CN214669554U

CN214669554U - 一种基于uwb和mems组合的人员二维定位系统

Info

Publication number: CN214669554U
Application number: CN202022135696.2U
Authority: CN
Inventors: 张新远; 年海涛; 卫薇; 武泰安; 邰洋; 刘嘉倬
Original assignee: 707th Research Institute of CSIC
Current assignee: 707th Research Institute of CSIC
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2030-09-25

Abstract

本实用新型涉及一种基于UWB和MEMS组合的人员二维定位系统，其技术特点是：利用UWB基站组、MEMS定位系统和定位标签构成人员二维定位系统，通过在使用环境中布设若干个“V”字形或“W”字形UWB基站组，并为人员配备可穿戴MEMS定位系统和定位标签，实现人员在室内环境中的高精度、长时间定位和导航。所述UWB基站组的布设间隔较远，基站组之间无法利用UWB基站定位，每两个UWB基站组之间的区域内，人员定位依靠MEMS定位系统保证，在UWB组形成的“V”字或“W”字形区域内，依靠UWB实现精确定位的同时，校正MEMS定位系统误差，从而在大幅度缩减UWB基站布设密度的基础上，实现在较长隧道内或巷道内的高精度二维人员定位。

Description

一种基于UWB和MEMS组合的人员二维定位系统

技术领域

本实用新型属于导航定位领域，尤其是有限空间内的人员定位，主要技术采用超宽带定位技术(UWB)、微机械惯性定位(MEMS)技术及组合导航技术。

背景技术

UWB定位技术基于超宽带无载波通讯原理，由基站和定位标签组成，在定位区域内布设基站，利用发射的UWB脉冲信号对定位标签实施定向或测距，然后根据距离公式联立计算出定位标签的空间坐标。计算距离一般采用基于到达时间法(TOA)和基于到达时间差法(TDOA)，通过测量无线脉冲信号准确的传输时间，解得厘米级精度位置坐标。但UWB信号易被人体遮挡吸收，尤其在对快速行走的人体进行定位时，这种影响带来的误差将达到分米级。

MEMS是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。微惯导系统主要包含陀螺仪、加速度计、微处理器，陀螺仪用来测量运动体围绕各个轴向的旋转角速率值，通过四元数角度解算形成导航坐标系，使加速度计的测量值投影在该坐标系中，并可给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度大小和方向，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到位移。佩戴于人员足部的微惯导模块，基于足部运动模型开发，增加了人员行走姿态检测、零速校正等技术，精度较高，相对稳定。目前，最高精度可达到0.3％，这一精度基本上能满足在有限空间内短距离内的二维定位的需求。

超宽带作为主流的定位技术之一，具有抗多径、精度高的特点，定位精度可以达到分米级，甚至厘米级。传统的UWB定位方式以UWB基站为单位，以“V”字形或“W”字形在整个隧道内进行连续布设，但隧道距离较长时，建设成本高昂，后期保障压力非常大。“UWB基站组+MEMS”的组合定位方式通过UWB组和MEMS交替定位模式，大幅度缩减了UWB基站的布设；当人员处于UWB基站组有效区域时，可对MEMS累积的误差进行校正，从而确保了在整个有限空间内较高精度的人员二维定位。这种方式定位精度比较高，比较适合在隧道、地铁及矿井中等有限空间内人员的二维定位，也可识别人员与轨道的相对位置关系，支撑地面施工调度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于“UWB基站组+MEMS”组合的有限空间内人员二维定位系统，能够实现有限空间内高精度人员定位、人员与轨道的相对位置判断的功能。

本实用新型解决其技术问题采取以下技术方案。

一种基于UWB和MEMS组合的有限空间内人员定位系统，包括：UWB基站组、MEMS定位系统和定位标签，所述UWB基站组通过施工安装布设在有限空间内；所述MEMS定位系统佩戴在人员身体上；所述定位标签佩戴在人员身体上。

所述“UWB基站组”包括3个或4个UWB基站，安装布设方案为：3个UWB基站按照“V”字形安装布设于隧道、地铁或矿井巷道等两侧墙壁上较高地方，4个UWB基站按照“W”字形安装布设于隧道、地铁或矿井巷道等两侧墙壁上较高地方。

所述“UWB基站组”内的UWB基站按照长宽比为1:2.5至1:3进行安装布设，一般情况下，有限空间横向距离即为UWB基站组宽度，范围为4.8m至12m；沿有限空间纵向空间的距离即为UWB基站组长度，根据宽度及长宽比原则确定，范围为12m至36m。每两个“UWB基站组”之间的间隔距离范围为可视具体精度要求而定，一般建议100m至200m。

