CN114501302A - 基于延长馈线的单uwb基站高精度室内定位方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于延长馈线的单UWB基站高精度室内定位设备及方法,所述方法包括:每个UWB逻辑定位单元利用对应的天线馈线及天线分别接收智能定位终端按照预设的频率发送的超宽带UWB定位信号,并获取每个UWB逻辑定位单元接收所述UWB定位信号时的时间戳数据;处理单元将每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据进行关联,并发送至服务器;服务器根据每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据,确定所述智能定位终端的位置信息。本发明通过在同一个定位基站的主板上集成多个逻辑定位单元和多个天线以及天线馈线,使得设备包络整个定位区间,实现对终端信号的接收采集,能够在节省成本的基础上高效地实现对终端设备的精准定位。
Description
技术领域
本发明涉及室内定位技术领域,并且更具体地,涉及一种基于延长馈线的单超宽带(Ultra Wideband,UWB)基站高精度室内定位方法及设备。
背景技术
在目前的室内定位技术主要有:WIFI定位、RFID技术、蓝牙定位、红外定位、超声波技术等方式,在上述的定位技术中,其定位精度都在米级。UWB超宽带定位在使用的技术手段或算法的不同情形下,精度可保持在0.1m-0.5m。
针对UWB方案中,市场上普遍采用的是独立定位基站方案,这样和本方案相对比,存在着较多不足之处:1.布局困难程度。在目前的方案中,大部分厂商都使用独立基站方式控制单个定位模组进行数据传输和定位,在客户实际使用过程中,需要对多个基站进行布点。若基站之间采用的是有线同步方式,还需要铺设同步线,这样会加大施工难度。2.成本方面。独立基站方案中,每个基站都需要单独的控制器、数据传输模块(wi fi或网口模块)、电源模块,这样在成本上会有比较大的开销。
因此,需要一种低成本且高效简洁地实现UWB高精度室内定位的设备及方法。
发明内容
本发明提出一种基于延长馈线的单UWB基站高精度室内定位方法及设备,以解决如何高效简洁地实现室内定位的问题。
为了解决上述问题,根据本发明的一个方面,提供了一种基于延长馈线的单UWB基站高精度室内定位方法,所述方法包括:
每个UWB逻辑定位单元利用对应的天线馈线及天线分别接收智能定位终端按照预设的频率发送的超宽带UWB定位信号,并获取每个UWB逻辑定位单元接收所述UWB定位信号时的时间戳数据;其中,多个天线通过对应的天线馈线被放置于不同的位置;多个UWB逻辑定位单元集成于同一个定位基站中,以实现整体呈现为单基站形态;
处理单元将每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据进行关联,并将经过关联的每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据发送至服务器;
服务器根据每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据,确定所述智能定位终端的位置信息。
优选地,其中所述方法还包括:
所述服务器利用所述定位基站接收所述智能定位终端按照预设的时间间隔发送的状态信息和电量信息等,并当所述状态信息异常或所述电量信息小于预设的电量阈值时,发送告警信息至管理终端。
优选地,其中所述定位基站和智能定位终端基于ZigBee或Lora方式进行通信,以便于进行自身组网;所述处理单元通过WIFI或以太网的方式将数据上传至服务器。
优选地,其中所述服务器根据每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据,利用相关的算法确定所述智能定位终端的位置信息。
优选地,其中所述方法还包括:
将所述智能定位终端的位置信息在室内地图上进行显示。
根据本发明的另一个方面,提供了一种基于延长馈线的单UWB基站高精度室内定位设备,所述设备包括:
每个UWB逻辑定位单元,用于利用对应的天线分别接收智能定位终端按照预设的频率发送的超宽带UWB定位信号,并获取每个UWB逻辑定位单元接收所述UWB定位信号时的时间戳数据;其中,多个天线通过对应的天线馈线被放置于不同的位置;多个UWB逻辑定位单元集成于同一个定位基站中,以实现整体呈现为单基站形态;
处理单元,用于将每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据进行关联,并将经过关联的每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据发送至服务器;
服务器,用于根据每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据,确定所述智能定位终端的位置信息。
