CN114449453A - 一种uwb一维定位方向判别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种UWB一维定位方向判别方法，所述定位基站和所述定位标签需要配置UWB芯片，所述定位标签使用一路UWB芯片，所述定位基站需要使用两路UWB芯片，分别为UWB1和UWB2，UWB1和UWB2的工作完全对，所述定位基站包括一个MCU芯片，MCU需要支持两路SPI接口，SPI用于连接定位基站上面的两路UWB芯片，MCU在主模式MOSI，UWB芯片工作在为从模式MISO，MCU对UWB芯片的控制只能通过SPI完成，两路UWB芯片还支持一个GPIO中断，MCU需要将这两个GPIO中断信号引入其内部的中断控制器，使用中断在UWB芯片接收到UWB数据帧的时候，快速通知MCU，并让上层RTLS测距模块能快速响应定位标签。
Description
技术领域
本发明涉及UWB定位领域，具体而言，涉及一种UWB一维定位方向判别方法。
背景技术
定位技术有多种，目前广泛使用的如卫星定位系统，包括北斗、GPS、格洛纳斯和伽利略，但是卫星信号在室内会被严重影响，近而导致卫星定位在室内无法定位。所以室内定位通常采用定位基站定位、无线通讯、惯导定位多种技术集成，形成一套室内位置定位系统，从而实现对人、物在室内空间中的位置定位。除了无线通讯网络中的蜂窝定位技术外，常用的室内定位技术还包括：Wi-Fi、蓝牙、红外线、UWB、RFID、ZigBee和超声波。
UWB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皮秒的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。UWB系统与传统的窄带系统相比，具有穿透能力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度优点。因此，UWB技术应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度，通常能做到30cm以内的精度。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前存在的背景技术提出的问题，为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：一种UWB一维定位方向判别方法，包括定位基站和定位标签，其特征在于，所述定位基站和所述定位标签需要配置UWB芯片，所述定位标签使用一路UWB芯片，所述定位基站需要使用两路UWB芯片，分别为UWB1和UWB2，UWB1和UWB2的工作完全对，所述定位基站包括一个MCU芯片，MCU需要支持两路SPI接口，SPI用于连接定位基站上面的两路UWB芯片，MCU在主模式MOSI，UWB芯片工作在为从模式MISO，MCU对UWB芯片的控制只能通过SPI完成，两路UWB芯片还支持一个GPIO中断，MCU需要将这两个GPIO中断信号引入其内部的中断控制器，使用中断在UWB芯片接收到UWB数据帧的时候，快速通知MCU，并让上层RTLS测距模块能快速响应定位标签。
作为本申请优选的技术方案，所述定位基站上面的UWB1和UWB2芯片分别引出一个外接天线接口用于外接UWB天线，柱状天线或平板天线，UWB通过ToF或是TDoA方法测距，所述定位基站能准确的判定所述定位标签方向，保证两个外接天线之间的距离不小于100cm，并且天线应对称的垂直安装在定位基站的两边。
作为本申请优选的技术方案，所述定位基站和所述定位标签之间的测距流程，通过测距得到定位标签到天线之间距离,流程包括S1.定位标签发生轮询帧，并记录发送时间Txp；S2.定位基站的两个UWB模块分别收到定位标签发送的轮询帧，记录各自的接受时间Trp1和Trp2。
作为本申请优选的技术方案，S3.所述定位基站通过UWB1发送响应报文，并记录发送时间Txr1；S4.定位基站待UWB1发送完成后，通过UWB2发送响应报文，并记录发送时间Txr2；S5.所述定位标签接受所述定位基站UWB1的响应报文，并记录接受时间Trr1。