所述MEMS定位系统通过微机械陀螺仪和微机械加速度计测量运动载体的姿态、速度和位置信息。

所述MEMS定位系统穿戴在人员足部，可采用专用鞋垫，放置在鞋底，或利用专用绑带固定在脚背；定位标签佩戴在人员的头盔、肩膀或腰部。

所述MEMS定位系统具备零速检测功能。当MEMS被固定在人员足部时，内置的加速度计和陀螺仪能够敏感足部的加速度和角速度信息的变化情况，实时检测抬起、迈步、落地、静止等周期性的动态变化，融合陀螺和加速度计输出的角速度和加速度信息，基于数据的模值、方差和周期变化特性，判断当前时刻处于零速状态或运动状态。

所述MEMS定位系统具备人员步态检测功能。在人员行走过程中，可检测到足部处于静止状态，此时，固定在足部的MEMS系统的速度在理论上应该为零，因此，该阶段被称作零速阶段。把速度为零作为导航滤波算法的虚拟观测，建立滤波方程，对导航参数进行估计。

所述定位标签佩戴在人员身体上，具备三种通讯作用：一是和UWB基站组内各基站通讯，解算定位标签自身坐标(即人员坐标)；二是通过蓝牙接收MEMS定位系统解算的人员坐标；三是使用无线传输方式向上级系统上传人员位置信息。所述无线传输方式包括WIFI、4G和5G等通信方式。

所述定位标签仍具备数据融合功能，融合“UWB基站组”定位数据和MEMS定位数据，根据人员所处区域，适时进行导航方式切换。

本实用新型的优点和积极效果是：

本实用新型通过在有限空间内间隔100m～200m安装布设1个“UWB基站组”，并使作业人员穿戴MEMS定位系统和定位标签。人员在该空间内作业时，通过UWB和MEMS交替定位，实现在有限空间内人员二维定位，以及人员与轨道的位置关系识别。本实用新型的“UWB基站组”布设间隔较远，每两个“UWB基站组”之间相当长的距离内，其定位精度依靠MEMS定位系统保证，在UWB组形成的“V”字或“W”字形区域内和附近区域，依靠UWB实现精确定位，同时，校正MEMS定位系统误差，从而在大幅度缩减UWB基站布设密度的基础上，实现了在隧道内高精度人员定位、识别人员和轨道相对位置的功能，具有成本低、精度较高的特点，具有较高的实用价值。

附图说明

图1是本实用新型UWB基站组安装分部示意图；

图2是UWB和MEMS组合定位原理图；

图3是本实用新型UWB和MEMS组合定位系统建设示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做进一步详述。

一种基于UWB和MEMS组合的人员二维定位系统，包括：UWB基站组、MEMS定位系统和定位标签。所述“UWB基站组”预先施工安装布设在有限空间内，所述MEMS定位系统包括微机械陀螺仪和微机械加速度计并佩戴在人员身体上；所述定位标签佩戴在人员身体上，并使用无线传输方式将人员位置信息上报。

所述“UWB基站组”包括3个或4个UWB基站，根据UWB基站定位精度，确定该基站组的有效定位范围，基站组的有效定位范围和MEMS定位系统的独立定位范围交替设置，3个UWB基站按照“V”字形安装于有限空间内，4个UWB基站按照“W”字形安装于有限空间内。

所述每个“UWB基站组”之内的UWB基站按照长宽比为1:2.5至1:3进行安装布设。“UWB基站组”宽度即为隧道、地铁或矿井巷道可安装UWB基站的实际宽度，以铁路隧道为例，其范围为4.8m至12m；“UWB基站组”的长度即为隧道、地铁或矿井巷道可安装UWB基站的实际纵向距离，仍以铁路隧道为例，如果按照“V”字形布设，则该长度为安装在同侧的2台UWB基站的实际距离，范围为12m至36m。每个“UWB基站组”的有效区间包括：“UWB基站组”的纵向长度，再加上分别向两个方向外延至少25m，即37m～61m(非绝对距离，仅以本文限定的宽度4.8m～12m为例加以表述)。

所述每两个“UWB基站组”之间的间隔距离范围为100m至200m。该距离可确保当前技术水平状态下的MEMS定位系统的定位精度不低于0.5m，该距离可初步分辨人员与轨道的位置关系。

