CN116801186B - 基于uwb的室内定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于UWB的室内定位系统，包括高处基站、低处基站和控制器，所述高处基站包括位于同一水平高度的第一测量基站及第二测量基站，所述低处基站包括与第一测量基站和第二测量基站处于同一垂直面上的第三测量基站，并采用如下步骤对待定位物体进行定位：控制器分别控制第一测量基站、第二测量基站和第三测量基站采用UWB技术对其与另两个测量基站之间的距离进行测量；建立直角坐标系；并计算获得第一测量基站、第二测量基站和第三测量基站在直角坐标系中的三维坐标；且利用高斯‑牛顿迭代法根据计算获得的高处基站和低处基站的三维坐标和待定位物体到高处基站和低处基站中其中两个基站的距离差获得待定位物体的三维坐标。
Description
技术领域
本发明涉及室内定位技术领域，更具体地涉及一种基于UWB的室内定位系统。
背景技术
目前，室内定位系统进行定位的前提是需要事先建立空间直角坐标系以及测量基站在该坐标系中的精确位置，而在搭建室内定位系统过程中，测量空间立体基站坐标一直以来都是困难的事情。现有技术中，通常使用全站型电子速测仪对基站立体坐标进行测量，即全站型电子速测仪进行仪器调平、测站点设置、后视点设置、后视点测量、寻找基站和坐标测量等过程。然而，全站型电子速测仪不仅价格昂贵，而且整个过程需要全程人工参与，操作繁琐。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于UWB的室内定位系统，不需人工参与，且不需购买额外的全站型电子速测仪即可实现室内坐标定位。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于UWB的室内定位系统，包括高处基站、低处基站和一控制器，所述高处基站包括位于同一水平高度的第一测量基站以及第二测量基站，所述低处基站包括第三测量基站，所述第三测量基站与第一测量基站和第二测量基站处于同一垂直面上，其中，所述基于UWB的室内定位系统采用如下步骤对待定位物体进行定位：
控制器分别控制第一测量基站、第二测量基站和第三测量基站采用UWB技术对其与另两个测量基站之间的距离进行测量，以分别获取彼此之间的距离；
以第一测量基站指向第二测量基站的方向为x轴的正方向，竖直垂直于x轴的方向为z轴正方向，并根据右手坐标系原则确定y轴的正方向以构建直角坐标系，且第一测量基站、第二测量基站和第三测量基站在该直角坐标系中的三维坐标分别为(0,0,h)、(x1,0,h)和(x4,0,0)；
根据公式计算获得第二测量基站的三维坐标(x1,0,h)和第一测量基站的三维坐标(0,0,h)；其中，d01为第一测量基站到第二测量基站之间的距离，d10为第二测量基站到第一测量基站之间的距离，d04为第一测量基站到第三测量基站之间的距离，d14为第二测量基站到第三测量基站之间的距离；
根据公式计算获得第三测量基站的三维坐标(x4,0,0)；
利用高斯-牛顿迭代法根据计算获得的高处基站和低处基站的三维坐标和待定位物体到高处基站和低处基站中其中两个基站的距离差获得待定位物体的三维坐标。
其进一步技术方案为：所述高处基站还包括有至少一与所述第一测量基站位于同一水平高度的第一辅助基站，根据公式和/>计算获得第一辅助基站在构建的直角坐标系中的三维坐标(xn,yn,h)；其中，d0n为第一测量基站到第一辅助基站之间的距离。
其进一步技术方案为：所述第一辅助基站的数量为二。
其进一步技术方案为：所述低处基站还包括有至少一与所述第三测量基站位于同一水平高度的第二辅助基站，根据公式和计算获得第二辅助基站在构建的直角坐标系中的三维坐标(xi,yi,0)；其中，d0i为第一测量基站到第二辅助基站之间的距离，d4i为第三测量基站到第二辅助基站之间的距离，h为第一测量基站的z轴坐标。