作为本申请优选的技术方案，S6.所述定位标签接受定位基站UWB2的响应报文，并记录接受时间Trr2；S7.所述定位标签计算出Trr1与Txp之间的时间差Ttround1，Trr2与Txp的时间差Ttround2；S8.所述定位标签使用延迟发送方式，记录下延迟发送时间Txf。
作为本申请优选的技术方案，S9.所述定位标签计算Txf与Trr1的时间差Ttreply1，Txf与Trr2的时间差Ttreply2；S10.所述定位标签将Ttround1、Ttround2、Ttreply1和Ttreply2填充到Final报文并发送。
作为本申请优选的技术方案，还包括S11.所述定位基站记录UWB1接受到Final的报文时间Trf1；S12.所述定位基站记录UWB2接受到Final的报文时间Trf2。
作为本申请优选的技术方案，还包括S13.对于UWB1，计算出Txr1与Trp1的时间差记为Tbreply1，Trf1与Txr1的时间差记为Tbround1；S14.根据Ttround1、Ttreply1、Tbround1和Tbreply1，按照图2的公式计算出定位标签和定位基站UWB1之间的飞行时间Ttof1。
作为本申请优选的技术方案，还包括S15.计算出所述定位标签到定位基站的距离d1；S16.UWB2重复步骤13、14和15，计算出定位标签和定位基站UWB2之间的飞行时间Ttof2及距离d2。
作为本申请优选的技术方案，所述定位标签到UWB1和UWB2的距离，这个距离其实是到天线端的距离，T表示定位标签，A1表示UWB1外接的天线A1，A2表示UWB2外接的天线A2，且A1和A2之间的距离不小于100cm，所以最终的结果简化为一个三角形ΔA1A2T，根据以下规则判断出定位标签T与定位基站天线A1和A2的位置关系：1.若d1>d2，则定位标签T靠近天线A2；2.若d1<d2，则定位标签T靠近天线A1；3.若d1＝d2，则定位标签T在A1和A2的中间位置；通过上面的规则判断定位标签和定位基站的位置关系以及定位标签与定位基站之间的方向。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
在本申请的方案中：
1.通过所述定位基站和所述定位标签需要配置UWB芯片，所述定位标签使用一路UWB芯片，所述定位基站需要使用两路UWB芯片，分别为UWB1和UWB2，UWB1和UWB2的工作完全对，所述定位基站包括一个MCU芯片，MCU需要支持两路SPI接口，SPI用于连接定位基站上面的两路UWB芯片，MCU在主模式MOSI，UWB芯片工作在为从模式MISO，MCU对UWB芯片的控制只能通过SPI完成，两路UWB芯片还支持一个GPIO中断，MCU需要将这两个GPIO中断信号引入其内部的中断控制器，使用中断在UWB芯片接收到UWB数据帧的时候，快速通知MCU，并让上层RTLS测距模块能快速响应定位标签；
2.通过所述定位基站上面的UWB1和UWB2芯片分别引出一个外接天线接口用于外接UWB天线，柱状天线或平板天线，UWB通过ToF或是TDoA方法测距，所述定位基站能准确的判定所述定位标签方向，保证两个外接天线之间的距离不小于100cm，并且天线应对称的垂直安装在定位基站的两边；
3.通过所述定位基站和所述定位标签之间的测距流程，通过测距得到定位标签到天线之间距离,流程包括定位标签发生轮询帧，并记录发送时间Txp，定位基站的两个UWB模块分别收到定位标签发送的轮询帧，记录各自的接受时间Trp1和Trp2；
4.通过所述定位标签接受定位基站UWB2的响应报文，并记录接受时间Trr2；S7.所述定位标签计算出Trr1与Txp之间的时间差Ttround1，Trr2与Txp的时间差T tround2；S8.所述定位标签使用延迟发送方式，记录下延迟发送时间Txf。
附图说明：
图1为本申请提供的结构示意图；
图2为本申请提供的Ttof公式图；
