CN205280924U - 基于uwb的高精度定位跟踪装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于UWB的高精度定位跟踪装置及系统，该装置包括依次连接的运动状态检测模块、控制模块、UWB定位模块以及发射天线模块，运动状态检测模块实时检测待定位目标的运动状态，当检测到待定位目标为运动时产生运动状态信号并作为启动信号发送至控制模块，控制模块接收到启动信号后，控制UWB定位模块产生用于定位跟踪目标位置的UWB定位信号，经发射天线模块进行发送；该系统包括多个定位跟踪基站、分别与各个定位跟踪基站连接的定位跟踪服务器以及多个上述定位跟踪装置。本实用新型能够适用于室内复杂环境下实现实时定位跟踪，具有结构简单紧凑、所需成本低、定位跟踪精度高且功耗低的优点。

Description

基于UWB的高精度定位跟踪装置及系统

技术领域

本实用新型涉及室内定位跟踪技术领域，尤其涉及一种基于UWB的高精度定位跟踪装置及系统。

背景技术

在开阔的室外环境中，由全球定位跟踪系统GPS和北斗即可以提供非常精确的定位跟踪信息，而同时，人们对室内定位跟踪信息的需求也与日俱增，例如监狱、养老院、医院等都需要使用准确的室内定位跟踪信息来对相关人员实现高效的管理。通过GPS和北斗导航定位跟踪系统虽然能够在室外环境提供准确的定位跟踪信息，但由于其发射的微波信号通常非常微弱且频率很高，即需要沿着直线传播，且信号难以穿过墙壁，因而在室内通常接收不到信号，且其定位跟踪精度差、启动时间长，同时定位跟踪器终端还需要设置接收机，导致成本较高。

针对定位跟踪目前主要还存在以下几种方法：

1）射频识别（RFID）定位跟踪：RFID定位跟踪需要将具有唯一电子标码的射频标签放置在带定位跟踪物体上，通过读写器天线发射和接收射频信号来达到定位跟踪目的，因而其定位跟踪的作用距离短、功耗较大，且不方便集成。

2）蓝牙技术：目前蓝牙技术的通信距离还非常短、安全性低，且成本较高。

3）载波通信：目前大部分定位跟踪标签均是基于载波通信，但此类方法还需要设置接收中频系统，因而结构复杂、功耗大，通常难以集成，且其信号抗干扰性差、穿墙能力差、定位跟踪精度不高，特别是在复杂环境情况下，基于载波通信通常很难实现实时定位跟踪。

综上所述，目前的上述定位跟踪技术应用于室内环境（特别是室内复杂环境）进行定位跟踪时均存在一定限制，主要包括：启动时间长，实时定位效果差；信号容易衰减，抗干扰性差；定位精度差，受环境影响较大；整体功耗大，连续工作时间不长，不方便随身携带；结构复杂、成本较高，不方便系统集成等。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种结构简单紧凑、所需成本低、定位跟踪精度高且功耗低，能够适用于室内复杂环境下实现实时定位跟踪的基于UWB的高精度定位跟踪装置及系统。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：

一种基于UWB的高精度定位跟踪装置，包括依次连接的运动状态检测模块、控制模块、UWB定位模块以及发射天线模块，所述运动状态检测模块实时检测待定位跟踪目标的运动状态，当检测到待定位跟踪目标为运动时产生运动状态信号并作为启动信号发送至所述控制模块，所述控制模块接收到所述启动信号后，控制所述UWB定位模块产生用于定位跟踪目标位置的UWB定位信号，经所述发射天线模块进行发送。

作为本实用新型的进一步改进：所述运动状态检测模块为基于加速度传感器的运动状态检测电路。

作为本实用新型的进一步改进：所述加速度传感器为MEMS加速度传感器。

作为本实用新型的进一步改进：所述UWB定位模块包括UWB定位信号产生单元以及射频放大单元，所述UWB定位信号产生单元以预设频率产生所述UWB定位信号，经所述射频放大单元进行功率放大后，输出至所述发射天线模块。