所述MEMS定位系统通过微机械陀螺仪和微机械加速度计测量运动载体的速度、姿态和位置信息。MEMS定位系统穿戴在人员足部。

所述定位标签佩戴在人员的头盔、肩膀或腰部。

如图1所示，每个UWB基站组包括：①-UWB11基站、②-UWB12基站和③-UWB13基站并按照“V”字形安装于有限空间内。“UWB基站组”内的定位精度最高，当人员处于④-UWB和MEMS组合定位区域时，采用UWB辅助MEMS定位的组合方式，当人员处于⑤—UWB和MEMS加权组合定位区域和⑥-UWB和MEMS加权组合定位区域，且远离UWB和MEMS组合定位区域时，UWB定位精度逐渐降低，但能保证一定的精度，此时采用UWB加权辅助MEMS定位的组合方式。当人员出了该区域时，由MEMS定位系统独立输出人员位置信息。UWB和MEMS组合定位区域和UWB和MEMS加权组合定位区域的判断由UWB和MEMS组合定位系统解算的定位数据判定，因此，区域界限存在一定的误差，但该误差不影响人员定位精度。如图2所示，当UWB信号受到干扰无法完成定位时，利用MEMS系统航位推算进行定位；当作业人员处于UWB和MEMS组合定位区域是，UWB能够准确定位时，又可以对航位推算出现的累积误差进行实时校正。

定位标签包括：UWB定位标签功能，通过接收临近UWB基站组的信号，解算定位信息；通过蓝牙接收MEMS系统定位数据，同时通过简单操作控制MEMS系统的启动、复位和关机；通过包括WIFI通信、4G通信和5G通信的无线方式和有限空间内通讯设备通讯，将作业人员的位置信息发送至调度部门。并且所使用的定位标签模块重量轻、体积小，能够挂作业人员的安全帽上、腰带上，或者肩膀上并具备和UWB基站、通讯设施通视的地方。

通过上述一种基于UWB和MEMS组合的人员二维定位系统，在某个隧道使用本实用新型进行测试，如图3所示，隧道内定位区域划分为II-UWB和MEMS组合定位区域以及I-MEMS自主定位区域和III-MEMS自主定位区域，两种区域交替布设。距离隧道口25米距离处安装布设第1个“UWB基站组”，按照隧道宽度为10m进行计算，该基站组覆盖约75m长的隧道范围，属于UWB和MEMS组合定位区域；与该基站组相邻区域75m至100m距离范围，属于MEMS系统定位区域；与该区域临近再安装一个“UWB基站组”，并按照上述安装组合以此类推将隧道的定位系统安装完毕。

经过测试，在“UWB基站组”有效区域内，人员定位误差不大于0.3m，在“UWB基站组”和MEMS组合后能够确保连续并实时输出精度优于0.3m的人员位置信息。在作业人员进入MEMS自主定位区域后，由MEMS单独测量输出人员位置信息，按使用的MEMS系统3‰D的精度进行计算，作业人员行进100米的误差不大于0.3m，和组合区域的误差保持同一水平。

需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。

Claims

1.一种基于UWB和MEMS组合的人员二维定位系统，其特征在于该系统包括：UWB基站组、MEMS定位系统和定位标签，所述UWB基站组预先施工安装布设在有限空间内，MEMS定位系统和定位标签仅在使用期间穿戴在人员身体上。

2.根据权利要求1所述的一种基于UWB和MEMS组合的人员二维定位系统，其特征在于：所述每个UWB基站组包括3个UWB基站或4个UWB基站，3个UWB基站按照“V”字形安装于有限空间内，4个UWB基站按照“W”字形安装于有限空间内。

3.根据权利要求2所述的一种基于UWB和MEMS组合的人员二维定位系统，其特征在于：所述每个UWB基站组包含的UWB基站按照长宽比为1:2.5至1:3进行安装布设，UWB基站横向距离为有限空间的宽度。

4.根据权利要求1所述的一种基于UWB和MEMS组合的人员二维定位系统，其特征在于：所述MEMS定位系统由微机械陀螺仪和微机械加速度计及相关电路组成，测量人员的运动速度、姿态和位置信息。

5.根据权利要求1所述的一种基于UWB和MEMS组合的人员二维定位系统，其特征在于：所述MEMS定位系统穿戴在人员足部，并以内嵌形式内嵌至鞋垫或以捆绑形式捆绑至脚背，定位标签佩戴在人员的头盔、肩膀或腰部。

6.根据权利要求1所述的一种基于UWB和MEMS组合的人员二维定位系统，其特征在于：所述定位标签佩戴在人员身体上，通过超宽带和UWB基站组通讯，使用蓝牙和MEMS定位系统通讯，以及使用无线传输方式和上级系统进行通讯，无线传输方式包括WIFI、4G和5G。