CN114745668B - 基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于Alter DS‑TWR的UWB跨区域实时定位系统，属于电通信技术领域。该定位系统包括：置于被测物体顶端的标签、搭载WiFi模块的主基站、受主基站控制的次基站、用于基站配置及定位区域切换的总服务器。服务器通过WiFi网络发送MODBUS数据帧对每个区域主基站进行初始化配置，并通过修改主基站标签数量和标签ID列表对指定标签进行定位或停止定位；主基站控制整个区域的所有基站对标签进行基于Alter DS‑TWR算法的测距定位，然后将定位结果持续回传给服务器；服务器判断标签定位结果连续出现在另一区域的次数超过切换阈值，则切换到那个区域对标签进行定位。本发明提高基于Alter DS‑TWR算法的定位系统区域扩展性，为室内定位应用提供了一种全无线、搭建便捷的高精度定位方案。
Description
技术领域
本发明涉及室内定位技术，特别是公开基于Alter DS-TWR(Alternative Double-sided Two-Way Ranging，交替双面双向测距)的UWB跨区域实时定位系统，主要应用于低成本、高精度、搭建灵活要求高但标签数量不多的场景，属于电通信技术领域。
背景技术
近年来，伴随着当今5G时代的快速发展，“万物互联”已逐渐深入人们的生活，改变着社会的方方面面。无线传感器网络作为物联网的重要组成部分，是一种重要的网络感知技术，推动了物联网多元化的发展。位置估计是无线传感器网络应用的重要组成部分，拥有位置感知能力的传感器有助于提高路由协议、目标跟踪、灾难响应系统等方面的性能。借助室内外连续、可靠的位置信息，物联网产品将大大提高其用户体验，为人们的工作生活提供更精准、便捷的服务。
目前，室外定位和位置服务已经相对成熟，全球定位系统(GPS，GlobalPositioning System)和北斗卫星导航系统(BDS，Beidou navigation System)由于其相对较高的精度和可靠方便而成为最广泛使用的定位和导航系统。然而室内存在复杂的非视距环境且卫星信号穿透能力差，在建筑物阻隔下，用户设备无法与信号发射卫星建立视距路径，卫星信号严重衰减，进而无法满足用户对于稳定、精准定位导航服务的需求。为了追求高精度位置服务体验，室内定位成为物联网领域里的“最后一公里”问题。
当前主流的室内定位技术主要是采用WiFi、蓝牙(iBeacon)、ZigBee、射频识别(RFID)、超宽带(UWB，Ultra Wide Band)等中短程无线通信技术。其中，UWB技术凭借自己独有的一些特性，最大程度地克服了复杂室内环境带来的影响，成为了高精度室内定位领域最火的应用对象。首先，UWB在超过500MHz的大带宽信道上传输时间分辨率小于1纳秒(ns)的超窄脉冲，代替了传统定位技术使用的正弦信号载波，使其在对抗复杂环境多径效应时准确识别主路径，这也让UWB在执行基于距离的定位方案时相比其它定位技术有更高的精度。相比于其它定位技术，UWB信号频率范围为3.1-10.6GHz，覆盖的频段比GPS、PCS、蓝牙、WiFi等定位技术都宽，而且所在频段外界干扰信号少。根据香农公式可知，带宽越宽信道容量也越大，进而理论上可达到的传输速率越高，有利于近距离数据传输。此外，UWB采用非常低的占空比，功率谱密度与白噪声接近，这不仅降低了信号的发射功率，而且提高了UWB信号传输的安全性，同时也避免了对其它无线协议的干扰，使其不需要担心各个地区频谱分配问题。因此，UWB利用类似雷达的工作方式，很容易便实现厘米级精度的室内定位，成功填补了高精度定位领域下的技术空白。目前，随着UWB定位技术的发展，逐渐出现了多种解决方案和商用产品，并开始面向消费级应用普及。
对于日常工作生活的室内场景，节点间信号的传播多以直射波为主，并且基于测距的室内定位方案能更好地发挥UWB的性能，因此目前TDOA(Time Difference ofArrival，到达时间差)定位和Alter DS-TWR(Alternative Double-Sided Two-wayRanging，交替双面双向测距)定位是UWB高精度室内定位系统常用的两种定位方案。在实际应用中，受限于UWB信号传输距离以及室内墙体等障碍的影响，通常需要多个基站节点构建定位网络实现室内环境的全面覆盖，而且定位过程中需要不断切换基站对标签进行实时定位。然而，对于多区域复杂场景，目前大多数UWB室内定位系统都是基于TDOA实现的，为了解决时钟同步问题系统通常需要复杂的布线，此外还需研发复杂的位置求解算法才能实现Alter DS-TWR方案最基础算法的定位精度，这都增加了系统搭建成本及复杂度。基于AlterDS-TWR的UWB定位方案无需进行时钟同步，并且最大程度降低了硬件时钟漂移影响，通过多次通信提高了测距定位精度，但由于UWB传输距离有限，主次基站间通信限制了定位区域的扩展，目前大多仅限于单区域的应用场景。