作为本实用新型的进一步改进：所述发射天线模块包括带有接地点的全向微带印刷天线，所述全向微带印刷天线的接地点设置在辐射体上。

作为本实用新型的进一步改进：还包括用于发送告警信息的告警模块，所述告警模块与所述控制模块连接。

作为本实用新型的进一步改进：所述告警模块包括告警输入按键、告警检测电路以及第一告警输出电路，所述告警检测电路实时检测所述告警输入按键的输入状态，并当检测到有按键信号输入时，输出触发信号至所述控制模块，通过所述控制模块控制所述第一告警输出电路输出告警信息。

作为本实用新型的进一步改进：所述告警模块包括线圈环路电路、触发电路以及第二告警输出电路，所述线圈环路电路包括线圈以及分别设置在所述线圈两端的两个具有不同阻值的电阻，所述线圈通过两个所述电阻连接至所述控制模块，所述触发电路实时检测所述线圈环路电路两端的电压，当检测到的所述电压发生突变时，发送触发信号至所述控制模块，所述控制模块控制所述第二告警输出电路输出告警信息。

作为本实用新型的进一步改进：所述告警模块还包括低电压告警单元，所述低电压告警单元包括电压检测电路以及低电压告警输出电路，所述电压检测电路实时检测所述控制模块的电压，并当检测到的电压低于预设阈值时，通过所述低电压告警输出电路输出低电压告警信号。

一种基于UWB的高精度定位跟踪系统，包括多个定位跟踪基站、分别与各个所述定位跟踪基站连接的定位跟踪服务器以及上述的定位跟踪装置，所述定位跟踪装置分别通过所述定位跟踪基站与定位跟踪服务器连接，所述定位跟踪基站将所述定位跟踪装置发送的UWB定位信号发送给所述定位跟踪服务器，所述定位跟踪服务器将接收到的所述UWB定位跟踪信号转换为待定位跟踪目标的位置信息。

与现有技术相比，本实用新型基于UWB的高精度定位跟踪装置的优点在于：本实用新型基于UWB的高精度定位跟踪装置，包括运动状态检测模块、控制模块、UWB定位模块以及发射天线模块，能够利用UWB定位信号提供精确的室内位置信息，具有极高的距离分辨能力、良好的穿透能力等优点，非常适合应用于精度要求高的复杂环境中；同时通过在采用UWB技术的基础上结合目标运动状态的判断，使得能够进一步提高复杂环境下的定位精度，通过增加对目标的运动判断，还可以实现依据运动判断执行定位跟踪，以及在不同运动模式下采用不同的定位刷新率，从而在保证定位精度的同时有效降低功耗。

与现有技术相比，本实用新型基于UWB的高精度定位跟踪系统的优点在于：本实用新型基于UWB的高精度定位跟踪系统，由各个定位跟踪装置的发射天线模块与各定位基站实现通信连接，通过定位服务器将UWB定位信号转换成位置信息，实现目标的具体位置的定位跟踪，因而在定位基站覆盖的区域内都可实现目标的实时定位跟踪，基于室内定位跟踪的范围大、实现灵活且精度高。

附图说明

图1是本实用新型实施例基于UWB的高精度定位跟踪装置的结构原理示意图。

图2是本实用新型实施例基于UWB的高精度定位跟踪系统的结构原理示意图。

图例说明：1、运动状态检测模块；2、控制模块；3、UWB定位模块；31、UWB定位信号产生单元；32、射频放大单元；4、发射天线模块；5、供电电源模块；6、告警模块；61、电压检测电路；7、充电电路；8、锂电池。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实施例基于UWB的高精度定位跟踪装置，包括依次连接的运动状态检测模块1、控制模块2、UWB定位模块3以及发射天线模块4，运动状态检测模块1实时检测待定位跟踪目标的运动状态，当检测到待定位跟踪目标为运动时产生运动状态信号并作为启动信号发送至控制模块2，控制模块2接收到启动信号后，控制UWB定位模块3产生用于定位跟踪目标位置的UWB定位信号，经发射天线模块4进行发送。待定位跟踪目标具体可根据实际需求为待定位跟踪的人或物体等。

