。

初始状态：上电或复位时，标签处于初始状态。完成后标签立即进入扫描状态。

扫描状态：标签发射端关闭，接收端开启接收其它标签的广播(Adv)消息。当接收到其它标签的广播消息时，根据标签自同步原则调整自身下次广播时间刻度。当自身广播时间刻度到来时，标签关闭发射端，进入广播状态。

广播状态：标签接收端关闭，发射端开启，发射广播消息，完成后立即进入轮询状态。

轮询状态：轮询状态下，标签以发送广播消息时间刻度为基准，固定时延后发送轮询l消息，然后立即开启发射端，在一定时间内接收各基站的回复消息，时间到后关闭接收端，进入FINAL状态。

最终状态：标签以发送轮询消息时间刻度为基准，固定时延后，在数据通道发送最终消息，然后切换到广播通道，进入扫描状态。

本发明设计的时序结构和对应标签自同步算法可有效对信号进行调度，避免信号的碰撞以及反复收到同一标签请求的现象出现；且本发明无需全部设备在视距内，基站设备可以随意布置，只需测距过程中视距内满足最小数量基站即可。同时标签数量一定范围的增加，系统无需进行任何更改，通过标签自同步算法即可完成测距。

在一种具体的实施例中，设有一个传统UWB定位系统，设置默认标签数目为8，基站数目为4。另有一个依据本发明的方法所设计的UWB定位系统。实验将四个基站全部接入系统，但首先只接入一个标签，随后逐渐将余下的标签也接入系统，统计每秒所接收到的测距数据数量和定位数据数量。

如图7(a)和图7(b)所示，是本发明实施例中一种接入标签数目vs每秒测距数量的示意图。如图7(a)所示，传统UWB定位系统无论标签是否接入，都会为其预留时间槽，导致在标签接入数量较少时系统利用率极低。在标签数量达到系统预设值时，效率最高。一旦标签数量超过预设值(有陌生标签)，系统便无法识别，并会对原有定位系统产生干扰，从而导致系统无法正常工作。

而本发明设计的UWB定位系统，由于取消了预留时间槽的设置，使得测距效率较为稳定，效率大大高于原系统的最大值，且新接入的标签可加入系统，而不会对系统造成干扰，从而印证了新系统的扩展性和高效率。

如图7(b)所示，三维定位最少需要来自四个不同基站的数据，原UWB系统定位数量较为稳定，但在标签接入较少时系统利用率不高，效率极低。当接入标签数量增大，本发明设计系统效率有所下降，属正常现象。

进一步验证标签自同步算法在本发明中的效果，对本发明设计的UWB系统进行测试，接入八个标签，标签按照距离基站的远近编号为0-7(0号最近，7号最远)，且八个标签的16位地址Addr16模8的余数相同，即它们初始被分配到同一个时间刻度进行广播，而距离基站较近的标签的广播请求会被首先相应，其他标签则会被忽略。实验统计15秒内基站收到每一个标签的广播请求。

