CN205176258U - 一种基于uwb的室内定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于UWB的室内定位系统，包括：若干个固定设置在室内的定位锚节点，设置于每个目标用户上的移动标签，固定设置在室内且用于实现各定位锚节点之间时间同步的同步器，以及设置有无线访问节点的服务器；其中，所述移动标签和定位锚节点之间基于UWB进行数据传输，同步器与各定位锚节点之间进行校时通信，各定位锚节点通过无线访问节点与服务器进行数据传输。本实用新型利用UWB技术实现目标用户在室内环境中的动态精确定位，系统功耗低，复杂度低的系统设计更易于操作，无需布线，提高应用效率。

Description

一种基于UWB的室内定位系统

技术领域

本实用新型涉及无线室内定位领域，尤其涉及一种基于UWB的室内定位系统。

背景技术

室外定位技术，如全球定位系统(GPS)和北斗已成功应用于各个领域，包括室外营救，车载导航，物流运输，是目前室外定位中最为成功的一种技术，但值得注意的是，由于GPS信号或者北斗信号无法有效穿透建筑物的墙壁等障碍物，这样会导致室外定位误差增大。GPS或者北斗的定位精度在几十米范围内，能够满足室外定位的要求。但是对于室内定位而言，精度必须精确到几十厘米才能够满足需要，而室内定位技术必须结合无线传感网络，传感器技术，信号处理技术等众多交叉领域。

针对于室内外的无线定位技术多种多样，比如红外线、蓝牙、Zigbee、Wi-Fi、RFID、超宽带UWB等。这些技术都分别适用于不用的环境也都有各自的优势与不足。

红外线室内定位技术，如最早的室内定位系统ActiveBadget，由于红外线自身的穿透力不强和环境中直射光线引起的散射，导致定位效果并不理想。

超声波的主要优点是传播距离远、方向性强。但是超声波的定位功能往往不如红外线技术，需要结合反射式方法(三角定位)来实现精确地定位。

蓝牙技术的最主要优点是功耗较低、对人体危害小，而且应用简单、容易实现，体积较小，方便集成在PDA、PC和手机中，所以易于推广。但是蓝牙的造价比较高，稳定性容易受环境影响。

RFID技术具有非接触识别、非可视性、高速阅读、NLOS等优点。该技术的最大缺点是工作的距离比较近，不利于与其他系统进行联合工作。

UWB技术以它自身的诸多优势崭露头角，并逐渐成为未来无线定位技术的研究热点。它的优点有：较低的功耗、很高的安全性、良好的抗多径效果、很低的系统复杂度以及能够精确提供定位精度等。更适合于作为士兵协同对抗这种对定位要求很高的室内环境使用。

发明内容

本实用新型所解决的技术问题在于提供一种基于UWB的室内定位系统和定位方法，利用UWB技术实现目标用户在室内环境中的动态精确定位。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于UWB的室内定位系统，包括：若干个固定设置在室内的定位锚节点；设置于每个目标用户上的移动标签；固定设置在室内且用于实现各定位锚节点之间时间同步的同步器；以及，设置有无线访问节点的服务器；其中，所述移动标签和定位锚节点之间基于UWB进行数据传输，同步器与各定位锚节点之间进行校时通信，各定位锚节点通过无线访问节点与服务器进行数据传输。

进一步的，本实用新型的基于UWB的室内定位系统，所述定位锚节点包括第一CPU、UWB无线接收器、第一Wi-Fi模块、第一LED指示灯和第一精确时钟；其中，所述UWB无线接收器、第一Wi-Fi模块、第一LED指示灯和第一精确时钟均与第一CPU相连接。

进一步的，本实用新型的基于UWB的室内定位系统，所述移动标签包括第二CPU、UWB发射芯片、运动传感器、第二LED指示灯和事件触发按钮；其中，所述UWB发射芯片、运动传感器、第二LED指示灯和事件触发按钮均与第二CPU相连接。

进一步的，本实用新型的基于UWB的室内定位系统，所述同步器包括无线通信模块、第三CPU、第三LED指示灯、第二精确时钟和备用UWB无线接收器；其中，所述无线通信模块、第三LED指示灯、第二精确时钟和备用UWB无线接收器均与第三CPU相连接。

进一步的，本实用新型的基于UWB的室内定位系统，其特征在于，所述无线通信模块采用Wi-Fi功能模块。

进一步的，本实用新型的基于UWB的室内定位系统，其特征在于，所述定位锚节点的数量为4。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本实用新型的室内定位系统安全性高，抗多径效果良好，系统复杂度低，易于操作；