图3为本申请提供的UWB1和UWB2的距离公式图；
图4为本申请提供的天线关系图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一种具体实施方式，不限于全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
如图1-图4，一种UWB一维定位方向判别方法，定位基站和定位标签需要配置UWB芯片，定位标签使用一路UWB芯片，定位基站需要使用两路UWB芯片，分别为UWB1和UWB2，UWB1和UWB2的工作完全对，定位基站包括一个MCU芯片，MCU需要支持两路SPI接口，SPI用于连接定位基站上面的两路UWB芯片，MCU在主模式MOSI，UWB芯片工作在为从模式MISO，MCU对UWB芯片的控制只能通过SPI完成，两路UWB芯片还支持一个GPIO中断，MCU需要将这两个GPIO中断信号引入其内部的中断控制器，使用中断在UWB芯片接收到UWB数据帧的时候，快速通知MCU，并让上层RTLS测距模块能快速响应定位标签。
作为优选的实施方式，在上述方式的基础上，进一步的，定位基站上面的UWB1和UWB2芯片分别引出一个外接天线接口用于外接UWB天线，柱状天线或平板天线，UWB通过ToF或是TDoA方法测距，定位基站能准确的判定定位标签方向，保证两个外接天线之间的距离不小于100cm，并且天线应对称的垂直安装在定位基站的两边。
作为优选的实施方式，在上述方式的基础上，进一步的，定位基站和定位标签之间的测距流程，通过测距得到定位标签到天线之间距离,流程包括S1.定位标签发生轮询帧，并记录发送时间Txp；S2.定位基站的两个UWB模块分别收到定位标签发送的轮询帧，记录各自的接受时间Trp1和Trp2。
作为优选的实施方式，在上述方式的基础上，进一步的，还包括S3.定位基站通过UWB1发送响应报文，并记录发送时间Txr1；S4.定位基站待UWB1发送完成后，通过UWB2发送响应报文，并记录发送时间Txr2；S5.定位标签接受定位基站UWB1的响应报文，并记录接受时间Trr1。
作为优选的实施方式，在上述方式的基础上，进一步的，还包括S6.定位标签接受定位基站UWB2的响应报文，并记录接受时间Trr2；S7.定位标签计算出Trr1与Txp之间的时间差Ttround1，Trr2与Txp的时间差T tround2；S8.定位标签使用延迟发送方式，记录下延迟发送时间Txf。
作为优选的实施方式，在上述方式的基础上，进一步的，还包括S9.定位标签计算Txf与Trr1的时间差Ttreply1，Txf与Trr2的时间差Ttreply2；S10.定位标签将Ttround1、Ttround2、Ttreply1和Ttreply2填充到Final报文并发送。
作为优选的实施方式，在上述方式的基础上，进一步的，还包括S11.定位基站记录UWB1接受到Final的报文时间Trf1；S12.定位基站记录UWB2接受到Final的报文时间Trf2。
作为优选的实施方式，在上述方式的基础上，进一步的，还包括S13.对于UWB1，计算出Txr1与Trp1的时间差记为Tbreply1，Trf1与Txr1的时间差记为Tbround1；S14.根据Ttround1、Ttreply1、Tbround1和Tbreply1，按照图2的公式计算出定位标签和定位基站UWB1之间的飞行时间Ttof1。
作为优选的实施方式，在上述方式的基础上，进一步的，还包括S15.计算出定位标签到定位基站的距离d1；S16.UWB2重复步骤13、14和15，计算出定位标签和定位基站UWB2之间的飞行时间Ttof2及距离d2。
作为优选的实施方式，在上述方式的基础上，进一步的，定位标签到UWB1和UWB2的距离，这个距离其实是到天线端的距离，T表示定位标签，A1表示UWB1外接的天线A1，A2表示UWB2外接的天线A2，且A1和A2之间的距离不小于100cm，所以最终的结果简化为一个三角形ΔA1A2T，因此，根据以下规则判断出定位标签T与定位基站天线A1和A2的位置关系：1.若d1>d2，则定位标签T靠近天线A2；2.若d1<d2，则定位标签T靠近天线A1；3.若d1＝d2，则定位标签T在A1和A2的中间位置；通过上面的规则判断定位标签和定位基站的位置关系以及定位标签与定位基站之间的方向。