其进一步技术方案为：所述第二辅助基站的数量为三。
其进一步技术方案为：所述利用高斯-牛顿迭代法根据计算获得的高处基站和低处基站的三维坐标和待定位物体到高处基站和低处基站中其中两个基站的距离差获得待定位物体的三维坐标，具体包括：
利用TDOA算法根据计算获得的高处基站和低处基站的三维坐标以及待定位物体在直角坐标系中的位置计算待定位物体到第一测量基站和所述高处基站和低处基站中其余基站的距离差；
根据高处基站和低处基站以及待定位物体在直角坐标系中的空间位置计算获得待定位物体到高处基站和低处基站中所有基站的空间距离；
利用高斯-牛顿迭代法对待定位物体到第一测量基站和其余基站的距离差和待定位物体到所述高处基站和低处基站中所有基站的空间距离之间的对应关系进行多次迭代，获得待定位物体的三维坐标。
本发明的有益技术效果在于：与现有技术相比，本发明基于UWB的室内定位系统设置有高处基站和低处基站，高处基站内的第一测量基站和第二测量基站位于同一水平高度，且与低处基站中的第三测量基站位于同一垂直面上，控制器分别控制第一测量基站、第二测量基站和第三测量基站采用UWB技术对其与另两个测量基站之间的距离进行测量，以分别获取彼此之间的距离，根据第一测量基站、第二测量基站和第三测量基站的位置建立直角坐标系，并计算获得第一测量基站、第二测量基站和第三测量基站在直角坐标系中的三维坐标，且利用高斯-牛顿迭代法根据计算获得的高处基站和低处基站的三维坐标和待定位物体到高处基站和低处基站中其中两个基站的距离差获得待定位物体的三维坐标，可知，本发明基于UWB的室内定位系统无需通过额外的全站型电子速测仪进行测站点设置、寻找基站和坐标测量等，只需正常搭建基站，驱动控制器工作，从而可完成坐标测量定位，操作简单方便。
附图说明
图1是本发明基于UWB的室内定位系统一具体实施例的结构示意图。
图2是本发明基于UWB的室内定位系统的定位流程示意图。
图3是本发明基于UWB的室内定位系统的定位子流程示意图。
具体实施方式
为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
参照图1，图1为本发明基于UWB的室内定位系统一具体实施例的结构示意图。所述基于UWB的室内定位系统包括包括高处基站、低处基站和一控制器C0，所述高处基站包括位于同一水平高度的第一测量基站A0以及第二测量基站A1，所述低处基站包括第三测量基站A4，所述第三测量基站A4与第一测量基站A0和第二测量基站A1处于同一垂直面上。优选地，如图1所示，为了提高定位精度和增加空间覆盖率，本实施例中，所述高处基站还包括有两与所述第一测量基站A0和第二测量基站A1位于同一水平高度的第一辅助基站(A2，A3)，所述低处基站还包括有三个与所述第三测量基站A4位于同一水平高度的第二辅助基站(A5，A6，A7)，本实施例中，所述控制器C0与所述第一测量基站A0、第二测量基站A1以及第三测量基站A4通信，以控制第一测量基站A0、第二测量基站A1以及第三测量基站A4工作，从而实现三维坐标测量，进而实现待定位物体的坐标定位。
如图2所示，上述基于UWB的室内定位系统的定位过程包括如下步骤：
S10、控制器分别控制第一测量基站、第二测量基站和第三测量基站采用UWB技术对其与另两个测量基站之间的距离进行测量，以分别获取彼此之间的距离。
该步骤中，由控制器分别发送测距命令给第一测量基站、第二测量基站和第三测量基站。第一测量基站、第二测量基站和第三测量基站在收到命令后，可分别利用UWB技术进行测距，即采用UWB测距方法对其与其他基站的距离利用信号的接收和发射时间等进行测量，以获得A0到A1、A2、···、A7的距离d01、d02、···、d07，A1到A0、A2、···、A7的距离d10、d12、···、d17，以及A4到A0、A1、A2、A3、A5、···、A7的距离d40、d41、d42、d43、d45、···、d47。
