CN218445955U - Uwb定位标签及系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型实施例提供一种UWB定位标签及系统，用以解决现有技术中采用三维UWB定位基站对空中运动目标物体进行定位实现难度大、实现成本高且定位准确性不高的缺陷。该UWB定位标签包括UWB定位脉冲收发装置、UWB定位芯片、存储器、微控制单元、气压传感器、运动传感器、无线通信电路、可充电电池。本实用新型的UWB定位标签及系统通过UWB定位芯片及UWB定位基站获得UWB定位标签的实时二维距离数据，通过气压传感器获得可用于计算得出UWB定位标签的实时高度数据的实时气压数据，在UWB定位标签及系统的上位机或管理平台将两组数据关联融合得到UWB定位标签的实时三维定位数据；再将实时三维定位数据与运动数据关联融合得到UWB定位标签的预估三维定位数据。

Description

UWB定位标签及系统
技术领域
本实用新型涉及定位技术领域，尤其涉及一种UWB定位标签及系统。
背景技术
超宽带(Ultra Wide Band，UWB)无线通信技术，是一种利用纳秒级占空比很低的非正弦波单周期脉冲进行数据传输的，占用频谱范围很宽的通信技术。UWB无线通信技术具有实现系统结构简单、工程造价便宜、对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低高速数据传输、多径分辨能力强等优点。
由于UWB脉冲信号的脉冲宽度在纳秒级，占空比特别低，利用脉冲信号的飞行时间(TOF)的UWB定位技术方案的距离分辨能力可高达厘米级，具有很好的定位精度。通常，UWB定位系统采用到达时间差法(Time Difference of Arrival，TDOA)来进行附设有UWB标签的目标物体的定位。具体的，UWB定位系统包括附设在目标物体上的UWB标签，至少三个UWB基站；测距定位时，首先同步至少三个UWB基站的时钟，再获得脉冲信号从UWB标签传播到不同UWB基站的到达时间，得到每个UWB基站到UWB标签的距离差；然后，在二维平面中，以至少三个UWB基站的坐标为参考节点，基于每个UWB基站到UWB标签的距离差绘制至少两条双曲线，至少两条双曲线的交点即为UWB标签的位置。UWB标签的位置具体可通过解与至少两条双曲线对应的双曲线方程组的方式，得到UWB标签的二维坐标。
理论上，UWB定位系统的定位精度可以达到厘米级，属于高精实时定位系统。但在工程实践中，由于受到UWB基站布设位置及环境因素的影响，UWB定位系统无法达到厘米级的定位精度，特别是对空中运动目标物体进行定位时。
然而，发明人在实现本实用新型实施例中的技术方案的过程中发现，现有的UWB定位标签及系统在对空中运动目标物体进行定位时至少存在如下技术问题：
要对空中运动目标物体(例如移动施工装置，飞行无人设备)进行三维定位，就需要部署三维UWB定位基站，部署三维UWB定位基站不仅工程实现难度大而且实现成本高，且定位准确性不高。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型实施例的目的在于提供一种UWB定位标签及系统，用以解决现有技术中采用三维UWB定位基站对空中运动目标物体进行定位实现难度大、实现成本高且定位准确性不高的缺陷。本实用新型的UWB定位标签及系统通过UWB定位芯片及UWB定位基站获得UWB定位标签的实时二维距离数据，通过气压传感器获得可用于计算得出UWB定位标签的实时高度数据的实时气压数据，在UWB定位标签及系统的上位机或管理平台将两组数据关联融合得到UWB定位标签的实时三维定位数据；再将实时三维定位数据与运动数据关联融合得到UWB定位标签的预估三维定位数据。进而在不部署三维UWB定位基站的情况下，实现空中运动目标物体的精准三维实时定位和预估定位。
为了实现上述目的，本实用新型实施例中采用的技术方案如下：
第一方面，本实用新型实施例中提供一种UWB定位标签，应用于能够对空中运动目标物体进行定位的UWB定位系统；所述UWB定位标签包括：
UWB定位脉冲收发装置，用于发送定位脉冲和接收定位响应脉冲；