因此，针对上述问题，有必要设计一种基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，以实现对多个区域内多个移动标签的实时跟踪定位，并保证区域间标签定位基站无缝切换。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统的设计方案，解决现有的基于Alter DS-TWR定位系统局限于单区域不能实现区域扩展的技术问题，通过搭建全无线、搭建更便捷的高精度室内定位系统实现基于Alter DS-TWR的UWB跨区实时定位的发明目的。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
本发明提供的一种基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，根据实际定位环境以及UWB设备信号传输距离，将整个定位区域划分为多个定位子区域，定位系统包括：
至少两个定位子区域，每个定位子区域都布局有搭载WiFi模块的主基站、至少三个与主基站UWB通信的次基站、置于被定位物体上的UWB标签，所述主基站接收到总服务器发送的MODBUS数据帧后对所属定位子区域内的被测UWB标签进行定位，主基站在定位失败时反馈包含测距信息的MODBUS数据帧至总服务器，主基站在定位成功时反馈包含测距信息及定位结果的MODBUS数据帧至总服务器；及，
总服务器，与各定位子区域内的WiFi模块联入同一互联网，向当前所选定位子区域的主基站发送MODBUS数据帧，接收所选定位子区域主基站反馈的包含测距信息及定位结果的MODBUS数据帧，在所选定位子区域定位失败时向另一个定位子区域的主基站发送MODBUS数据帧，在所选定位子区域定位成功时记录定位结果。
在上述的基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，定位系统整体流程为：
S201、服务器通过WiFi网络发送MODBUS数据帧对每个区域主基站进行初始化配置，包括区域ID、主基站及所有次基站位置坐标、被测标签数量及ID列表等；
S202、通过发送MODBUS数据帧修改第一个区域主基站寄存器定位标志位，以及标签数量和标签ID列表，即开启对所有被测标签的定位工作；
S203、第一个区域的主基站接收到命令后开始控制整个区域的所有基站对标签进行测距定位，然后将定位结果再按MODBUS协议借助WiFi模块持续回传给服务器；
S204、服务器对得到的标签定位结果进行判断，若定位失败则再通过修改主基站寄存器中标签数量和标签ID列表，结束该区域对该标签的定位，开启下一个区域对该标签的定位，直到找到该标签所在的区域，若定位成功则采用基于历史坐标的区域判定方法判断是否需要切换标签的定位区域；
S205、服务器通过多个线程管理各个定位区域标签的变化，根据每次接收到的标签定位结果，记录标签所在区域变化次数，当变化次数超出切换阈值后，服务器便通过发送MODBUS数据帧修改当前定位区域和切换目标区域主基站寄存器中标签数量和标签ID列表，将该标签定位权限切换到真实所在的定位区域；
S206、服务器上位机对定位成功的标签进行实时画面显示，标签模块OLED显示屏也可以实时显示自身坐标。
在上述的基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，基于历史坐标的区域判定方法为：
S301、利用之前时刻的历史定位结果，通过分析定位的稳定性和标签大概的移动速度，设置合适的切换阈值。假设静止定点定位误差最大为ε厘米，则区域误判的抖动区间长为2ε厘米。若标签移动速度大致为v厘米每秒，且定位系统每次定位最多需要Ts毫秒，则系统区域切换阈值为：
S302、若标签定位坐标连续在另一个区域的次数超过切换阈值，则标签已顺利通过定位抖动区域，可进行定位区域的切换；
S303、避免了当标签处于区域边缘时，由于UWB定位误差导致的区域误判，减小了系统区域切换负担，进一步提高了定位稳定性。
