CN204595198U - 一种基于uwb与激光测距组合的动态定位装置 - Google Patents

Abstract

一种基于UWB与激光测距组合的动态定位装置，属于动态定位装置。装置包括超宽带无线通讯UWB传感器、UWB定位标签、激光测距传感器、上位机和POE交换机；在待检测区域布置超宽带无线通讯UWB传感器基站；激光测距传感器安装固定在超宽带无线通讯UWB传感器上；在待检测目标上固定UWB定位标签；超宽带无线通讯UWB传感器、激光测距传感器通过POE交换机与上位机连接。在每个超宽带无线通讯UWB传感器上装有激光测距传感器以获得两两超宽带无线通讯UWB传感器之间的相对距离，从而重新确定或校准移动后超宽带无线通讯UWB传感器的坐标，继续实现动态定位要求。优点：采用UWB与激光测距组合的动态定位方法，其定位精确，同时安全可靠且易于安装、操作方便。

Description

一种基于UWB与激光测距组合的动态定位装置

技术领域

本实用新型涉及一种动态定位的装置，特别是一种基于UWB与激光测距组合的动态定位装置。

背景技术

定位技术，是指对测量目标进行位置信息测定的技术。随着现代社会日新月异的发展，在各个领域内，需要被精确定位的目标随之越来越多，因此人们对定位技术也提出了更高层次的要求，尤其是对动态移动目标的精确定位，逐渐成为了当代人们关注的关键问题。然而在现代社会某些领域中，一些我们常用的动态定位方式已经无法满足当前日益增强的精确定位的需求，在这种背景下，超宽带无线通讯UWB定位系统应运而生，使得对动态目标的精确定位成为可能。

超宽带无线通讯UWB技术，又称冲击无线电(Impu1se Radio)技术，是目前比较先进的无线通讯技术。它实现了短距离内超宽带、高速的数据传输，同时UWB技术的调制方式以及采用的多址技术等特点使它相比于其他无线通信技术具有更宽的带宽、高速的数据传输、低的功耗、安全性能高等特点，因此引起了人们的重视。

在当前的动态定位方式中，主要存在红外、蓝牙、无线、Zigbee等定位方式。然而红外定位方式必须在可视范围内测量，当距离较大时并不适合，同时精度较低，往往无法到达测量要求，容易受到测量环境的干扰；蓝牙技术相对于其他几种定位方式而言虽然也能达到精确定位的要求，但这项技术并没有完全成熟，还无法大规模的应用在实际定位测量中，并且通讯速率低；无线和Zigbee定位方式主要作为短距离内的通讯，同时存在着可靠性低，不稳定等问题，因此往往造成精度达不到需求。

在使用超宽带无线通讯UWB系统进行动态目标定位时，需要首先完成基站布置，也就是超宽带无线通讯UWB传感器，作为基站固定不动，从而实现对动态目标的测量。但当其中某一个基站发生移动，也就意味着超宽带无线通讯UWB传感器坐标发生变化时，由于UWB系统不能自动得到移动后基站新的坐标，造成对动态定位目标定位不精确。同时，若想在某一个较大的区域内进行动态目标定位，并且该区域超过了超宽带无线通讯UWB系统定位的范围，此时，若是布置更多的超宽带无线通讯UWB传感器，不仅大大增加了成本，而且没有从根本上解决问题。

发明内容

本实用新型的目的是要提供一种基于UWB与激光测距组合的动态定位装置，解决超宽带无线通讯UWB传感器移动后影响动态测量精度的问题，实现对检测目标的动态定位。

本实用新型的目的是这样实现的：该动态定位装置包括：超宽带无线通讯UWB传感器、UWB定位标签、激光测距传感器、上位机、支架和POE交换机；在待检测区域布置可移动的支架；超宽带无线通讯UWB传感器安装固定在支架上作为UWB基站；激光测距传感器安装固定在超宽带无线通讯UWB传感器上；在待检测目标上固定UWB定位标 签；超宽带无线通讯UWB传感器、激光测距传感器通过POE交换机与上位机连接；在控制处布置上位机，在上位机中建立检测区域系统模型，收集超宽带无线通讯UWB传感器及激光测距传感器的数据，进行数据的分析及处理。