UWB定位芯片，所述UWB定位芯片电连接所述UWB定位脉冲收发装置，用于通过所述UWB定位脉冲收发装置向所述UWB定位系统中的至少三个UWB定位基站分别发送定位脉冲，以及用于在收到至少三个所述UWB定位基站中的任何一个返回的定位响应脉冲后再向对应的所述UWB定位基站发送定位脉冲，以使至少三个所述UWB定位基站能够获得其与所述UWB定位标签的实时距离数据；
存储器，用于存储所述UWB定位芯片的定位脉冲发送参数及所述UWB定位脉冲收发装置的通信参数；
微控制单元，所述微控制单元与所述UWB定位芯片、所述存储器均电连接；所述微控制单元用于生成所述UWB定位芯片的定位脉冲发送参数和用于生成所述UWB定位脉冲收发装置的通信参数，以及用于基于定位脉冲发送参数控制所述UWB定位芯片向至少三个所述UWB定位基站发送定位脉冲；
气压传感器，所述气压传感器与所述微控制单元电连接，用于获取所述UWB定位标签所在位置的实时气压数据并传送给所述微控制单元；
运动传感器，所述运动传感器与所述微控制单元电连接，用于获取所述UWB定位标签的运动数据并传送给所述微控制单元；
无线通信电路，所述无线通信电路与所述微控制单元电连接，以使所述微控制单元基于所述无线通信电路通过无线网络将所述UWB定位标签的实时气压数据和运动数据发送给与至少三个所述UWB定位基站通信连接的上位机或管理平台，以使所述上位机或管理平台能够基于所述UWB定位标签的实时气压数据生成实时高度数据，再基于所述UWB定位标签的实时距离数据和实时高度数据生成所述UWB定位标签的实时三维定位数据，以及再基于所述UWB定位标签的运动数据生成所述UWB定位标签的预估三维定位数据；
可充电电池，所述可充电电池用于为所述UWB定位标签的用电单元供电。
可选地，所述UWB定位脉冲收发装置包括UWB贴片天线，与所述UWB贴片天线电连接的射频前端芯片，所述射频前端芯片电连接所述微控制单元。
可选地，所述UWB定位脉冲收发装置还包括功率放大器，所述射频前端芯片、所述功率放大器、所述UWB贴片天线顺次电连接。
可选地，所述UWB贴片天线为UWB陶瓷贴片天线。
可选地，所述射频前端芯片为SiliconWave的SW8110Q芯片。
可选地，所述UWB定位芯片为DecaWave的DW1000芯片。
可选地，所述运动传感器为陀螺仪或惯性传感器。
第二方面，本实用新型实施例中提供一种UWB定位系统，所述UWB定位系统包括前述UWB定位标签。
基于上述技术方案，本实用新型实施例中的UWB定位标签及系统，通过UWB定位芯片及UWB定位基站获得UWB定位标签的实时二维距离数据，通过气压传感器获得可用于计算得出UWB定位标签的实时高度数据的实时气压数据，在UWB定位标签及系统的上位机或管理平台将两组数据关联融合得到UWB定位标签的实时三维定位数据；再将实时三维定位数据与运动数据关联融合得到UWB定位标签的预估三维定位数据。如此，在不部署三维UWB定位基站的情况下，仅在UWB定位标签中增加气压传感器功能电路单元和运动传感器功能电路单元，实现空中运动目标物体的精准三维实时定位和预估定位。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本实用新型实施例中的UWB定位标签的示意性结构图；
图2示出了本实用新型实施例中的UWB定位标签的UWB定位脉冲收发装置的示意性结构图；
图3示出了本实用新型实施例中的UWB定位系统的示意性结构图。
其中，图中的附图标记与部件名称之间的对应关系如下：
UWB定位系统10，UWB定位标签100，微控制单元110，UWB定位脉冲收发装置120，射频前端芯片121，UWB贴片天线122，UWB定位芯片130，存储器140，气压传感器150，运动传感器160，无线通信电路170，可充电电池180，UWB定位基站200，上位机300。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实际应用，参照本实用新型实施例附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
下面将结合附图和实施例，对本实用新型的技术方案进行说明。
应理解，本实用新型实施例中的UWB定位标签及系统，不局限于对空中运动目标物体进行精准三维实时定位和预估定位，其也可以对空中静止目标物体及地面目标物体进行精准三维实时定位和预估定位。