优选地,其中所述服务器,还用于:
利用所述定位基站接收所述智能定位终端按照预设的时间间隔发送的状态信息和电量信息,并当所述状态信息异常或所述电量信息小于预设的电量阈值时,发送告警信息至管理终端。
优选地,其中所述定位基站和智能定位终端基于ZigBee或Lora方式进行通信,以便于进行自身组网;所述处理单元通过WIFI或以太网的方式将数据上传至服务器。
优选地,其中所述服务器,根据每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据,利用相关算法确定所述智能定位终端的位置信息。
优选地,其中所述设备还包括:
显示终端,用于将所述智能定位终端的位置信息在室内地图上进行显示。
本发明提供了一种基于延长馈线的单UWB基站高精度室内定位方法及设备,在定位基站收到智能定位终端发送的信号后,多个天线对应的虚拟UWB逻辑定位单元记录收到终端信号的时间戳,并利用服务器根据获取的时间戳数据确定智能定位终端的位置信息;本发明通过在同一个定位基站的主板上集成多个逻辑定位单元和多个天线,通过天线馈线方式,将延长天线后的接入点布置在房间的各个角落,实现对终端信号的接收采集,能够在节省成本的基础上高效地实现对终端设备的精准定位。
附图说明
通过参考下面的附图,可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式:
图1为根据本发明实施方式的一种基于延长馈线的单UWB基站高精度室内定位方法100的流程图;
图2为根据本发明实施方式的一种基于延长馈线的单UWB基站高精度室内定位设备的结构图;
图3为根据本发明实施方式的定位单元和传统的物理定位单元的结构对比图;
图4为根据本发明实施方式的一种基于延长馈线的单UWB基站高精度室内定位方法的流程图;
图5为UWB算法中关于到达时间差算法定位示意图;
图6为本发明实施方式的定位结构与传统的定位结构对比图;
图7为根据本发明实施方式的一种基于延长馈线的单UWB基站高精度室内定位设备700的结构示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式,然而,本发明可以用许多不同的形式来实施,并且不局限于此处描述的实施例,提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明,并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中,相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明,此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外,可以理解的是,以通常使用的词典限定的术语,应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义,而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明实施方式的基于延长馈线的单UWB基站高精度室内定位方法100的流程图。如图1所示,本发明实施方式提供的基于延长馈线的单UWB基站高精度室内定位方法,通过在同一个定位基站的主板上集成多个逻辑定位单元和多个天线,通过添加天线馈线方式,将延长天线后的接入点布置在房间的各个角落,实现对终端信号的接收采集,能够在节省成本的基础上高效地实现对终端设备的精准定位。本发明实施方式提供的基于延长馈线的单UWB基站高精度室内定位方法100,从步骤101处开始,在步骤101每个UWB逻辑定位单元利用对应的天线馈线及天线分别接收智能定位终端按照预设的频率发送的超宽带UWB定位信号,并获取每个UWB逻辑定位单元接收所述UWB定位信号时的时间戳数据。其中,多个天线通过对应的天线馈线被放置于不同的位置;多个UWB逻辑定位单元集成于同一个定位基站中,以实现整体呈现为单基站形态。
在步骤102,处理单元将每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据进行关联,并将经过关联的每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据发送至服务器。
优选地,其中所述定位基站和智能定位终端基于ZigBee或Lora方式进行通信,以便于进行自身组网;所述处理单元通过WIFI或以太网的方式将数据上传至服务器。
在步骤103,服务器根据每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据,确定所述智能定位终端的位置信息。
优选地,其中所述方法还包括:
所述服务器利用所述定位基站接收所述智能定位终端按照预设的时间间隔发送的状态信息和电量信息,并当所述状态信息异常或所述电量信息小于预设的电量阈值时,发送告警信息至管理终端。
