CN210639449U - 一种可穿戴式三维位置监控终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可穿戴式三维位置监控终端，包括控制器单元；以及与控制器单元的输入端连接的传感器单元、电源电路和时钟电路，与控制器单元的输出端连接的报警电路和无线通信电路；以及通过无线通信电路与控制器单元进行数据传输的上位机；以及与传感器单元中的UWB标签连接的UWB外部基站；传感器单元还包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴地磁传感器、数字气压计和GPS传感器。本三维位置监控终端可在GPS、GPS/SDR以及UWB/SDR三种监控模式切换，能够保证在监控目标运动以及外部信号环境与磁场明显变化时始终输出连续的、稳定的、高精度的三维位置、三维姿态、三维速度与三维加速度数据，提高可穿戴式三维位置监控终端的定位精度与可携带性。

Description

一种可穿戴式三维位置监控终端

技术领域

本实用新型专利涉及一种三维位置监控设备，尤其是一种基于多模态传感器的可穿戴式三维位置监控终端，属于远程信号采集与处理技术领域。

背景技术

目前基于位置的服务由于其巨大的商用和社会价值，已经吸引了学术界和工业界大量的关注，对位置监控设备精确性、可靠性和连续性的要求也日益提高。作为目前定位导航领域最广泛普及的位置获取技术，全球定位系统(Global Positioning System,GPS)是一种覆盖范围广、定位精度高、速度时延低的有效室外定位手段，但由于信号受到建筑物影响发生衰减和多径效应致使其无法在室内环境中使用。物联网中的超宽带(Ultra-Wideband,UWB)通信技术能够通过精确的信号飞行时间与到达时间差测量得到目标与信号发射基站间的精确距离，具有部署灵活、采样率高、障碍物穿透力强的特性，能够实现室内开阔区域范围的高精度目标位置监控。但是室内环境非常复杂，信号传播受到墙壁、隔板、天花板等障碍物的阻挡，引起信号发生反射、折射、衍射现象，发射信号经过多条路径、以不同的时间到达接收端，导致传播信号的时延扩展、信号幅度、频率和相位发生改变，出现多径传播现象，从而造成测距的非视距(Non Line of Sight,NLOS)误差，导致UWB系统定位性能的下降。

随着微机电系统技术的革新，各种传感器尺寸不断减小，成本不断降低，基于人体的运动生理学特征，利用加速度计、陀螺仪、磁力计等惯性传感器被广泛用于推算人体步长、行走距离、速度方向等航向信息，由惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)、地磁传感器和数字气压计组成的自包含航迹推算系统(Self-contained DeadReckoning,SDR)能够在没有额外基础设施辅助的情况下实现高自主性、强连续性的自包含位置定位与导航过程，且系统功耗低、体积小、易于集成，是在各种复杂环境中为其他位置监控技术提供可靠三维航迹的有效辅助手段。基于GPS、SDR、UWB等多模态低功耗传感器的数据融合能够保证在监控目标运动以及外部信号环境与磁场改变明显变化时始终输出稳定的、连续的三维位置监控信息，提高可穿戴式三维位置监控终端的定位精度与可携带性。

实用新型内容

本实用新型的目的是基于控制器单元对多模态传感器探测的信号进行处理与控制，有效降低监控目标载体抖动、震动以及外部环境变化和电磁干扰对不同环境下的位置监控数据的影响，远程输出连续、稳定、高精度的三维位置、三维姿态、三维速度与三维加速度数据。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下的技术方案：

一种可穿戴式三维位置监控终端，包括控制器单元；以及与所述控制器单元的输入端连接的传感器单元、电源电路和时钟电路，与所述控制器单元的输出端连接的报警电路和无线通信电路；以及通过所述无线通信电路与所述控制器单元进行数据传输的上位机；以及与所述传感器单元中的UWB标签连接的UWB外部基站；所述传感器单元还包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴地磁传感器、数字气压计和GPS传感器。