所述的超宽带无线通讯UWB传感器包括超宽带无线通讯UWB主传感器及时间源，超宽带无线通讯UWB主传感器的任意输出口经时间同步线分别连接超宽带无线通讯UWB的第一从通讯传感器、第二从通讯传感器和第三从通讯传感器的右上角输入端，四个超宽带无线通讯UWB传感器完成时间同步连线；其中超宽带无线通讯UWB主传感器为选定的作为时间源及主传感器，第一从通讯传感器、第二从通讯传感器和第三从通讯传感器为超宽带无线通讯UWB从传感器。

所述的激光测距传感器包括第一激光测距传感器、第二激光测距传感器、第三激光测距传感器和第四激光测距传感器。

有益效果，由于采用了上述方案，使用激光测距传感器可以测得两个物体之间的距离，其方式为：先由传感器内的激光二极管对准待测目标发射激光脉冲，目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器内的接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。激光测距传感器被大量的应用在现代工业领域中，为工业生产提供精确地距离测量，实现以往如超声波测距等测距方式所不能实现的精确距离测量。

使用激光测距的方式，不仅可以精确地测量两个物体之间的距离，同时其还具有响应速度快、误差小、受干扰程度小等特点。因此，将激光测距传感器与超宽带无线通讯UWB传感器相结合，既可以精确的对动态目标进行定位，又可以实现超宽带无线通讯UWB传感器移动后对传感器位置的重新测定校准，得到精确的坐标继续对动态目标进行定位。

(1)抗干扰性能强：UWB信号，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。

(2)传输速率高：UWB的数据速率可以达到几十兆比特每秒到几百兆比特每秒，速率相比于其他方式有了极大的提高。

(3)带宽极宽：UWB使用的带宽在1GHz以上，高达几GHz，并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。这在频率资源日益紧张的今天。开辟了一种新的时域无线电资源。

(4)频谱利用率高，UWB系统容量大：因为不需要产生正弦载波信号，直接发射冲激序列，因而UWB系统具有很宽的频谱和很低的平均功率，有利于与其他系统共存，从而提高频谱利用率。

(5)发射功率低：UWB在短距离的通信应用中，超宽带发射机的发射功率通常可做到低于1mW。这样有助于超宽带与现有窄带通信之间的良好共存，对于提高无线频谱的利用率具有很大的意义，更好的缓解日益紧张的无线频谱资源问题。

(6)多径分辨率极高：因为UWB采用的是持续时间极短的窄脉冲，所以其时间上 和空间上的分辨率都是极强的，方便测距、定位、跟踪等活动的开展。

优点：

(1)选取超宽带无线通讯UWB传感器对动态目标进行实时定位，利用了UWB技术本身的优势，其高带宽、低功耗、抗干扰能力强、传输速率高、频谱利用率高、系统容量大、多径分辨率高等特点，保证了定位的精度，减少定位误差，符合动态定位的要求。

(2)使用激光测距的方式，不仅可以精确地测量两个物体之间的距离，同时其还具有响应速度快、误差小、受干扰程度小等特点。因此，将激光测距传感器与超宽带无线通讯UWB传感器相结合，既可以精确的对动态目标进行定位，又可以实现超宽带无线通讯UWB传感器移动后对传感器位置的重新测定校准，得到精确的坐标继续对动态目标进行定位。

(3)本实用新型方法使用，安全可靠，安装和操作方便，规避了在实际动态测量中产生误差的情形，具有重要的参考价值和实际意义。

附图说明：

图1是本实用新型UWB传感器、激光测距传感器及定位标签空间布置示意图。

图2是本实用新型UWB传感器、激光测距传感器及支架装置示意图；

图3是本实用新型UWB传感器接线方式示意图；

图4是本实用新型UWB传感器工作方式原理示意图；

图5是本实用新型激光测距传感器接线方式示意图；

图6是本实用新型激光测距传感器定位校准原理示意图。

图中：1、支架；2、超宽带无线通讯UWB传感器；2-1、超宽带无线通讯UWB主传感器，2-2、第一从通讯传感器；2-3、第二从通讯传感器；2-4、第三从通讯传感器；3、激光测距传感器；3-1、第一激光测距传感器；3-2、第二激光测距传感器；3-3、第三激光测距传感器；3-4、第四激光测距传感器；4、UWB定位标签；5、上位机；6、底座；7、POE交换机。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：