优选地,其中所述服务器根据每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据,利用相关算法确定所述智能定位终端的位置信息。
优选地,其中所述方法还包括:
将所述智能定位终端的位置信息在室内地图上进行显示。
图2为根据本发明实施方式的单基站实现UWB高精度室内定位的系统的结构图。如图2所示,在本发明的实施方式中,定位系统包括:智能定位终端1、定位基站&管理终端2和云端服务器3三个部分。
其中,智能定位终端1内部包括:UWB定位模块(1-1),与定位基站&终端管理2进行通信,用于为定位系统提供时间戳数据,定位基站中的每个UWB逻辑定位单元接收UWB定位模块(1-1)发射的UWB信号。通信模块(1-2),用于为定位基站提供所述智能定位终端1的常规信息值,包括终端的状态信息和电量信息等。服务器能够根据常规信息值确定智能定位终端的状态。其中,所述定位基站和智能定位终端基于ZigBee或Lora方式进行通信,以便于进行自身组网。
对于一个常见封闭空间(如家庭,宿舍,监舍等格子间),如果要在此空间中完成二维或者三维定位,传统方案通常要求在空间的不同位置部署三到四个独立UWB基站,而该方法只需要一个多天线物理基站就能满足要求。如图3所示,在传统定位单元设计中,均只包含一路处理器及定位模组,因此前期开发中对定位基站之间的时钟同步有了一定的困难,并且在后期施工布局时,也需要对多个定位基站进行布点、接线。针对这种不利于前期开发以及后期维护现象,所以发明多合一方案的定位基站。
本发明的定位基站整体设计思路如下:
1.采用单独的控制器控制多路定位芯片,总体完成对终端发出的定位信号的处理流程。
2.定位基站硬件设计中,将多个逻辑定位单元集成在同一张主板上,在同步设计方面,由主控制器输出同步脉冲到达逻辑定位单元的同步引脚,处理器输出引脚到多路逻辑定位单元的控制引脚之间的信号走线需要做一定的处理,保证同步信号能够同时到达各逻辑定位单元,实现逻辑定位单元之间的时钟同步。
3.对于此方案中定位基站的应用,物理硬件上整体呈现了单基站多天线的使用方式,每路天线单独完成对终端UWB信号的收发。对天线馈线的合理使用,模拟出在不同地方布置基站,使之反应出传统方案中的独立基站使用效果,从而使得基站布局简单化,硬件和维护成本也就会相应降低。天线馈线会根据实际使用场景,设计为合理的长度。
本发明的定位单元将基站采用多天线设计,即单基站多天线,每个射频天线之间相互独立完成信号收发。从使用效果上来说,物理上对外呈现是一台基站,但是在应用逻辑上,如果是N个天线就对应到N个虚拟的逻辑设备,也就是说在实际应用中,把一台物理基站虚拟成N台逻辑基站。该方法的好处是:物理基站从N台(3-4台)变成了1台;安装工作量减少;简化了时钟同步,提升了时钟同步精度。本发明方法采用射频多天线技术,虚拟化技术来达成在满足定位精度要求的情况下,最大可能降低在特定场景下部署的整体成本和难度。具体地,1、单个房间基站硬件成本降低:原来一套系统要4个基站加4根短天线,现在只需要1个基站加多根天线和相对应的天线延长线,减少了CPU、网口和WIFI模块的使用,成本减少约60%;2、单个房间布线成本降低:原来要多个电源插座,多个以太网络接口,现在简化为1个电源插座和网络接口,只是增加了部分天线的布置,成本减少约60%。
如图2所示,定位基站&管理终端2作为终端管理者,包括:UWB逻辑定位单元2-1-1、2-1-2、……、2-1-N,每个UWB逻辑定位单元均用于负责监听智能定位终端1发送出来的UWB定位信号,分别记录对应逻辑定位单元收集的时间戳数据;通信模块2-2,负责监听智能终端1发送出来的通信信号,监测终端设备的状态;定位程序2-3(即处理单元),用于对每个UWB逻辑定位单元接收所述UWB定位信号时的时间戳数据进行处理并与UWB逻辑定位单元的身份信息进行绑定后发送至服务器,以便于云端服务器计算位置信息。其中,定位基站通过WIFI或者以太网口方式将所需要的数据上传至云端服务器。
其中,云端服务器3,用于处理定位基站上传的时间戳数据,经过相应的算法,计算出智能定位终端的确切位置,并通过2D或者3D地图在显示终端显示智能定位终端的位置信息,最终根据实际需求,对使用者发出相对应的提示。
图4为根据本发明实施方式的基于延长馈线的单UWB基站高精度室内定位方法的流程图。如图4所示,本发明的方法能够做到在多合一情形下,对终端进行精准定位的方法。本发明中,智能定位终端设备采取防拆措施,一旦设备以破坏形式解除该设备,该定位终端会向定位基站上报报警,从而确保了终端设备与佩戴人员的一一对应关系。对终端进行精准定位的过程包括:
S1,智能定位终端(1)以一定的频率发送UWB超宽带定位信号;另外终端设备也会以一定的频率通过对应的通信方式发送终端常规数据(终端状态、终端电量等),