在上述的基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，所有基站和标签硬件Flash中主要记录着：设备串口通信波特率、区域ID、基站ID、主基站及所有次基站位置坐标、被测标签数量及ID列表、通信信道号、通信传输速率、接收延迟、卡尔曼滤波过程噪声协方差Q及测量噪声协方差R。
在上述的基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，主基站工作步骤为：
S501、初始化时钟、串口、SPI、UWB信号收发模块等外设；
S502、检测串口是否通过WiFi模块接收到MODBUS控制信息，是否对Flash配置信息做了修改；
S503、状态标志位清零；
S504、与被测标签ID列表中第一个标签进行基于Alter DS-TWR的测距通信；
S505、利用特定的UWB数据帧依次控制该区域的次基站与该标签进行基于AlterDS-TWR的测距通信，并接收包含次基站与该标签距离信息的响应帧；
S506、对所有基站与该标签的距离信息进行低通滤波处理，提高测距的稳定性；
S507、利用所有基站坐标及其与标签的距离信息，通过最小二乘法计算该标签的位置坐标；
S508、若计算成功，则对该标签坐标估计值进行卡尔曼滤波，并将最后所有的测距、定位结果记录到寄存器中，通过WiFi模块按照MODBUS协议发送给服务器，若计算失败则全部清零；
S509、判断标签列表中全部标签是否定位完毕，若没有则进行下一个标签，重复以上S503-S508的步骤。
在上述的基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，次基站工作步骤为：
S601、初始化时钟、串口、SPI、UWB信号收发模块等外设；
S602、检测是否通过串口接收到修改寄存器配置信息的MODBUS数据帧；
S603、进入休眠模式，等待主基站的测距通知；
S604、收到主基站数据帧后，解析数据帧，对指定标签进行Alter DS-TWR测距，若测距失败，距离值记为0；
S605、完成一轮测距后立即向主基站发送包含对该标签测距结果的响应数据帧；
S606、再进入休眠模式等待下一次被唤醒。
在上述的基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，标签工作步骤为：
S701、初始化时钟、串口、SPI、UWB信号收发模块等外设；
S702、与基站设备相同，检测是否通过串口接收到修改寄存器配置信息的MODBUS数据帧；
S703、进入休眠模式，等待基站唤醒定位通信；
S704、当收到基站数据帧后，不断响应基站发送的UWB数据帧，进行基于Alter DS-TWR的定位通信；
S705、判断当前接收的POLL数据帧，若数据帧是来源于主基站，则可以得到上一轮定位的结果，以便在OLED显示屏实时显示自身坐标；
S706、再次进入休眠模式等待唤醒。
在上述的基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，服务器工作步骤为：
S801、通过WiFi网络发送MODBUS数据帧读取所有区域主基站配置信息，并解析数据帧，进行界面展示；
S802、根据实际需求，再通过MODBUS数据帧修改主基站寄存器配置信息，尤其是主基站及次基站的实际坐标等定位所需的相关信息；
S803、通过MODBUS数据帧修改第一个区域主基站寄存器定位标志位，以及标签数量和标签ID列表，开始定位；
S804、接收主基站发送的标签定位结果，基于历史坐标的区域判定方法，根据标签定位结果及当前定位区域，判断是否需要切换对该标签的定位区域；
S805、通过多个线程分别监视管理各个定位区域，若标签需要切换定位区域，则发送MODBUS数据帧修改标签当前定位区域以及目标切换区域主基站寄存器中标签数量和标签ID列表，完成标签定位区域切换；
S806、将所有标签定位结果实时展示到上位机界面上。
在上述的基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，基于Alter DS-TWR的测距算法步骤为：
S901、基站发送包含上次定位结果的POLL数据帧，并记录发送时间t1，然后进入侦听等待模式，等待标签回应的RESP信息，若在一定的时间内并未接收到任何的响应信息，就会进行超时重传，这样利用基站扫描标签的测距发起方式，替代了标签广播唤醒基站的现有方案，简化定位流程，使系统更好的支持多标签同时定位，而无需过多的考虑信号冲突问题；