优选的，所述控制器单元采用的型号为STM32F405RGT6单片机，所述的STM32F405RGT6单片机通过PB12、PB13、PB14和PB15接口与三轴加速度计与三轴陀螺仪相连，进行SPI协议通信；通过PB6和PB7接口与三轴地磁传感器相连，进行I2C协议通信；通过PC13和PC14接口与数字气压计相连，进行I2C协议通信；通过PA4、PA5、PA6和PA7接口与UWB标签相连，进行SPI协议通信；通过PC8与PC9接口与GPS传感器相连，进行I2C协议通信；通过VBUS、DM、DP和ID接口与无线通信电路进行USB连接。

可选的，所述控制器单元控制所述三维位置监控终端处于以下三种监控模式之一：由GPS传感器提供的GPS监控模式，由GPS传感器、三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴地磁传感器和数字气压计提供的GPS/SDR监控模式，以及由UWB标签、三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴地磁传感器和数字气压计提供的UWB/SDR监控模式。

优选的：所述三轴加速度计与三轴陀螺仪采用的型号为ICM-20602。

优选的：所述三轴地磁传感器采用的型号为IST-8310。

优选的：所述数字气压计采用的型号为SPL06-001。

优选的：所述GPS接收电路采用NEO-M8N芯片。

优选的：所述UWB标签和UWB外部基站均采用DW1000芯片，所述UWB外部基站数量至少为三个，均安装在室内的同一水平高度上。

优选的：所述无线通信电路采用的WIFI传感器型号为ATK-ESP8266。

可选的，所述三维位置监控终端还包括与所述控制器单元的输入端连接的扩展接口。

本实用新型提供一种可穿戴式三维位置监控终端，相比现有技术，具有以下有益效果：本实用新型可实现远程监控目标的三维位置与三维姿态信息，通过与上位机通信实现数据信息的显示、存储与警戒值设置的功能，通过多模态信号决策电路可实现在各种复杂环境中传感器定位机制与算法的判断与切换，有效降低监控目标载体抖动、震动以及外部环境变化和电磁干扰对不同环境下的位置监控数据的影响，能够保证在监控目标运动以及外部信号环境与磁场明显变化时始终输出连续的、稳定的、高精度的三维位置、三维姿态、三维速度与三维加速度数据，提高可穿戴式三维位置监控终端的定位精度与可携带性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型整体结构设计示意图。

图2是传感器单元三轴加速度计与三轴陀螺仪ICM-20602的电路连接示意图。

图3是传感器单元三轴地磁传感器IST-8310的电路连接示意图。

图4是传感器单元数字气压计SPL06-001的电路连接示意图。

图5是传感器单元UWB标签DW1000的电路连接示意图。

图6是传感器单元GPS传感器NEO-M8N的电路连接示意图。

图7是控制器单元STM32F405RGT6单片机的电路连接示意图。

图8是无线通信电路WIFI传感器ATK-ESP8266的电路连接示意图。

图9是CH340接口转TTL接口的电路连接示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面将结合本实用新型的附图和具体实施方式，对本实用新型中的技术方案进行说明。

一种可穿戴式三维位置监控终端，如图1所示，所述可穿戴式三维位置监控终端可以通过绑带固定在手腕、手臂、腰部、腿部或是肩部，包括UWB外部基站4、传感器单元11、电源电路12、时钟电路13、控制器单元14、无线通信电路15、上位机16和报警电路17。其中，传感器单元11、电源电路12和时钟电路13与控制器单元14的输入端连接，上位机16通过无线通信电路15与控制器单元14的输出端连接，报警电路17直接和控制器单元14的输出端连接。UWB外部基站4有三个，即UWB外部基站A1、UWB外部基站B2和UWB外部基站C3。传感器单元11包括三轴加速度计5、三轴陀螺仪6、三轴地磁传感器7、数字气压计8、UWB标签9和GPS传感器10。

作为优选，UWB外部基站4，即UWB外部基站A1、UWB外部基站B2和UWB外部基站C3均采用DW1000芯片，三个外部基站均安装在室内的同一水平高度上，如距地面2米的墙壁处。

作为优选，三轴加速度计5与三轴陀螺仪6采用3mm×3mm×0.75mm的低功耗ICM-20602芯片，该芯片支持±2g/±4g/±8g/±16g的加速度与±250dps/±500dps/±1000dps/±2000dps的角速度，其电路连接示意图如图2所示。

作为优选，三轴地磁传感器7采用3mm×3mm×1mm的低功耗IST-8310芯片，该芯片支持X轴、Y轴±1600uT和Z轴±2500uT的磁场数据范围，其电路连接示意图如图3所示。