2.本实用新型的室内定位系统功耗低，约为1mW～30mW；

3.本实用新型的室内定位系统定位精度高，达到5cm～50cm；

4.本实用新型的室内定位系统可应用在士兵协同对抗领域中，采用UWB或者Wi-Fi通信，无需布线，节约人力物力和空间，提高应用效率。

附图说明

图1是本实用新型的基于UWB的室内定位系统的框架图。

图2是本实用新型的定位锚节点的结构图。

图3是本实用新型的移动标签的结构图。

图4是本实用新型的同步器的结构图。

图5是本实用新型的基于UWB的室内定位系统的定位流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明，本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以下以本实用新型应用在士兵协同对抗领域中为例进一步介绍其实施方案。

如图1所示，本实用新型的一种基于UWB的室内定位系统，包括：固定在特定环境中的定位锚节点，放在士兵身上的移动标签，使定位锚节点实现同步的同步器。在获取定位锚节点和移动标签发送的数据后，通过UWB或者Wi-Fi通信协议进行解析得到可被理解的数据；然后对解析后的数据进行提取并进行预处理；由预处理所得的数据通过现有的定位算法和滤波算法得到士兵的位置；最后将计算结果通过软件或者手机展示出来。

如图2所示，本实用新型的定位锚节点包括第一CPU、UWB无线接收器、第一Wi-Fi模块、第一LED指示灯和第一精确时钟，所述UWB无线接收器、第一Wi-Fi模块、第一LED指示灯和第一精确时钟均与第一CPU相连接。定位锚节点是一种高精度的定位信号测量设备，能可靠地检测低功率的超宽带脉冲，此脉冲信号时由移动标签周期性的发出，同时可以检测出直线路径和折线路径的信号差异并加以区分。锚节点配有优质的天线阵列，锚节点可以在事先规定好x,y,z轴方向的情况下测量并显示出各个锚节点的绝对坐标位置。锚节点的硬件组成除了具有无线通信功能的低功耗CPU和UWB无线接收器之外，还需要配有Wi-Fi模块以及LED指示灯。其中，Wi-Fi模块用于同步器和各个锚节点之间数据传输以及将各个锚节点数据打包上传到上位机进行处理。

如图3所示，本实用新型的移动标签包括第二CPU、UWB发射芯片、运动传感器、第二LED指示灯和事件触发按钮，所述UWB发射芯片、运动传感器、第二LED指示灯和事件触发按钮均与第二CPU相连接。士兵佩戴的移动标签是一种小型设备，可获取精度达15cm的三维动态定位信息。电路板上的主要器件包含以下几部分：具有超低功耗CPU、UWB信号发射芯片、一个LED指示灯、一个运动传感器、一个事件触发按钮。具有无线通信功能的超低功耗的CPU可以使移动标签在发送UWB定位信号的同时，将标签的ID号附加在UWB定位信号中，减小Wi-FiWi-Fi通信的负担，增加定位精度。移动标签需采用纽扣电池供电，该移动标签具有睡眠功能，可以降低功耗，从而大大延长电池的使用寿命。UWB信号发射芯片将会受到CPU的控制将UWB短脉冲广播出去。LED指示灯的作用是指示移动标签是在工作状态还是睡眠状态，并可以根据标签移动的速度更改指示灯亮灭的频率。运动传感器主要有两个作用：一是当移动标签经过长时间静止，CPU进入低功耗状态后突然移动可以通过运动传感器给CPU产生一个外部中断，从而将CPU从低功耗状态唤醒。运动传感器还会根据标签移动的速度的不同发送不同的信号给CPU，CPU可以根据这些信号来更新UWB定位信号的发射频率(士兵移动速度快时则UWB定位信号发射频率加快，反之则变慢)。事件触发按钮为可编程按钮，可以让用户自己定义按钮的作用。

如图4所示，本实用新型的同步器包括第三CPU、第三LED指示灯、第二精确时钟和备用UWB无线接收器，所述无线通信模块、第三LED指示灯、第二精确时钟和备用UWB无线接收器均与第三CPU相连接。所述无线通信模块为第二Wi-Fi模块。士兵协同对抗系统使用TDOA算法进行定位时必须要进行时间同步。实现时间同步的前提条件是同步器必须每隔一段时间与锚节点进行一次校时通信。同步器和锚节点上的晶振随温度的漂移不能太大，以保障锚节点与同步器时钟保持严格的同步。