S902、标签在接收到POLL数据帧后，寄存器记录接收时间t2，然后回应基站RESP数据帧并记录发送时间t3；
S903、基站从标签端接收到RESP数据帧后，再记录接收时间t4，然后回应FINAL数据帧并记录发送时间t5；
S904、标签接收到基站发来的FINAL数据帧后，记录接收时间t6，然后将寄存器存储的信号接收与发送时间戳t2、t3、t6一并写入LAST数据帧发送给基站，由于室内环境传输距离短，一次数据发送和处理往往只需要几纳秒，因此在被测标签规模不大的情况下，本发明通过增加一次数据回传，即LAST消息，获取所有真实测得的时间戳数据，提高了定位精度；
S905、基站接收到LAST数据帧后，便得到本次测距通信中所有真实的时间戳信息，令Ta1＝t4-t1，Ta2＝t5-t4，Tb1＝t3-t2，Tb2＝t6-t3，则利用公式(2)即可求得标签与基站间信号飞行时间，进而乘以光速得到两者距离。
在上述的基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，主基站和次基站采用180°定向天线，防止贴近墙壁摆放时，墙壁造成信号的多径效应。
在上述的基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，标签采用360°全向天线，便于与周围基站进行通信。
本发明利用基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，通过构建全无线定位网络，将目前仅限于单区域的现有算法Alter DS-TWR应用到了多区域定位系统，具有全无线、无需时钟同步、定位精度高、灵活扩展性强、系统搭建快捷等优点。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明提出一种基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，该系统在现有Alter DS-TWR算法定位优势的基础上，通过搭建全无线定位网络，实现对多个区域内多个移动标签的实时跟踪定位，并借助WiFi模块利用MODBUS协议实现基于历史坐标的区域判定和切换，保证区域间标签定位基站无缝切换。
(2)本发明对于单个定位子区域，改进了基于Alter DS-TWR算法的现有系统定位流程，使主基站可获得所有真实测得的时间戳数据，提高定位精度，将主基站作为该区域测距定位的控制中心，利用基站扫描标签的测距发起方式，替代了标签广播唤醒基站的现有方案，简化定位流程，使系统更好地支持多标签同时定位，而无需过多地考虑信号冲突问题；
(3)本发明借助传输距离更远的WiFi信号，多个区域的主基站与服务器互联，构建无线定位网络，便于新的定位子区域加入，提高了原有Alter DS-TWR定位系统的灵活性和可扩展性；
(4)本发明中的总服务器通过无线通信方式，远程控制主基站，利用本发明设计的基于历史坐标的区域判定方法，以及基于MODBUS协议的区域切换控制，保证标签定位区域切换稳定，实现多标签跨区域实时跟踪定位。
附图说明
为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将技术描述中所要使用的附图作简单介绍。
图1为本发明具体实施方式中的系统结构图。
图2为本发明具体实施方式中基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位的整体流程图。
图3(a)至图3(f)为本发明具体实施方式中定位系统所涉及的数据帧结构的示意图。
图4为本发明具体实施方式中主基站的工作流程图。
图5为本发明具体实施方式中次基站的工作流程图。
图6为本发明具体实施方式中标签的工作流程图。
图7为本发明具体实施方式中基于Alter DS-TWR算法定位的流程图。
图8为本发明具体实施方式中移动标签定位实验结果图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案。下面将结合本发明技术附图，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。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所获得的其它实施例，都应当属于本发明保护范围。而且为了避免将发明创造淡化，未详细描述众所周知的操作过程。