如图8所示，是本发明实施例中标签自同步算法使用前后对比示意图。可见本发明中使用标签自同步算法，有效避免了同一标签的反复请求。

本申请实施例还提供一种控制装置，包括处理器和用于存储计算机程序的存储介质；其中，处理器用于执行所述计算机程序时至少执行如上所述的方法。

本申请实施例还提供一种存储介质，用于存储计算机程序，该计算机程序被执行时至少执行如上所述的方法。

本申请实施例还提供一种处理器，所述处理器执行计算机程序，至少执行如上所述的方法。

所述存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备、或者它们的组合来实现。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(ROM，Read Only Memory)、可编程只读存储器(PROM，Programmable Read-Only Memory)、可擦除可编程只读存储器(EPROM，ErasableProgrammable Read-Only Memory)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM，ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory)、磁性随机存取存储器(FRAM，FerromagneticRandom Access Memory)、快闪存储器(Flash Memory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(CD-ROM，Compact Disc Read-Only Memory)；磁表面存储器可以是磁盘存储器或磁带存储器。易失性存储器可以是随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(SRAM，Static Random Access Memory)、同步静态随机存取存储器(SSRAM， SynchronousStatic Random Access Memory)、动态随机存取存储器(DRAM， Dynamic Random AccessMemory)、同步动态随机存取存储器(SDRAM， Synchronous Dynamic Random AccessMemory)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDRSDRAM，Double Data RateSynchronous Dynamic Random Access Memory)、增强型同步动态随机存取存储器(ESDRAMEnhanced Synchronous Dynamic Random Access Memory)、同步连接动态随机存取存储器(SLDRAM， Sync Link Dynamic Random Access Memory)、直接内存总线随机存取存储器(DRRAM，Direct Rambus Random Access Memory)。本发明实施例描述的存储介质旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器 (RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本申请所提供的几个方法实施例中所揭露的方法，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例。

本申请所提供的几个产品实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的产品实施例。

本申请所提供的几个方法或设备实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例或设备实施例。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于超宽带的多基站多标签定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：在场地布置多个超宽带的基站和多个标签；

S2：同时得到一个所述标签到多个所述基站之间的信号飞行时间；

S3：基于所述信号飞行时间得到一个所述标签到多个所述基站的距离。

2.如权利要求1所述的基于超宽带的多基站多标签定位方法，其特征在于，将同一个所述标签对不同所述基站的请求合并并调度所述标签的请求顺序同时得到一个所述标签到多个所述基站之间的信号飞行时间。

3.如权利要求2所述的基于超宽带的多基站多标签定位方法，其特征在于，在所述标签和所述基站之间设置自同步原则调度所述标签的请求顺序。

4.如权利要求3所述的基于超宽带的多基站多标签定位方法，其特征在于，

每个所述标签有一个唯一的16位短地址Addr16，所述标签的广播间隔时间为T_adv，规划容纳所述标签数量为N_tag，则所述标签广播占用的时间槽T_slot＝T_adv/N_tag；

设超宽带定位系统中的标签A对应的广播时间序列刻度分配为T_{seq_a}＝Addr16_a％N_tag，标签B的广播时间序列刻度分配T_{seq_b}＝Addr16_b％N_tag；

所述标签A在T₀时刻扫描到所述标签B的广播消息，且如果所述标签A的短地址大于所述标签B的短地址，则所述标签A调整自身下次广播时间；调整原则为：

如果所述标签A的T_{seq_a}等于所述标签B的T_{seq_b}，则所述标签A下次广播时间延迟T_slot/2；

如果所述标签A的T_{seq_a}大于所述标签B的T_{seq_b}，则所述标签A下次广播时间为T₀+(T_{seq_a}-T_seq-b)*T_slot；

如果所述标签A的T_{seq_a}小于所述标签B的T_{seq_b}，则所述标签A下次广播时间为T₀+T_adv-(T_{seq_b}-T_seq-a)*T_slot。

5.如权利要求4所述的基于超宽带的多基站多标签定位方法，其特征在于，在场地布置多个超宽带的所述基站和多个所述标签后，所述基站上电，进入基站初始状态；在所述基站初始状态下，基站发射端和基站接收端关闭，初始化设备资源参数，重新配置广播通道参数；

所述标签上电，进入标签初始状态；在所述标签初始状态下，标签发射端与标签接收端关闭，初始化设备资源参数，重新配置广播通道参数；

所述标签初始状态结束后进入标签扫描状态，在所述标签扫描状态下，所述标签发射端关闭，所述标签接收端开启接收其它标签的广播消息；当接收到其它所述标签的广播消息时，根据所述标签的所述自同步原则调整自身下次广播时间刻度；所述标签扫描状态下，当自身广播时间刻度到来时，所述标签关闭所述标签接收端，退出所述标签扫描状态，进入标签广播状态；

所述基站初始状态结束，进入基站扫描状态，在所述基站扫描状态下，所述基站发射端关闭，在广播通道接收端持续开启，用于扫描所述标签的广播消息；同时，所述标签在广播状态下，所述标签接收端关闭，所述标签发射端开启，在自身广播时间刻度点发射广播消息，广播消息发送完成后立即切换到数据通道，进入所述标签轮询状态；所有所述基站持续扫描，直到扫描到所述标签的广播消息后，根据所述广播消息内容，扫描到所述标签广播信息的所有所述基站切换到对应数据通道进入基站轮询状态。