UWB（UltraWideBand，超宽带）技术作为近年来新兴发展起来的一种无线电技术，本实施例定位跟踪装置通过设置UWB定位模块3实现定位跟踪，能够利用UWB定位信号提供精确的室内位置信息，非常适合应用于环境相对复杂且对精度要求高的环境。将本实施上述定位跟踪装置应用在LOS（LineOfSight）信道时，定位精度具体可达15cm；在SoftNLOS（SoftNonLineOfSight）信道和HardNLOS（HardNonLineOfSight）信道，定位精度具体可达15-30cm。

本实施例定位跟踪装置利用UWB技术实现定位跟踪，相对于传统的定位跟踪方法，能够具有以下优势：1）极高的距离分辨能力：距离分辨力与信号带宽成反比，由于UWB信号的超宽带特性，距离分辨精度是传统其它定位系统的成百上千倍，且定位跟踪的精度在厘米数量级；2）良好的穿透能力：UWB信号对建筑物、墙体等障碍物具有良好的穿透能力，因此能够在一般信号的覆盖盲区都能正常工作；3）利于分集接收：UWB信号为时间宽度为ns级的时间离散窄脉冲，因而在时间上可以直接区分大部分多径信号与直达信号，方便进行分集接收；4）实现频谱共享：由于UWB信号具有极低的功率谱密度，其对于其它窄带系统而言相当于噪声，因而不会对所处频段内的其它无线业务构成干扰，同时其它窄带无线业务信号相对于如此宽的频带而言，仅相当于单频干扰，很容易实现与UWB信号相分离，因此可占用常规通信系统频段工作，实现频率资源的再利用，提高频率利用率；5）具有多功能：在完成定位跟踪的同时还能进行低速率的数据通信，由定位跟踪与通信功能的融合极大地扩展了系统的应用范围。此外，本实施例定位跟踪装置基于UWB定位信号，由于UWB信号一般无正弦载波，因而无需设置接收中频系统，可直接通过全数字硬件结构实现，因而实现结构简单、功耗低且连续工作时间长。

本实施例基于UWB的高精度定位装置，由运动状态检测模块1实时检测待定位跟踪目标的运动状态，当检测到待定位跟踪目标为运动时启动控制模块2，通过控制模块2控制UWB定位模块3产生用于UWB定位信号，经发射天线模块4进行发送。通过在采用超宽带UWB技术的基础上结合目标运动状态的判断，使得在NLOS（NonLineOfSight，非线性信道）等复杂环境下能够实现更为精确的定位，同时通过增加对目标的运动判断，还可以实现依据运动判断执行定位跟踪，以及在不同运动模式下采用不同的定位刷新率，从而在保证定位精度的同时有效降低功耗。在运动状态检测模块1检测到目标静止时本实施例定位跟踪装置静止，当运动状态检测模块1检测到目标为运动时，本实施例定位跟踪装置通过向控制模块2输出运动状态信号的启动信号来唤醒控制模块2，则控制模块2大部分都处于停机模式，只在被唤醒后才处于工作模式，因而能够有效降低装置所需的功耗，实现低功耗设计；同时UWB定位模块3设置为在发送完信号后即进行休眠状态，即UWB定位模块3在大部分时间也处于深度睡眠状态，其工作时间为us级，因而可以使得定位跟踪装置整体上的功耗非常低。本实施例中控制模块2具体可采用超低功耗单片机。

本实施例中，运动状态检测模块1为基于加速度传感器的运动状态检测电路，由加速度传感器检测目标的加速器信息，以判断目标的运动状态，从而结合UWB定位模块3可以实现精准的定位跟踪。本实施例加速度传感器具体为MEMS（MicroElectronicMechanicalSystem，微电子机械系统）加速度传感器，运动状态检测模块1具体采用基于MEMS加速度传感器的三轴陀螺仪，能够实现高精度的运动状态检测。