S20、以第一测量基站指向第二测量基站的方向为x轴的正方向，竖直垂直于x轴的方向为z轴正方向，并根据右手坐标系原则确定y轴的正方向以构建直角坐标系，且第一测量基站、第二测量基站和第三测量基站在该直角坐标系中的三维坐标分别为(0,0,h)、(x1,0,h)和(x4,0,0)。
该步骤中，构建直角坐标系，构建的直角坐标系方向如图1左下角图标所示。因高处基站包括的基站都位于同一水平高度上，则第一测量基站、第二测量基站以及两个第一辅助基站的Z轴坐标均相同，同理，因低处基站包括的基站都位于同一水平高度上，而第三测量基站的Z轴坐标为0，则三个第二辅助基站的Z轴坐标均为0。
S30、根据公式计算获得第二测量基站的三维坐标(x1,0,h)和第一测量基站的三维坐标(0,0,h)。
本发明中，d01为第一测量基站到第二测量基站之间的距离，d10为第二测量基站到第一测量基站之间的距离，d04为第一测量基站到第三测量基站之间的距离，d14为第二测量基站到第三测量基站之间的距离；根据上述公式可计算获得第二测量基站三维坐标中的x1以及h，从而获得第一测量基站和第二测量基站的实际三维坐标。
S40、根据公式计算获得第三测量基站的三维坐标(x4,0,0)。
可理解地，还可包括：根据公式和/>计算获得两个第一辅助基站在构建的直角坐标系中的三维坐标(xn,yn,h)；其中，d0n为第一测量基站到第一辅助基站之间的距离。
进一步地，还可根据公式和/>计算获得三个第二辅助基站在构建的直角坐标系中的三维坐标(xi,yi,0)；其中，d0i为第一测量基站到第二辅助基站之间的距离，d4i为第三测量基站到第二辅助基站之间的距离，h为第一测量基站的z轴坐标。
S50、利用高斯-牛顿迭代法根据计算获得的高处基站和低处基站的三维坐标和待定位物体到高处基站和低处基站中其中两个基站的距离差获得待定位物体的三维坐标。
具体地，本实施例中，如图3所示，所述S50包括如下步骤：
S51、利用TDOA算法根据计算获得的高处基站和低处基站的三维坐标以及待定位物体在直角坐标系中的位置计算待定位物体到第一测量基站和所述高处基站和低处基站中其余基站的距离差。
本实施例中，使用TDOA算法分别测量待定位物体到第一测量基站和其余基站的距离差tdoa1、tdoa2、…、tdoa7。
S52、根据高处基站和低处基站以及待定位物体在直角坐标系中的空间位置计算获得待定位物体到高处基站和低处基站中所有基站的空间距离。
该步骤中，计算获得待定位物体到第一测量基站和其余基站的空间距离D0、D1、…、D7，且tdoa1＝D1-D0，tdoa2＝D4-D0，…，tdoa7＝D7-D0。
S53、利用高斯-牛顿迭代法对待定位物体到第一测量基站和其余基站的距离差和待定位物体到所述高处基站和低处基站中所有基站的空间距离之间的对应关系进行多次迭代，获得待定位物体的三维坐标。
该步骤中，以(x，y，z)为待定位物体的三维坐标，可知待定位物体到第一测量基站和其余基站的距离差和待定位物体到所述高处基站和低处基站中所有基站的空间距离之间的对应关系如下式所示：
本实施例中，i为1，2，、、、，7，并定义ai＝xi-x0，bi＝yi-y0，ci＝zi-z0，代入式(1)可得下述公式：
则其余所有基站与第一测量基站的距离差均可以整理成下式：
然后利用高斯-牛顿迭代法对上述式(3)进行多次迭代，即对于待定位物体给定一个迭代初始值(xt,yt,zt)，迭代出下一步坐标为(xt+1,yt+1,zt+1)。结合高斯-牛顿迭代法可得下式(4)：
令以及/>其中，A为i*3维矩阵，B为i*1维矩阵，i为基站数减去1，代入式(4)可得：
对上式进行转变，先乘以A的转置矩阵AT，再对ATA矩阵进行求逆运算可得：
利用上式迭代过程中，每次迭代获得的新坐标(xt+1,yt+1,zt+1)更新对应的D0值和矩阵A和B的数值，从而迭代下一步的新坐标(xt+2,yt+2,zt+2)，直到设定的精度为止，则迭代出的新值即为使用高斯-牛顿迭代法计算出的待定位物体最终的三维坐标。