本发明的目的是设计一种基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，如图1所示，根据实际定位环境以及UWB设备信号传输距离，将整个定位区域划分为多个定位子区域，如一个房间作为一个子区域，定位系统包括：布局于每个定位子区域内的主基站及次基站，用于基站配置及定位子区域切换的总服务器。
每个定位子区域内，主基站搭载有WiFi模块，各次基站受控于主基站(如，子区域1中次基站A1、A2、A3受控于主基站A0，子区域2中次基站B1、B2、B3受控于主基站B0，子区域n中次基站N1、N2、N3受控于主基站N0)，被测物体的顶端置有标签(如，子区域1中被测物体顶端置有标签T1，子区域2中被测物体顶端置有标签T2、T4，子区域n中被测物体顶端置有标签T3)。
每个子区域内布置一个主基站，将主基站模块搭载到WiFi开发板上，将主基站模块输入输出串口与WiFi模块输入输出串口相连，进而连入局域网中，作为TCP客户端与总服务器进行通信，TCP客户端仅受总服务器的控制，主基站和次基站的通信模块均采用UWB模块，UWB模块外接180°定向天线，防止贴近墙壁摆放时，墙壁造成信号的多径效应。
每个子区域除主基站外再布置至少三个次基站，如图1所示，子区域1中的主基站A0、子区域2中的主基站B0、子区域n中的主基站N0。为了得到更好的定位效果，要求子区域内所有的基站每三个基站尽可能呈等边三角形布置，次基站与主基站、所有基站与标签节点通过UWB信号进行数据传输。
每个定位子区域内的标签均为UWB标签，UWB标签均外接360°全向天线，便于与周围基站进行通信，为了减少非视距干扰，尽可能设置于被定位物体的顶端。
一台总服务器，与所有主基站搭载的WiFi模块联入同一局域网，通过TCP协议与WiFi模块进行信息交换，并利用标准MODBUS-RTU协议通过控制各子区域主基站来控制整个定位系统，包括基站信息的配置、定位的开始与结束、定位子区域的切换等。每个子区域都可看作一个独立的定位系统，只受到总服务器的最高控制，且在发生区域扩展时只需将新的子区域主基站与服务器互联。
参图2所示，本实施方式中基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统整体流程包括以下六个步骤：
S1、总服务器通过WiFi网络发送MODBUS数据帧对每个子区域的主基站进行初始化配置，包括：子区域ID、主基站及所有次基站的位置坐标、被测标签数量及ID列表等；
S2、当总服务器通过WiFi向第一个子区域的主基站发送MODBUS数据帧时，MODBUS数据帧中子区域ID对应的子区域对所有被测标签进行定位，例如，子区域ID为第一个子区域时，第一个子区域主基站寄存器的定位标志位依据MODBUS数据帧中的命令标识位修改为定位标志，第一个子区域主基站寄存器的被测标签数量和被测标签ID列表依据MODBUS数据帧中的被测标签ID进行修改，即开启对所有被测标签的定位工作；
S3、第一个子区域的主基站接收到定位标志命令后开始控制整个子区域的所有基站对被测标签进行测距定位，然后将标签定位结果再按MODBUS协议借助WiFi模块持续回传给总服务器；
S4、总服务器对得到的标签定位结果进行判断，若定位失败则再通过修改主基站寄存器中被测标签数量和被测标签ID列表，结束该子区域对该定位失败标签的定位，开启下一个子区域对该定位失败标签的跨区定位，直到找到该定位失败标签所在的子区域，若定位成功则采用基于历史坐标的区域判定方法判断是否需要切换标签的定位区域；
S5、总服务器通过多个线程管理各个定位区域标签的变化，根据每次接收到的标签定位结果，记录标签所在区域变化次数，当变化次数超出切换阈值后，总服务器便通过发送MODBUS数据帧修改当前定位子区域和切换目标子区域主基站寄存器中被测标签数量和被测标签ID列表，将该标签定位权限切换到真实所在的定位区域；
S6、总服务器上位机对定位成功的标签进行实时画面显示，标签模块OLED显示屏也可以实时显示自身坐标。
由于UWB定位存在一定的误差，当标签处于子区域边缘时可能会出现子区域误判，导致频繁发生子区域切换，这不仅会增加系统负担，而且进一步影响定位稳定性。此外，对于紧密相邻的两个区域，标签无论利用哪一子区域的基站均能保证原有的稳定性。因此，本发明采用基于历史坐标的区域判定方法，利用之前时刻的定位结果，通过分析定位的稳定性和标签大概的移动速度，设置合适的切换阈值，若标签定位坐标连续在另一个子区域的次数超过切换阈值，则标签已顺利通过定位抖动区域，可进行定位子区域的切换。假设静止定点定位误差最大为ε厘米，则子区域误判的抖动区间长为2ε厘米。若标签移动速度大致为v厘米每秒，且定位系统每次定位最多需要Ts毫秒，则系统区域切换阈值为：