本实施例中，发射天线模块4包括带有接地点的全向微带印刷天线，全向微带印刷天线的接地点设置在辐射体上。微带印刷天线即为微带印刷单极子天线，通过在微带印刷单极子天线的辐射体上增加一个接地点，可以缩减天线尺寸，并且使得天线可以印刷在电路板的背面，使得天线体积小、重量轻、工作频带宽且辐射性能好，因而便于实现结构紧凑的定位跟踪装置；同时本实施通过全向微带印刷天线可以向四面八方各个方向发射UWB信号，结构小巧且容易集成在电路板上，使得定位跟踪装置的结构更为紧凑，同时便于UWB信号的接收处理。本实施例全向微带印刷天线具体采用陶瓷天线。

本实施例中，UWB定位模块号3包括依次连接的UWB定位信号产生单元31、射频放大单元32，UWB定位信号产生单元31以预设频率产生UWB定位信号，经射频放大单元32进行功率放大、去噪处理等后，输出至发射天线模块4。

本实施例中，还包括用于发送告警信息的告警模块6，告警模块6与控制模块2连接。告警模块6可根据不同的告警应用需求设置为不同结构。

本实施例提供两种结构的告警模块6，以分别针对紧急告警以及防拆告警应用。

针对紧急告警的第一种结构为：告警模块6包括告警输入按键、告警检测电路以及第一告警输出电路，告警检测电路实时检测告警输入按键的输入状态，并当检测到有按键信号输入时，输出触发信号至控制模块2，通过控制模块2控制第一告警输出电路输出告警信息。当发生紧急情况时，可通过按下告警输入按键触发告警，同时控制模块2控制UWB定位模块3发送UWB定位信号，以发送当前位置信息。

针对防拆告警的第二种结构为：告警模块6包括线圈环路电路、触发电路以及第二告警输出电路，线圈环路电路包括线圈（本实施例具体为金属线圈）以及分别设置在线圈两端的两个具有不同阻值的电阻，线圈通过两个电阻连接至控制模块2，触发电路实时检测线圈环路电路两端的电压，当检测到的电压发生突变时，发送触发信号至控制模块2，控制模块2控制第二告警输出电路输出告警信息。本实施例具体将线圈环路电路连接在控制模块2所采用芯片的两个引脚上进行分压，由控制模块2实时检测该两个引脚的电压变化，当线圈环路电路受到破坏时，则该两个引脚的电压会发生突变，控制模块2第二告警输出电路告警。告警模块6采用线圈环路设计，使得任何试图破坏装置线路均会触发控制模块2，立即发送告警信息以及当前定位信息。

本实施例中，告警模块6还包括低电压告警单元，低电压告警单元包括电压检测电路61以及低电压告警输出电路，电压检测电路61实时检测控制模块2的电压，并当检测到的电压低于预设阈值时，通过低电压告警输出电路输出低电压告警信号。通过低电压告警单元可实时监测定位跟踪装置的工作状态，在电量较低时发送告警信号，确保装置的正常使用。

本实施例中，还包括提供电源的供电电源模块5，供电电源模块5与控制模块2连接。供电电源模块5是通过外部的锂电池8进行供电，当锂电池8电量不足时，则通过充电电路7给锂电池8进行充电。

本实施例定位跟踪装置具体可设置为标签形式，或根据实际需求设置为其他形式。

如图2所示，本实施例基于UWB的高精度定位跟踪系统，包括多个定位跟踪基站、分别与各个定位跟踪基站连接的定位跟踪服务器以及多个上述的定位跟踪装置，定位跟踪装置分别通过定位跟踪基站与定位跟踪服务器连接，定位跟踪基站将定位跟踪装置发送的UWB定位信号发送给定位跟踪服务器，定位跟踪服务器将接收到的UWB定位跟踪信号转换为待定位跟踪目标的位置信息。本实施例各个定位跟踪装置通过发射天线模块4与各定位基站实现通信连接，在目标进入运动状态后，定位跟踪装置以指定频率通过UWB定位模块3、发射天线模块4发送UWB定位信号，定位基站将获取的UWB定位信号中距离信号上报给定位服务器的定位引擎，由定位引擎将距离信息转换成位置信息上报给服务器，实现目标的具体位置的定位跟踪，因而在定位基站覆盖的区域内即可实现目标的实时定位跟踪，基于室内定位跟踪的范围大、实现灵活且精度高。