如图5所示，本实用新型的基于UWB的室内定位系统的定位步骤如下：

步骤A、针对目标场地绘制室内平面电子地图，并规定x、y、z轴的方向；

步骤B、安装若干个定位锚节点，并测量确定每个定位锚节点在平面电子地图中的位置坐标；安装同步器，并测量所述同步器在平面电子地图中的位置坐标；计算同步器与每个定位锚节点的距离，同步器和锚节点的距离是为了补偿同步器到三个锚节点距离不同而设置；将定位锚节点的位置坐标、同步器的位置坐标以及同步器与每个定位锚节点的距离输入到服务器中；

步骤C、为每个目标用户设置移动标签；

步骤D、每间隔时间Δt1，同步器通过第二Wi-Fi模块向每个定位锚节点发送由第二精确时钟提供的时间同步信号，每个定位锚节点接收到时间同步信号后对各自的第一精确时钟进行时间校准；

步骤E、每间隔时间Δt2，目标用户上的移动标签通过UWB发射芯片向每个定位锚节点发送定位信号，所述定位信号包括所在移动标签的ID号；

步骤F、定位锚节点通过UWB无线接收器接收每个移动标签的定位信号，并将移动标签ID号和定位信号到达定位锚节点的时间戳组合成时间戳数据，通过第一Wi-Fi模块发送给服务器的无线访问节点；

步骤G、服务器对时间戳数据进行解算，利用TDOA算法得到每个目标用户的X、Y、Z坐标信息，并在平面电子地图上显示每个目标用户的位置。

最后，用户可以根据现场环境自己在上位机界面上完成制图。上位机软件平台设计借助定位系统运行组件能够建立并校准锚节点、定位标签，并通过可视化界面配置定位空间和移动标签。上位机通过Wi-Fi获取各个锚节点中的时间戳数据，通过现有的TDOA算法和滤波算法，获得各个士兵的X，Y，Z坐标信息。用定位位置信息驱动定位引擎中士兵模型，使得定位后的结果可以直观的显示在电脑屏幕上，更加便于管理。

下面以士兵协同对抗系统为例，描述在士兵协同对抗过程中，基于UWB的室内定位系统的工作步骤。

步骤一，针对士兵协同对抗系统所在的训练场地绘制室内平面的电子地图。

步骤二，在训练场地中设置四个锚节点，为参加士兵协同对抗的士兵配备标签。

步骤三，每间隔时间段Δt1，同步器向锚节点发送同步消息。

步骤四，每间隔时间段Δt2，每个士兵所佩戴的标签向锚节点发送带有标签ID的位置消息。

步骤五，锚节点将采集得到的位置信息存储于内存缓存区，根据同步器发来的同步信息将位置信息进行处理。

步骤六，获取每个士兵所佩戴标签到锚节点之间的经过同步器校正后的时间戳数据，根据每个标签到锚节点之间的时间差进行定位得到最终的每个标签的定位结果

步骤七，通过电子地图显示终端显示出最终每个标签的定位结果。

以上所述仅是本实用新型的部分实施方式，应当指出，本实用新型并不涉及方法流程的改进，在本实用新型所提出的定位系统硬件组成及信号连接关系的前提下，实施方式中所涉及的定位方法和上位机的软件均属于现有技术，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于UWB的室内定位系统，其特征在于，包括：

若干个固定设置在室内的定位锚节点；

设置于每个目标用户上的移动标签；

固定设置在室内且用于实现各定位锚节点之间时间同步的同步器；以及，

设置有无线访问节点的服务器；其中，

所述移动标签和定位锚节点之间基于UWB进行数据传输，同步器与各定位锚节点之间进行校时通信，各定位锚节点通过无线访问节点与服务器进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内定位系统，其特征在于，所述定位锚节点包括第一CPU、UWB无线接收器、第一Wi-Fi模块、第一LED指示灯和第一精确时钟；其中，所述UWB无线接收器、第一Wi-Fi模块、第一LED指示灯和第一精确时钟均与第一CPU相连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内定位系统，其特征在于，所述移动标签包括第二CPU、UWB发射芯片、运动传感器、第二LED指示灯和事件触发按钮；其中，所述UWB发射芯片、运动传感器、第二LED指示灯和事件触发按钮均与第二CPU相连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内定位系统，其特征在于，所述同步器包括无线通信模块、第三CPU、第三LED指示灯、第二精确时钟和备用UWB无线接收器；其中，所述无线通信模块、第三LED指示灯、第二精确时钟和备用UWB无线接收器均与第三CPU相连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于UWB的室内定位系统，其特征在于，所述无线通信模块采用Wi-Fi功能模块。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于UWB的室内定位系统，其特征在于，所述定位锚节点的数量为4。