本实用新型的基于UWB与激光测距组合的动态定位装置，主要由超宽带无线通讯UWB传感器2、UWB定位标签4、激光测距传感器3、上位机5、支架1和POE交换机7构成；所述的超宽带无线通讯UWB传感器2包括超宽带无线通讯UWB主传感器2-1及时间源，超宽带无线通讯UWB主传感器2-1任意输出口经时间同步线连接超宽带无线通讯UWB的第一从通讯传感器2-2、第二从通讯传感器2-3和第三从通讯传感器2-4的右上角输入端，四个超宽带无线通讯UWB传感器完成时间同步连线。其中超宽带无线通讯UWB主传感器2-1为选定的作为时间源及主传感器，第一从通讯传感器2-2、第二从通讯传感器2-3和第三从通讯传感器2-4为超宽带无线通讯UWB从传感器；在待检测区域布置可移动的支架1，支架1固定在底座6上；超宽带无线通讯UWB传感器2安装固定在支架1上作为UWB基站；所述的激光测距传感器3包括第一激光测距传感器3-1、第二 激光测距传感器3-2、第三激光测距传感器3-3和第四激光测距传感器3-4。激光测距传感器3安装固定在超宽带无线通讯UWB传感器2上；在待检测目标上固定UWB定位标签4；超宽带无线通讯UWB传感器2、激光测距传感器3通过POE交换机7与上位机连接；在控制处布置上位机，在上位机中建立检测区域系统模型，收集超宽带无线通讯UWB传感器2及激光测距传感器3的数据，进行数据的分析及处理。

由图1、图2可知，基于UWB与激光测距组合的动态定位装置在其检测区域的空间布置以及UWB传感器、激光测距传感器及支架、底座的布置样式。

采用TDOA算法对UWB定位标签进行定位的方式，为保证UWB定位标签的位置能够被精确定位，UWB定位标签信号应至少可以被3个超宽带无线通讯UWB传感器同时接收到，同时能够被越多的超宽带无线通讯UWB传感器接收到定位精度越精确。通过算法对动态目标进行定位，提供精确的三维精度，在动态目标系统模型中显示目标位置。

通过上位机系统中数据采集库，将检测到的动态目标实时位置信息进行保存，并依据信息提供动态目标实时的位置及绘制动态目标的运动轨迹。

如图3所示，超宽带无线通讯UWB传感器为主传感器2-1及时间源，从超宽带无线通讯UWB主传感器2-1任意输出口连接时间同步线，连入第一从通讯传感器2-2、第二从通讯传感器2-3、第三从通讯传感器2-4超宽带无线通讯UWB传感器的右上角输入端，四个超宽带无线通讯UWB传感器完成时间同步连线。

如图3、图5所示，四个超宽带无线通讯UWB传感器、4个激光测距传感器都通过网线与POE交换机相连接，POE交换机为超宽带无线通讯UWB传感器、激光测距传感器分配IP地址同时供电，POE交换机通过网线与上位机连接，以获取传感器所接收测量的数据。

如图4所示，超宽带无线通讯UWB传感器采用的TDOA算法具体算法过程：

(1)UWB定位标签发射信号，被主通讯传感器2-1、第一从通讯传感器2-2、第二从通讯传感器2-3和第三从通讯传感器2-4这四个超宽带无线通讯UWB传感器接收。接收时间分别为t1、t2、t3、t4，则UWB定位标签到四个传感器之间的距离分别可以表示为ct1、ct2、ct3、ct4，其中c为光速。