S2,定位基站&管理终端(2)通过多组逻辑定位单元与对应UWB天线以及天线延长线搭配,每组逻辑定位单元收到终端发出的UWB信号,CPU读取并保存接收到UWB信号时的时间戳及相对应的终端ID,然后通过wifi或者以太网口接口以网络方式将这些保存的信息转发给云端服务器;另外定位基站还会通过使用的通信方式接收到终端发出的常规数据信息,此数据信息也会转发至云端服务器。其中,将智能定位终端和定位基站&管理终端之间的通信模块设计为ZigBee模块或者Lora模块等,这样可以方便我们自身进行自组网操作。
S3,云端服务器(3)在接收到定位基站&管理终端(2)发出的时间戳数据时,通过相应的算法计算出终端的位置信息,并通过地图方式显示位置。另,当收到定位基站发出的常规信息时,判断终端设备状态是否发生改变或者电量是否低于设置的阈值,若终端设备状态发生改变或者电量已经低于阈值,则服务器采取相应的警告功能。
在实际应用中,可以采用多种算法对终端位置进行位置计算。在本案例中以到达时间差为例说明,图5为基于到达时间差进行定位的示意图。如图5所示,BS代表定位基站;MS代表终端设备。云端服务器中,计算终端MS设备位置信息,可以采用到达时间差的方式。对于到达时间差算法中,终端设备只需要和定位基站之间只需要一次交互,终端减少与定位基站之间的交互通信,可以有效降低终端设备的功耗,同时也能做到更高的定位动态和定位容量。在各种算法中,到达时间差的算法可以提高定位精确度,当然,采用该种算法的前提是每个UWB接收模块之间必须进行严格的时钟同步。
在这种到达时间差算法中,各个UWB接收模块的位置已知,由于无线电波的传播速度在一定条件下是固定值,因此所需要的时间差可以用相应的距离差来代替。设置距离差为ΔS,可以通过MS发出广播信号,测量到达不同BS的时间t(1,2,……,n),Δt则是终端到达不同BS的时间值相减而成的差值,例如,ΔS12=Δt*v=(t1-t2)*v,无线电波的传播速度趋近于光速,故有v=c。每个定位基站中的任意接收模块都会得到一个时间测量值,两两计算差值后分别可形成一个双曲线定位区,然后通过求解曲线形成的交集点即为智能定位终端的位置。该算法为定位算法中精度较高的一种算法。
如图6所示,为本发明实施方式的新型定位装置和传统定位装置的结构图。可以看出,在使用单基站以及添加天线馈线情形下,通过将天线放置于房间的各个角落,使之将整个房间包络其中,实现对定位区域内的终端进行实时定位。在使用过程中,需要计算出天线馈线部分的延迟,在软件中,各个逻辑定位单元读取到的时间戳数据将该部分的延迟对应减去,从而计算出具体的终端到天线间的实际时间戳。
本发明的定位方法能够在满足室内场景对于定位精度要求的基础上,可以有效的降低在实际应用中的整体成本,包括产品成本,部署成本和运维成本等。
图7为根据本发明实施方式的基于延长馈线的单UWB基站高精度室内定位设备700的结构示意图。如图7所示,本发明实施方式提供的基于延长馈线的单UWB基站高精度室内定位设备700,包括:多个UWB逻辑定位单元701、处理单元702和服务器703。
优选地,所述每个UWB逻辑定位单元701,用于利用对应的天线馈线及天线分别接收智能定位终端按照预设的频率发送的超宽带UWB定位信号,并获取每个UWB逻辑定位单元接收所述UWB定位信号时的时间戳数据;其中,多个天线通过馈线被放置于不同的位置;多个UWB逻辑定位单元集成于同一个定位基站中,以实现整体呈现为单基站形态。
优选地,所述处理单元702,用于将每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据进行关联,并将经过关联的每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据发送至服务器。
优选地,其中所述定位基站和智能定位终端基于ZigBee或Lora方式进行通信,以便于进行自身组网;所述处理单元通过WIFI或以太网的方式将数据上传至服务器。
优选地,所述服务器703,用于根据每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据,确定所述智能定位终端的位置信息。
优选地,其中所述服务器703,还用于:
利用所述定位基站接收所述智能定位终端按照预设的时间间隔发送的状态信息和电量信息,并当所述状态信息异常或所述电量信息小于预设的电量阈值时,发送告警信息至管理终端。
优选地,其中所述服务器703,根据每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据,利用相关算法确定所述智能定位终端的位置信息。
优选地,其中所述设备还包括:显示终端,用于将所述智能定位终端的位置信息在室内地图上进行显示。