参图4所示，本实施方式中基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统每个子区域的主基站工作流程包括以下九个步骤：
S101、初始化时钟、串口、SPI、UWB信号收发模块等外设；
S102、检测串口是否通过WiFi模块接收到MODBUS控制信息，是否对Flash配置信息做了修改；
S103、状态标志位清零；
S104、与被测标签ID列表中第一个标签进行基于Alter DS-TWR的测距通信；
S105、利用图3(a)所示特定的UWB数据帧依次控制该子区域的次基站与该标签进行基于Alter DS-TWR的测距通信，并接收次基站回应的包含次基站与该标签距离信息的响应帧，次基站回应的响应帧如图3(b)所示；
S106、对所有基站与第一个标签的距离信息进行低通滤波处理，提高测距信息的稳定性；
S107、利用所有基站坐标以及所有基站与标签的距离信息，通过最小二乘法估计第一标签的位置坐标；
S108、若计算成功，则对第一标签坐标估计值进行卡尔曼滤波得到第一标签的定位结果，并将所有的测距信息、第一标签的定位结果记录到主基站寄存器中，通过WiFi模块按照MODBUS协议将所有的测距信息、第一标签的定位结果打包成MODBUS数据帧后发送给总服务器，若计算失败，则将MODBUS数据帧中的标签坐标信息全部清零后发送总服务器；
S109、判断被测标签ID列表中的全部标签是否定位完毕，若没有则进行下一个标签的定位，重复以上S103-S108的步骤。
参图5所示，本实施方式中基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统每个子区域的次基站工作流程包括以下六个步骤：
S201、初始化时钟、串口、SPI、UWB信号收发模块等外设；
S202、检测是否通过串口接收到修改寄存器配置信息的MODBUS数据帧；
S203、进入休眠模式，等待主基站的测距通知；
S204、收到主基站数据帧后，解析数据帧，对指定标签进行Alter DS-TWR测距，若测距失败，距离值记为0；
S205、完成一轮测距后立即向主基站发送包含对该标签的测距结果的响应数据帧；
S206、再进入休眠模式等待下一次被唤醒。
参图6所示，本实施方式中基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统中所有标签工作流程都包括以下六个步骤：
S301、初始化时钟、串口、SPI、UWB信号收发模块等外设；
S302、与基站设备相同，检测是否通过串口接收到修改寄存器配置信息的MODBUS数据帧；
S303、进入休眠模式，等待基站唤醒定位通信；
S304、当收到基站数据帧后，不断响应基站发送的UWB数据帧，进行基于Alter DS-TWR的定位通信；
S305、判断当前接收的POLL数据帧，若数据帧是来源于主基站，则可以得到上一轮定位的结果，以便在OLED显示屏实时显示自身坐标；
S306、再次进入休眠模式等待唤醒。
本实施方式中基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统总服务器工作流程包括以下六个步骤：
S401、通过WiFi网络发送MODBUS数据帧读取所有子区域主基站的配置信息，并解析数据帧，进行界面展示；
S402、根据实际需求，再通过MODBUS数据帧修改主基站寄存器配置信息，尤其是主基站及次基站的实际坐标等定位所需的相关信息；
S403、通过MODBUS数据帧修改第一个子区域主基站寄存器定位标志位，以及被测标签数量和被测标签ID列表，开始定位；
S404、接收第一个子区域主基站发送的标签定位结果，基于历史坐标的区域判定方法，根据标签定位结果及当前定位区域，判断是否需要切换对该标签的定位区域；
S405、通过多个线程分别监视管理各个定位区域，若标签需要切换定位区域，则发送MODBUS数据帧修改标签当前定位区域以及目标切换区域主基站寄存器中被测标签数量和被测标签ID列表，完成标签定位区域切换；
S406、将所有标签定位结果实时展示到上位机界面上。
参图7所示，本实施方式中基于Alter DS-TWR的测距流程包括以下五个步骤：
S501、主基站在定位状态下向标签发送包含上次定位结果的POLL数据帧，主基站/次基站在测距状态下向标签发送包含测距信息的POLL数据帧，基站发送POLL数据帧后记录发送时间t1，然后进入侦听等待模式，等待标签回应的Response信息，若在一定的时间内并未接收到任何的响应信息，就会进行超时重传，这样利用基站扫描标签的测距发起方式，替代了标签广播唤醒基站的现有方案，简化定位流程，使系统更好地支持多标签同时定位，而无需过多地考虑信号冲突问题；