综上所述，本发明基于UWB的室内定位系统无需通过额外的全站型电子速测仪进行测站点设置、寻找基站和坐标测量等，只需正常搭建基站，驱动控制器工作，从而可完成坐标测量定位，操作简单方便。
以上所述仅为本发明的优选实施例，而非对本发明做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于UWB的室内定位系统，其特征在于，包括高处基站、低处基站和一控制器，所述高处基站包括位于同一水平高度的第一测量基站以及第二测量基站，所述低处基站包括第三测量基站，所述第三测量基站与第一测量基站和第二测量基站处于同一垂直面上，其中，所述基于UWB的室内定位系统采用如下步骤对待定位物体进行定位：
控制器分别控制第一测量基站、第二测量基站和第三测量基站采用UWB技术对其到另两个测量基站之间的距离进行测量，以分别获取彼此之间的距离；
以第一测量基站指向第二测量基站的方向为x轴的正方向，竖直垂直于x轴的方向为z轴正方向，并根据右手坐标系原则确定y轴的正方向以构建直角坐标系，且第一测量基站、第二测量基站和第三测量基站在该直角坐标系中的三维坐标分别为(0,0,h)、(x1,0,h)和(x4,0,0)；
根据公式计算获得第二测量基站的三维坐标(x1,0,h)和第一测量基站的三维坐标(0,0,h)；其中，d01为第一测量基站到第二测量基站之间的距离，d10为第二测量基站到第一测量基站之间的距离，d04为第一测量基站到第三测量基站之间的距离，d14为第二测量基站到第三测量基站之间的距离；
根据公式计算获得第三测量基站的三维坐标(x4,0,0)；
利用高斯-牛顿迭代法根据计算获得的高处基站和低处基站的三维坐标和待定位物体到高处基站和低处基站中其中两个基站的距离差获得待定位物体的三维坐标。
2.如权利要求1所述的基于UWB的室内定位系统，其特征在于，所述高处基站还包括有至少一与所述第一测量基站位于同一水平高度的第一辅助基站，根据公式和/>计算获得第一辅助基站在构建的直角坐标系中的三维坐标(xn,yn,h)；其中，d0n为第一测量基站到第一辅助基站之间的距离。
3.如权利要求2所述的基于UWB的室内定位系统，其特征在于，所述第一辅助基站的数量为二。
4.如权利要求1或2所述的基于UWB的室内定位系统，其特征在于，所述低处基站还包括有至少一与所述第三测量基站位于同一水平高度的第二辅助基站，根据公式和/>计算获得第二辅助基站在构建的直角坐标系中的三维坐标(xi,yi,0)；其中，d0i为第一测量基站到第二辅助基站之间的距离，d4i为第三测量基站到第二辅助基站之间的距离，h为第一测量基站的z轴坐标。
5.如权利要求4所述的基于UWB的室内定位系统，其特征在于，所述第二辅助基站的数量为三。
6.如权利要求1所述的基于UWB的室内定位系统，其特征在于，所述利用高斯-牛顿迭代法根据计算获得的高处基站和低处基站的三维坐标和待定位物体到高处基站和低处基站中其中两个基站的距离差获得待定位物体的三维坐标，具体包括：
利用TDOA算法根据计算获得的高处基站和低处基站的三维坐标以及待定位物体在直角坐标系中的位置计算待定位物体到第一测量基站和所述高处基站和低处基站中其余基站的距离差；
根据高处基站和低处基站以及待定位物体在直角坐标系中的空间位置计算获得待定位物体到高处基站和低处基站中所有基站的空间距离；
利用高斯-牛顿迭代法对待定位物体到第一测量基站和其余基站的距离差和待定位物体到所述高处基站和低处基站中所有基站的空间距离之间的对应关系进行多次迭代，获得待定位物体的三维坐标。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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