本发明的实施例的单基站实现UWB高精度室内定位的系统700与本发明的另一个实施例的单基站实现UWB高精度室内定位的方法100相对应,在此不再赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而,本领域技术人员所公知的,正如附带的专利权利要求所限定的,除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地,在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释,除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例,除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行,除非明确地说明。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.基于延长馈线的单UWB基站高精度室内定位方法,其特征在于,所述方法包括:
每个UWB逻辑定位单元利用对应的天线馈线及天线分别接收智能定位终端按照预设的频率发送的超宽带UWB定位信号,并获取每个UWB逻辑定位单元接收所述UWB定位信号时的时间戳数据;其中,多个天线通过其对应的天线馈线被放置于不同的位置;多个UWB逻辑定位单元集成于同一个定位基站中,以实现整体呈现为单基站形态;
处理单元将每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据进行关联,并将经过关联后的每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据发送至服务器;
服务器根据每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据,确定所述智能定位终端的位置信息。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
所述服务器利用所述定位基站接收所述智能定位终端按照预设的时间间隔发送的状态信息和电量信息,并当所述状态信息异常或所述电量信息小于预设的电量阈值时,发送告警信息至管理终端。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述定位基站和智能定位终端基于ZigBee或Lora方式进行通信,以便于进行自身组网;所述处理单元通过WIFI或以太网的方式将数据上传至服务器。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述服务器根据每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据,利用相关算法确定所述智能定位终端的位置信息。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
将所述智能定位终端的位置信息在室内地图上进行显示。
6.基于延长馈线的单UWB基站高精度室内定位设备,其特征在于,所述系统包括:
每个UWB逻辑定位单元,用于利用对应的天线馈线及天线分别接收智能定位终端按照预设的频率发送的超宽带UWB定位信号,并获取每个UWB逻辑定位单元接收所述UWB定位信号时的时间戳数据;其中,多个天线通过其对应的天线馈线被放置于不同的位置;多个UWB逻辑定位单元集成于同一个定位基站中,以实现整体呈现为单基站形态;
处理单元,用于将每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据进行关联,并将经过关联的每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据发送至服务器;
服务器,用于管理每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据,确定所述智能定位终端的位置信息。
7.根据权利要求6所述的设备,其特征在于,所述服务器,还用于:
利用所述定位基站接收所述智能定位终端按照预设的时间间隔发送的状态信息和电量信息等,并当所述状态信息异常或所述电量信息小于预设的电量阈值时,发送告警信息至管理终端。
8.根据权利要求6所述的设备,其特征在于,所述定位基站和智能定位终端基于ZigBee或Lora方式进行通信,以便于进行自身组网;所述处理单元通过WIFI或以太网的方式将数据上传至服务器。
9.根据权利要求6所述的设备,其特征在于,所述服务器,根据每个UWB逻辑定位单元的身份信息和对应的时间戳数据,利用相关算法确定所述智能定位终端的位置信息。
10.根据权利要求6所述的设备,其特征在于,所述系统还包括:
显示终端,用于将所述智能定位终端的位置信息在室内地图上进行显示。
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PB01 | Publication | ||
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