本实施例中，还包括用于实时显示目标位置信息的监控终端，监控终端与定位服务器连接，通过监控终端还可实时显示各定位跟踪装置的告警状态，实现对目标的实时定位跟踪以及监控功能。

上述只是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于UWB的高精度定位跟踪装置，其特征在于包括依次连接的运动状态检测模块（1）、控制模块（2）、UWB定位模块（3）以及发射天线模块（4），所述运动状态检测模块（1）实时检测待定位跟踪目标的运动状态，当检测到待定位跟踪目标为运动时产生运动状态信号并作为启动信号发送至所述控制模块（2），所述控制模块（2）接收到所述启动信号后，控制所述UWB定位模块（3）产生用于定位跟踪目标位置的UWB定位信号，经所述发射天线模块（4）进行发送。

2.根据权利要求1所述的基于UWB的高精度定位跟踪装置，其特征在于：所述运动状态检测模块（1）为基于加速度传感器的运动状态检测电路。

3.根据权利要求2所述的基于UWB的高精度定位跟踪装置，其特征在于：所述加速度传感器为MEMS加速度传感器。

4.根据权利要求2所述的基于UWB的高精度定位跟踪装置，其特征在于：所述UWB定位模块（3）包括UWB定位信号产生单元（31）以及射频放大单元（32），所述UWB定位信号产生单元（31）以预设频率产生所述UWB定位信号，经所述射频放大单元（32）进行功率放大后，输出至所述发射天线模块（4）。

5.根据权利要求4所述的基于UWB的高精度定位跟踪装置，其特征在于：所述发射天线模块（4）包括带有接地点的全向微带印刷天线，所述全向微带印刷天线的接地点设置在辐射体上。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的基于UWB的高精度定位跟踪装置，其特征在于：还包括用于发送告警信息的告警模块（6），所述告警模块（6）与所述控制模块（2）连接。

7.根据权利要求6所述的基于UWB的高精度定位跟踪装置，其特征在于：所述告警模块（6）包括告警输入按键、告警检测电路以及第一告警输出电路，所述告警检测电路实时检测所述告警输入按键的输入状态，并当检测到有按键信号输入时，输出触发信号至所述控制模块（2），通过所述控制模块（2）控制所述第一告警输出电路输出告警信息。

8.根据权利要求6所述的基于UWB的高精度定位跟踪装置，其特征在于，所述告警模块（6）包括线圈环路电路、触发电路以及第二告警输出电路，所述线圈环路电路包括线圈以及分别设置在所述线圈两端的两个具有不同阻值的电阻，所述线圈通过两个所述电阻连接至所述控制模块（2），所述触发电路实时检测所述线圈环路电路两端的电压，当检测到的所述电压发生突变时，发送触发信号至所述控制模块（2），所述控制模块（2）控制所述第二告警输出电路输出告警信息。

9.根据权利要求7或8所述的基于UWB的高精度定位跟踪装置，其特征在于，所述告警模块（6）还包括低电压告警单元，所述低电压告警单元包括电压检测电路（61）以及低电压告警输出电路，所述电压检测电路（61）实时检测所述控制模块（2）的电压，并当检测到的电压低于预设阈值时，通过所述低电压告警输出电路输出低电压告警信号。

10.一种基于UWB的高精度定位跟踪系统，其特征在于包括多个定位跟踪基站、分别与各个所述定位跟踪基站连接的定位跟踪服务器以及多个如权利要求1～9中任意一项所述的定位跟踪装置，所述定位跟踪装置分别通过所述定位跟踪基站与定位跟踪服务器连接，所述定位跟踪基站将所述定位跟踪装置发送的UWB定位信号发送给所述定位跟踪服务器，所述定位跟踪服务器将接收到的所述UWB定位跟踪信号转换为待定位跟踪目标的位置信息。