作为优选，数字气压计8采用2.0mm×2.5mm×0.95mm的SPL06-001芯片，该芯片支持小于±0.06hPa的气压测量精度，其电路连接示意图如图4所示。

作为优选，UWB标签9采用2.3mm×13mm×2.9mm的DW1000芯片，该芯片兼容IEEE802.15.4通信协议，支持多频带6.8Mb/s的高数据传输速率，具备低功耗待机睡眠与唤醒模式，提供分米级的定位精度和高达300米的通信传输距离，其电路连接示意图如图5所示。所述UWB标签9从搭建的UWB外部基站A1、UWB外部基站B2和UWB外部基站C3接收信号并进行时间同步，获得基站与标签间的距离，以及监控目标的位置坐标，并将位置信息传送至控制器单元14中。

作为优选，GPS传感器10采用12.2mm×16mm×2.4mm的NEO-M8N低功耗芯片，该芯片采用双模同步并行接收GPS(QZSS)、GLonASS和北斗系统，定位精度2.5m，速度精度0.1m/s，其电路连接示意图如图6所示。

作为优选，电源电路12采用的型号为CR2032锂锰电池。

作为优选，控制器单元14采用的型号为STM32F405RGT6的单片机架构，电路连接如图7所示。

作为优选，无线通信电路15采用19mm×29mm的ATK-ESP8266芯片，该芯片支持LVTTL串口，内置TCP/IP协议栈，兼容STM32系列单片机系统，支持最高54Mbps的高速率数据远程传输，电路连接如图8所示。

控制器单元14始终从三轴加速度计5、三轴陀螺仪6、三轴地磁传感器7和数字气压计8收集数据，输出三维姿态、三维速度与三维加速度数据信息给上位机16。具体而言，控制器单元14将SPI2_MOSI、SPI2_MISO、SPI2_SCK和SPI2_NSS接口分别与传感器单元三轴加速度计5和三轴陀螺仪6中ICM-20602的SCL、SDA、SA0和CS接口相连接，进行SPI协议通信。控制器单元14将I2C1_SDA和I2C1_SCL接口分别与传感器单元三轴地磁传感器7中IST-8310的SDA与SCL接口相连接进行I2C协议通信。控制器单元14将I2C2_SDA和I2C2_SCL接口与分别传感器单元数字气压计8中的SPL06-001的SDA和SCK接口相连接进行I2C协议通信。控制器单元14将SPI1_SCK、SPI1_MISO、SPI1_MOSI和SPI1_NSS接口分别与传感器单元UWB标签9中DW1000的SPI_CLK、SPI_MISO、SPI_MOSI和SPI_CSn接口相连，接进行SPI协议通信。控制器单元14将I2C3_SDA和I2C3_SCL接口分别与传感器单元GPS传感器10中的NEO-M8N的SDA和SCL接口相连接，进行SPI协议通信。

控制器单元14与上位机16之间通过无线通信电路15采用WIFI无线技术进行数据传输。具体而言，控制器单元14将DM、DP接口通过CH340转TTL电路分别与无线通信电路15中WIFI传感器ATK-ESP8266的TXD_TTL与RXD_TTL接口相连接进行数据传输。CH340接口转TTL接口的电路如图9所示。

此外，所述控制器单元在GPS传感器无法提供精确定位的情况下进行定位机制的判断与切换，并保证在失去GPS信号的环境下输出稳定的、连续的监控数据信息。当从GPS传感器10采集的信号质量良好时，直接利用GPS传感器10得到准确的三维位置信息，即进入GPS监控模式；当从GPS传感器10采集的信号质量下降时，将GPS数据信息与三轴加速度计5、三轴陀螺仪6、三轴地磁传感器7、数字气压计8的数据进行融合，提供完整的三维位置、三维姿态、三维速度与三维加速度等数据信息，即进入GPS/SDR监控模式；当进入室内环境时，从GPS传感器10采集的信号质量较差，将从UWB标签9采集的信号与三轴加速度计5、三轴陀螺仪6、三轴地磁传感器7、数字气压计8的数据进行融合，提供完整的三维位置、三维姿态、三维速度与三维加速度等数据信息，即进入UWB/SDR监控模式。