工作原理：本发明在使用的过程中，定位基站和定位标签需要配置UWB芯片，定位标签使用一路UWB芯片，定位基站需要使用两路UWB芯片，分别为UWB1和UWB2，UWB1和UWB2的工作完全对，定位基站包括一个MCU芯片，MCU需要支持两路SPI接口，SPI用于连接定位基站上面的两路UWB芯片，MCU在主模式MOSI，UWB芯片工作在为从模式MISO，MCU对UWB芯片的控制只能通过SPI完成，两路UWB芯片还支持一个GPIO中断，MCU需要将这两个GPIO中断信号引入其内部的中断控制器，使用中断在UWB芯片接收到UWB数据帧的时候，快速通知MCU，并让上层RTLS测距模块能快速响应定位标签。
定位基站上面的UWB1和UWB2芯片分别引出一个外接天线接口用于外接UWB天线，柱状天线或平板天线，UWB通过ToF或是TDoA方法测距，定位基站能准确的判定定位标签方向，保证两个外接天线之间的距离不小于100cm，并且天线应对称的垂直安装在定位基站的两边。
定位基站和定位标签之间的测距流程，通过测距得到定位标签到天线之间距离,流程包括S1.定位标签发生轮询帧，并记录发送时间Txp；S2.定位基站的两个UWB模块分别收到定位标签发送的轮询帧，记录各自的接受时间Trp1和Trp2，还包括S3.定位基站通过UWB1发送响应报文，并记录发送时间Txr1；S4.定位基站待UWB1发送完成后，通过UWB2发送响应报文，并记录发送时间Txr2；S5.定位标签接受定位基站UWB1的响应报文，并记录接受时间Trr1，还包括S6.定位标签接受定位基站UWB2的响应报文，并记录接受时间Trr2；S7.定位标签计算出Trr1与Txp之间的时间差Ttround1，Trr2与Txp的时间差T tround2；S8.定位标签使用延迟发送方式，记录下延迟发送时间Txf。
S9.定位标签计算Txf与Trr1的时间差Ttreply1，Txf与Trr2的时间差Ttreply2；S10.定位标签将Ttround1、Ttround2、Ttreply1和Ttreply2填充到Final报文并发送，还包括S11.定位基站记录UWB1接受到Final的报文时间Trf1；S12.定位基站记录UWB2接受到Final的报文时间Trf2，S13.对于UWB1，计算出Txr1与Trp1的时间差记为Tbreply1，Trf1与Txr1的时间差记为Tbround1；S14.根据Ttround1、Ttreply1、Tbround1和Tbreply1，按照图2的公式计算出定位标签和定位基站UWB1之间的飞行时间Ttof1，S15.计算出定位标签到定位基站的距离d1；S16.UWB2重复步骤13、14和15，计算出定位标签和定位基站UWB2之间的飞行时间Ttof2及距离d2。
定位标签到UWB1和UWB2的距离，这个距离其实是到天线端的距离，T表示定位标签，A1表示UWB1外接的天线A1，A2表示UWB2外接的天线A2，且A1和A2之间的距离不小于100cm，所以最终的结果简化为一个三角形ΔA1A2T，因此，根据以下规则判断出定位标签T与定位基站天线A1和A2的位置关系：1.若d1>d2，则定位标签T靠近天线A2；2.若d1<d2，则定位标签T靠近天线A1；3.若d1＝d2，则定位标签T在A1和A2的中间位置；通过上面的规则判断定位标签和定位基站的位置关系以及定位标签与定位基站之间的方向。
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种UWB一维定位方向判别方法，包括定位基站和定位标签，其特征在于，所述定位基站和所述定位标签需要配置UWB芯片，所述定位标签使用一路UWB芯片，所述定位基站需要使用两路UWB芯片，分别为UWB1和UWB2，UWB1和UWB2的工作完全对，所述定位基站包括一个MCU芯片，MCU需要支持两路SPI接口，SPI用于连接定位基站上面的两路UWB芯片，MCU在主模式MOSI，UWB芯片工作在为从模式MISO，MCU对UWB芯片的控制只能通过SPI完成，两路UWB芯片还支持一个GPIO中断，MCU需要将这两个GPIO中断信号引入其内部的中断控制器，使用中断在UWB芯片接收到UWB数据帧的时候，快速通知MCU，并让上层RTLS测距模块能快速响应定位标签。