6.如权利要求5所述的基于超宽带的多基站多标签定位方法，其特征在于，所述标签在标签轮询状态下，以所述标签广播状态时发送广播消息时间刻度为基准，固定标签轮询消息时延后，在数据通道发送轮询消息，并在本地打下时间戳，记为t_t1；

同时，所述基站在所述基站轮询状态下，所述基站发射端关闭，所述基站接收端开启接收所述标签的轮询消息，在所述基站轮询消息扫描时间时长内扫描所述标签的所述轮询消息，若扫描时间内未能接收到指定轮询消息则所述基站退出轮询状态，切换到广播通道进入所述基站扫描状态；若扫描到指定轮询消息，则立刻在本地打下时间戳，记为t_a1,i，其中i为基站编号；

且在轮询回复消息时延后发射轮询回复消息，轮询回复消息发射完成后所述基站进入基站最终状态；所述标签在发送完成轮询信息后，立即开启所述标签接收端，在轮询回复消息扫描时长内接收各个所述基站的轮询回复消息，并分别在接收到所述轮询回复信息时在本地打下时间戳t_t2,i，其中i表示发送所述轮询回复消息的基站编号；

所述标签扫描时间结束后关闭所述标签接收端，进入标签最终状态。

7.如权利要求6所述的基于超宽带的多基站多标签定位方法，其特征在于，

所述标签在所述标签最终状态下，以所述标签轮询状态时发送轮询消息时间刻度为基准，固定最终消息发射延时时长延时后，在本地打下时间戳，记为t_t3，并在数据通道发送最终消息，所述标签进入所述标签扫描状态；

所述基站在所述基站最终状态下，所述基站发射端关闭，所述基站接收端开启接收标签的最终消息，在最终消息扫描时长内未接收到所述最终消息则退出最终状态，直接进入所述基站扫描状态；所述基站最终状态接收到所述最终消息后，立即在本地打下时间戳，记为t_a3,i，表示完成了一次标签测距，随即在本地利用整个测距过程中所述基站和所述标签打下的时间戳，计算出飞行时间T_prop,i：

其中，T_round1,i＝t_t2,i-t_t1指所述标签广播轮询信息到收到基站i回复的轮询回复信息所经过的时间；

T_round2,i＝t_a3,i-t_a2,i指基站i从回复轮询回复信息到收到所述标签广播的最终信息所经过的时间；

T_reply1,i＝t_a2,i-t_a1,i指基站i从收到所述标签广播的轮询信息到回复轮询回复信息所经过的时间；

T_reply2,i＝t_t3-t_t2,i指所述标签从收到基站i回复的轮询回复信息到广播最终信息所经过的时间；

所述基站退出所述基站最终状态，进入所述基站扫描状态。

8.如权利要求7所述的基于超宽带的多基站多标签定位方法，其特征在于，所述飞行时间T_prop,i乘以光速c，得到每个所述标签到各响应所述基站的距离信息d₁,d₂,…d_n：

d_i＝T_prop,i·c

同时得到测距信息，所述测距信息包含时间、标签编号、基站编号、距离。

9.如权利要求8所述的基于超宽带的多基站多标签定位方法，其特征在于，还包括测距信息分拣算法对所述测距信息进行整合，包括如下步骤：

T1：获取所述测距信息并定义最大等待时间和最少基站数量：对输入的所述测距信息按照标签编号进行分组并考察最大等待时间内，所述组内所收到的所述测距信息所含不同基站编号的数量，若所述基站数量大于或等于所述最少基站数量，则进入步骤T3，若所述基站数量小于所述最少基站数量则进入步骤T2；

T2：考察当前接收测距数据和所述组第一个接收到的测距数据的时间差，若时间差小于所述最大等待时间，则返回步骤T1继续接收所述测距信息；若时间差大于等于所述最大等待时间，则进入步骤T3；

T3：进行定位计算并对计算结果进行滤波，输出定位结果，随后删除所述组下所有的测距信息。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-9任一所述方法的步骤。

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