S502、标签在接收到POLL数据帧后，寄存器记录接收时间t2，然后回应基站RESP数据帧并记录发送时间t3；
S503、基站从标签端接收到RESP数据帧后，再记录接收时间t4，然后回应FINAL数据帧并记录发送时间t5；
S804、标签接收到基站发来的FINAL数据帧后，记录接收时间t6，然后将寄存器存储的信号接收与发送时间戳t2、t3、t6一并写入图3(f)所示的LAST数据帧发送给基站，由于室内环境传输距离短，一次数据发送和处理往往只需要几纳秒，因此在被测标签规模不大的情况下，本发明通过增加一次数据回传，即LAST消息，获取所有真实测得的时间戳数据，提高了定位精度；
S505、基站接收到LAST数据帧后，便得到本次测距通信中所有真实的时间戳信息，令Ta1＝t4-t1，Ta2＝t5-t4，Tb1＝t3-t2，Tb2＝t6-t3，则：
将两式相乘可得：
Ta1Tb2＝(2Tf+Tb1)(2Tf+Ta2) (3)
然后很容易整理得到：
Ta1Tb2-Ta2Tb1＝2Tf(2Tf+Ta2+Tb1) (4)
再用公式(2)对括号中内容进行替换：
进而得到信号飞行时间Tf的估算公式：
利用标签与基站间信号飞行时间Tf，进而乘以光速便得到两者距离。
常见的Alter DS-TWR算法在实际应用中，通常由标签作为测距主动发起方，最后基站获得所有时间戳信息并进行距离解算，这导致时间戳t5往往是通过t4加延迟估算得出的，这一定会影响系统的定位精度，因此本发明对原有算法进行了改进。由于室内环境传输距离短，一次数据发送和处理往往只需要几纳秒，因此在被测标签规模不大的情况下，本发明通过增加一次数据回传，获取所有真实测得的时间戳数据，提高了定位精度。
此外，测距通信中所采用的POLL信号数据部分报文长度为10个字节，其帧结构参图3(c)。其中，第四位模式标志位用来区分测距、定位两种工作模式，测距模式下只回传主基站与标签间的距离，定位模式下只回传位置坐标；RESP信号帧结构参图3(d)，消息数据部分帧长度为3个字节；FINAL信号帧结构参图3(e)，消息数据部分帧长度也仅有3个字节；LAST信号消息数据部分报文长度为9个字节，其帧结构参图3(f)。
参表1所示，在上述的基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统所使用的MODBUS-RTU通讯协议寄存器位包括：设备串口通信波特率、区域ID、基站ID、主基站及所有次基站位置坐标、被测标签数量及ID列表、通信信道号、通信传输速率、接收延迟、卡尔曼滤波过程噪声协方差Q及测量噪声协方差R等。
表1
最后，将本发明借助两个主基站、六个次基站，分别使用三脚架布置于两个房间的八个角落，被测人员携带标签穿梭于两个房间，并且运动速度有慢到快，服务器上位机记录运动轨迹。UWB模块采用STM32F103C8T6作为主控芯片，控制DW1000进行UWB信号的收发，WiFi模块采用低功耗、低成本的EMW3162。首先对定位系统进行静止定点定位实验，得到系统定位误差基本在20cm以内，则区域误判的抖动区间大约40cm，已知标签移动速度大致为1m/s，而经检测，实验所用定位系统每次定位最多需要100ms，因此由公式(1)，系统区域切换阈值可以设置为4次。然后进行定位跟踪实验，最终得到服务器显示的移动轨迹如图8所示，散点代表移动标签的定位结果，实验发现定位区域切换工作正常。通过数据拟合纠正测距结果，调整天线接收延后，可以将定位精度控制在30厘米以内，满足大多数室内定位场景的精度要求。由此可见，本发明具有较强的可实施性，实现了对标签定位的区域切换，改善了现有Alter DS-TWR定位系统的灵活性和可扩展性。
综上所述，本发明设计的基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，在无需同步、高精度的前提下，提高了Alter DS-TWR定位方案的系统扩展性，实现了搭建灵活的全无线定位网络。
Claims (9)
1.基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，其特征在于，包括：