所述上位机16包括数据显示、数据存储与警戒值预设功能，所述数据显示和数据存储用于对控制器单元14输出的数据信息进行显示与存储，所述警戒值预设用于存放监控目标的位置、姿态、速度、加速度等警戒值数据。

所述报警电路17包括报警指示灯与蜂鸣器，所述指示灯用于在电源电路12的电量不足时实现提示功能，所述蜂鸣器用于在控制器单元14输出的位置、姿态、速度、加速度等数据超过上位机16预设的警戒值时实现报警功能。

在另一个实施例中为了提高监控终端的功能扩展性，可穿戴式三维位置监控终端还包括扩展接口18，通过在终端预留串口以连接扩展的生物传感器单元，提供其他数据信息集成系统的接入。为了使自包含位置定位更准确，UWB外部基站可设置三个以上。

本实用新型提供的一种可穿戴式三维位置监控终端，集成了先进的多模态传感器单元、智能化、高性能的控制处理单元。传感器单元采用双模卫星定位GPS传感器在提供高精度定位信息的同时大大降低了使用功耗，采用小尺寸惯性传感器件提供监控目标准确的三维姿态、三维速度与三维加速度。在室内环境下采用UWB外部基站和UWB标签，通过解算标签与基站间的距离获取监控目标的准确位置信息，能够提高可穿戴式三维位置监控终端的定位精度与可携带性。所述三维位置监控终端能在室外和室内不同环境下定位机制的决策与无缝切换，并通过加速度计、陀螺仪、地磁传感器和数字气压计来修正不同定位机制下GPS和UWB的定位结果，有效降低载体机动、震动以及环境温度和电磁干扰对监控数据的影响，输出稳定可靠的三维位置、三维姿态、三维速度与三维加速度数据。所述控制处理单元支持监控对象三维位置信息的实时显示与处理，支持数据信息的预警与反馈，支持低功耗休眠和唤醒模型，并在终端扩展接口预留串口用以连接扩展生物传感器单元，接入其他数据信息集成系统，外设扩展性强。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可穿戴式三维位置监控终端，其特征在于，包括控制器单元；以及与所述控制器单元的输入端连接的传感器单元、电源电路和时钟电路，与所述控制器单元的输出端连接的报警电路和无线通信电路；以及通过所述无线通信电路与所述控制器单元进行数据传输的上位机；以及与所述传感器单元中的UWB标签连接的UWB外部基站；所述传感器单元还包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴地磁传感器、数字气压计和GPS传感器。

2.如权利要求1所述的三维位置监控终端，其特征在于，所述三维位置监控终端还包括与所述控制器单元的输入端连接的扩展接口。

3.如权利要求1所述的三维位置监控终端，其特征在于，所述控制器单元控制所述三维位置监控终端处于以下三种监控模式之一：由GPS传感器提供的GPS监控模式，由GPS传感器、三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴地磁传感器和数字气压计提供的GPS/SDR监控模式，以及由UWB标签、三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴地磁传感器和数字气压计提供的UWB/SDR监控模式。

4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的三维位置监控终端，其特征在于，所述控制器单元采用的型号为STM32F405RGT6单片机。

5.如权利要求1至3中任一权利要求所述的三维位置监控终端，其特征在于，所述三轴加速度计与三轴陀螺仪采用的型号为ICM-20602。

6.如权利要求1至3中任一权利要求所述的三维位置监控终端，其特征在于，所述三轴地磁传感器采用的型号为IST-8310。

7.如权利要求1至3中任一权利要求所述的三维位置监控终端，其特征在于，所述数字气压计采用的型号为SPL06-001。

8.如权利要求1至3中任一权利要求所述的三维位置监控终端，其特征在于，所述GPS传感器采用NEO-M8N芯片。

9.如权利要求1至3中任一权利要求所述的三维位置监控终端，其特征在于，所述UWB标签和UWB外部基站均采用DW1000芯片，所述UWB外部基站数量至少为三个，均安装在室内的同一水平高度上。

10.如权利要求1至3中任一权利要求所述的三维位置监控终端，其特征在于，所述无线通信电路采用的WIFI传感器型号为ATK-ESP8266。

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