2.根据权利要求1所述的一种UWB一维定位方向判别方法，其特征在于，所述定位基站上面的UWB1和UWB2芯片分别引出一个外接天线接口用于外接UWB天线，柱状天线或平板天线，UWB通过ToF或是TDoA方法测距，所述定位基站能准确的判定所述定位标签方向，保证两个外接天线之间的距离不小于100cm，并且天线应对称的垂直安装在定位基站的两边。
3.根据权利要求1所述的一种UWB一维定位方向判别方法，其特征在于，所述定位基站和所述定位标签之间的测距流程，通过测距得到定位标签到天线之间距离,流程包括S1.定位标签发生轮询帧，并记录发送时间Txp；S2.定位基站的两个UWB模块分别收到定位标签发送的轮询帧，记录各自的接受时间Trp1和Trp2。
4.根据权利要求1所述的一种UWB一维定位方向判别方法，其特征在于，还包括S3.所述定位基站通过UWB1发送响应报文，并记录发送时间Txr1；S4.定位基站待UWB1发送完成后，通过UWB2发送响应报文，并记录发送时间Txr2；S5.所述定位标签接受所述定位基站UWB1的响应报文，并记录接受时间Trr1。
5.根据权利要求1所述的一种UWB一维定位方向判别方法，其特征在于，还包括S6.所述定位标签接受定位基站UWB2的响应报文，并记录接受时间Trr2；S7.所述定位标签计算出Trr1与Txp之间的时间差Ttround1，Trr2与Txp的时间差Ttround2；S8.所述定位标签使用延迟发送方式，记录下延迟发送时间Txf。
6.根据权利要求1所述的一种UWB一维定位方向判别方法，其特征在于，还包括S9.所述定位标签计算Txf与Trr1的时间差Ttreply1，Txf与Trr2的时间差Ttreply2；S10.所述定位标签将Ttround1、Ttround2、Ttreply1和Ttreply2填充到Final报文并发送。
7.根据权利要求1所述的一种UWB一维定位方向判别方法，其特征在于，还包括S11.所述定位基站记录UWB1接受到Final的报文时间Trf1；S12.所述定位基站记录UWB2接受到Final的报文时间Trf2。
8.根据权利要求1所述的一种UWB一维定位方向判别方法，其特征在于，还包括S13.对于UWB1，计算出Txr1与Trp1的时间差记为Tbreply1，Trf1与Txr1的时间差记为Tbround1；S14.根据Ttround1、Ttreply1、Tbround1和Tbreply1，按照图2的公式计算出定位标签和定位基站UWB1之间的飞行时间Ttof1。
9.根据权利要求1所述的一种UWB一维定位方向判别方法，其特征在于，还包括S15.计算出所述定位标签到定位基站的距离d1；S16.UWB2重复步骤13、14和15，计算出定位标签和定位基站UWB2之间的飞行时间Ttof2及距离d2。
10.根据权利要求1所述的一种UWB一维定位方向判别方法，其特征在于，所述定位标签到UWB1和UWB2的距离，这个距离其实是到天线端的距离，T表示定位标签，A1表示UWB1外接的天线A1，A2表示UWB2外接的天线A2，且A1和A2之间的距离不小于100cm，所以最终的结果简化一个三角形ΔA1A2T，根据以下规则判断出定位标签T与定位基站天线A1和A2的位置关系：1.若d1>d2，则定位标签T靠近天线A2；2.若d1<d2，则定位标签T靠近天线A1；3.若d1＝d2，则定位标签T在A1和A2的中间位置；通过上面的规则判断定位标签和定位基站的位置关系以及定位标签与定位基站之间的方向。
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