至少两个定位子区域，每个定位子区域都布局有搭载WiFi模块的主基站、至少三个与主基站UWB通信的次基站、置于被定位物体上的UWB标签，所述主基站接收到总服务器发送的MODBUS数据帧后对所属定位子区域内的被测UWB标签进行定位，主基站在定位失败时反馈包含测距信息的MODBUS数据帧至总服务器，主基站在定位成功时反馈包含测距信息及定位结果的MODBUS数据帧至总服务器；及，
总服务器，与各定位子区域内的WiFi模块联入同一互联网，向当前所选定位子区域的主基站发送MODBUS数据帧，接收所选定位子区域主基站反馈的包含测距信息及定位结果的MODBUS数据帧，在所选定位子区域定位失败时向另一个定位子区域的主基站发送MODBUS数据帧，在所选定位子区域定位成功时采用基于历史坐标的区域判定方法判断是否切换定位子区域，在定位子区域切换次数超出切换阈值时，发送MODBUS数据帧至当前定位子区域的主基站及目标切换定位子区域的主基站，删除当前定位子区域主基站中该被测UWB标签的信息，增加目标切换定位子区域主基站中该被测UWB标签的信息。
2.根据权利要求1所述基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，其特征在于，所述每个定位子区域内的主基站和次基站，每三个基站呈等边三角形布置，所述主基站和次基站的无线通信模块均为UWB模块，UWB模块外接180°定向天线。
3.根据权利要求1所述基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，其特征在于，所述UWB标签的硬件结构与主次基站相同且外接360°全向天线，UWB标签的OLED显示屏实时显示定位结果。
4.根据权利要求1所述基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，其特征在于，所述总服务器通过多线程控制各定位子区域对被测UWB标签的定位，总服务器传输定位结果至上位机界面。
5.根据权利要求1所述基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，其特征在于，所述总服务器向当前所选定位子区域的主基站发送MODBUS数据帧包括：定位子区域ID、主基站及所有次基站的位置坐标、被测标签数量及ID列表。
6.根据权利要求1所述基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，其特征在于，所述主基站接收到总服务器发送的MODBUS数据帧后对所属定位子区域内的被测标签进行定位的具体过程为：所述主基站接收到MODBUS数据帧后与被测UWB标签进行基于Alter DS-TWR的测距通信，向所属定位子区域内的所有次基站发送基于Alter DS-TWR的测距通信的UWB数据帧，接收所有次基站响应的包含测距信息的UWB数据帧，根据所有基站的坐标以及所有基站与被测UWB标签的距离信息估算被测UWB标签的位置坐标，估算成功对估计出的被测UWB标签的位置坐标进行卡尔曼滤波得到定位结果。
7.根据权利要求1所述基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，其特征在于，所述切换阈值为其中，ρ为切换阈值，ε为静止定点定位的最大误差，v为标签移动速度，Ts为所述定位系统每次定位的最多时间。
8.根据权利要求6所述基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，其特征在于，所述主基站接收到MODBUS数据帧后与被测UWB标签进行基于Alter DS-TWR的测距通信的具体过程为：所述主基站向被测UWB标签发送包含上一次定位结果的POLL数据帧，记录主基站发送POLL数据帧的时间t1、被测UWB标签接收POLL数据帧的时间t2、被测UWB标签反馈RESP数据帧的时间t3、主基站接收RESP数据帧的时间t4、主基站回应FINAL数据帧的时间t5、被测UWB标签接收FINAL数据帧的时间t6，最后主基站接收到标签发送的LAST数据帧后，根据所有获得的时间戳计算主基站与被测UWB标签之间的信号飞行时间，进而计算主基站与被测UWB标签之间的距离信息。
9.根据权利要求6所述基于Alter DS-TWR的UWB跨区域实时定位系统，其特征在于，所述主基站与被测UWB标签之间的信号飞行时间为其中，Tf为主基站与被测UWB标签之间的信号飞行时间，Ta1＝t4-t1，Ta2＝t5-t4，Tb1＝t3-t2，Tb2＝t6-t3。
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