(2)根据测得的时间，又由于在每个位置UWB定位标签到每两个超宽带无线通讯UWB传感器之间的距离差为定值，建立方程，设UWB定位标签的坐标为(x，y，z)，四个超宽带无线通讯UWB传感器坐标分别依次为：(x1，y1，z1)(x2，y2，z2)(x3，y3，z3)(x4，y4，z4)。

故方程为：

|ct1-ct2|＝|((x-x1)^2+(y-y1)^2+(z-z1))^1/2-((x-x2)^2+(y-y2)^2+(z-z2)^2)^1/2|

|ct1-ct3|＝|((x-x1)^2+(y-y1)^2+(z-z1))^1/2-((x-x3)^2+(y-y3)^2+(z-z3)^2)^1/2|

|ct1-ct4|＝|((x-x1)^2+(y-y1)^2+(z-z1))^1/2-((x-x4)^2+(y-y4)^2+(z-z4)^2)^1/2|

……

故为双曲线表达式，双曲线交点即为坐标(x，y，z)。

(3)以上方程的解即为UWB定位标签的位置，再在系统中加入其它优化算法，对所得到的坐标进行优化校准，即得到UWB定位标签的精确位置。

如图6所示，当超宽带无线通讯UWB传感器坐标移动后，可通过激光测距传感器算的其新坐标。具体计算方式为：

(1)假设第三从通讯传感器2-4发生移动，则通过第四激光测距传感器3-4测得距离d3，d4，d5。则通过已知主通讯传感器2-1、第一从通讯传感器2-2和第二从通讯传感器2-3坐标(x1，y1，z1)(x2，y2，z2)(x3，y3，z3)，计算第三从通讯传感器2-4坐标(x，y，z)。

即：

|d3|＝|((x-x2)^2+(y-y2)^2+(z-z2))^1/2

|d4|＝|((x-x3)^2+(y-y3)^2+(z-z3))^1/2

|d5|＝|((x-x1)^2+(y-y1)^2+(z-z1))^1/2

(2)解上述方程的2-4超宽带无线通讯UWB坐标(x，y，z)，输入动态目标定位系统模型继续实现动态目标定位。

Claims (3)

1.一种基于UWB与激光测距组合的动态定位装置，其特征是：该动态定位装置包括：超宽带无线通讯UWB传感器（2）、UWB定位标签（4）、激光测距传感器（3）、上位机（5）、支架（1）和POE交换机（7）；在待检测区域布置可移动的支架（1）；超宽带无线通讯UWB传感器（2）安装固定在支架（1）上作为UWB基站；激光测距传感器（3）安装固定在超宽带无线通讯UWB传感器（2）上；在待检测目标上固定UWB定位标签（4）；超宽带无线通讯UWB传感器（2）、激光测距传感器（3）通过POE交换机（7）与上位机连接；在控制处布置上位机，在上位机中建立检测区域系统模型，收集超宽带无线通讯UWB传感器（2）及激光测距传感器（3）的数据，进行数据的分析及处理。

2.权利要求1所述的一种基于UWB与激光测距组合的动态定位装置，其特征是：所述的超宽带无线通讯UWB传感器（2）包括超宽带无线通讯UWB主传感器（2-1）及时间源，超宽带无线通讯UWB主传感器（2-1）的任意输出口经时间同步线分别连接超宽带无线通讯UWB的第一从通讯传感器（2-2）、第二从通讯传感器（2-3）和第三从通讯传感器（2-4）的右上角输入端，四个超宽带无线通讯UWB传感器完成时间同步连线；其中超宽带无线通讯UWB主传感器（2-1）为选定的作为时间源及主传感器，第一从通讯传感器（2-2）、第二从通讯传感器（2-3）和第三从通讯传感器（2-4）为超宽带无线通讯UWB从传感器。

3.权利要求1所述的一种基于UWB与激光测距组合的动态定位装置，其特征是：所述的激光测距传感器（3）包括第一激光测距传感器（3-1）、第二激光测距传感器（3-2）、第三激光测距传感器（3-3）和第四激光测距传感器（3-4）。