图1示出了本实用新型实施例中的UWB定位标签的示意性结构图。
现参照图1所示，本实用新型实施例中的UWB定位标签，应用于能够对空中运动目标物体进行定位的UWB定位系统；所述UWB定位标签包括：
UWB定位脉冲收发装置120，用于发送定位脉冲和接收定位响应脉冲；
UWB定位芯片130，所述UWB定位芯片130电连接所述UWB定位脉冲收发装置120，用于通过所述UWB定位脉冲收发装置120向所述UWB定位系统中的至少三个UWB定位基站分别发送定位脉冲，以及用于在收到至少三个所述UWB定位基站中的任何一个返回的定位响应脉冲后再向对应的所述UWB定位基站发送定位脉冲，以使至少三个所述UWB定位基站能够获得其与所述UWB定位标签的实时距离数据；
存储器140，用于存储所述UWB定位芯片130的定位脉冲发送参数及所述UWB定位脉冲收发装置120的通信参数；
微控制单元110，所述微控制单元110与所述UWB定位芯片130、所述存储器140均电连接；所述微控制单元110用于生成所述UWB定位芯片130的定位脉冲发送参数和用于生成所述UWB定位脉冲收发装置120的通信参数，以及用于基于定位脉冲发送参数控制所述UWB定位芯片130向至少三个所述UWB定位基站发送定位脉冲；
气压传感器150，所述气压传感器150与所述微控制单元110电连接，用于获取所述UWB定位标签所在位置的实时气压数据并传送给所述微控制单元110；
运动传感器160，所述运动传感器160与所述微控制单元110电连接，用于获取所述UWB定位标签的运动数据并传送给所述微控制单元110；
无线通信电路170，所述无线通信电路170与所述微控制单元110电连接，以使所述微控制单元110基于所述无线通信电路170通过无线网络将所述UWB定位标签的实时气压数据和运动数据发送给与至少三个所述UWB定位基站通信连接的上位机或管理平台，以使所述上位机或管理平台能够基于所述UWB定位标签的实时气压数据生成实时高度数据，再基于所述UWB定位标签的实时距离数据和实时高度数据生成所述UWB定位标签的实时三维定位数据，以及再基于所述UWB定位标签的运动数据生成所述UWB定位标签的预估三维定位数据；
可充电电池180，所述可充电电池180用于为所述UWB定位标签的用电单元供电。
应理解，本实用新型实施例中的UWB定位标签，还包括用于为所述微控制单元提供时钟频率信号的晶振，进而把所述微控制单元的初始化频率误差降到大约百万分之一。
本实用新型实施例中，通过所述气压传感器150获取所述UWB定位标签所处位置的实时气压数据，以使所述UWB定位系统的上位机或管理平台能够基于实时气压数据得到所述UWB定位标签所处位置的实时高度数据，将该实时高度数据关联及融合至基于UWB定位芯片130及UWB定位基站获得的所述UWB定位标签的实时二维距离数据，从而在不部署三维UWB定位基站的情况下得到所述UWB定位标签的实时三维定位数据。
本实用新型实施例中，通过所述运动传感器160获取所述UWB定位标签的运动数据，例如运动加速度、运动方向、运动角度，以使所述UWB定位系统的上位机或管理平台能够基于所述UWB定位标签的运动数据及实时三维定位数据得到所述UWB定位标签的预估三维定位数据，实现对所述UWB定位标签进行实时动态三维预估定位。
本实用新型实施例中，所述气压传感器150为对空中物体(例如无人机)进行高度测量常用的气压传感器。本实用新型实施例中不对所述气压传感器的规格、型号做任何限定。
应理解，所述UWB定位标签具有所述气压传感器150，相应地，所述UWB定位系统的至少三个所述UWB定位基站均具有所述气压传感器，进而所述上位机或管理平台能够基于所述UWB定位标签的气压传感器150和所述UWB定位基站的气压传感器所测得的实时气压数据的差值获得所述UWB定位标签所处位置的实时高度数据。
本实用新型实施例中，所述运动传感器160为智能电子设备、计算机监控设备、无人飞行器常用的运动传感器，例如加速度传感器、陀螺仪、惯性传感器。其中，加速度传感器的获得成本较低。
可选地，所述运动传感器160具体可以是陀螺仪或惯性传感器。其中，陀螺仪通常采用能够用于航空、航天、航海、兵器、汽车、生物医学、环境监控等技术领域的MEMS陀螺仪，MEMS陀螺仪具有低功耗、高可靠性、大量程、体积小、重量轻、易于数字化、智能化、低成本等优点。惯性传感器能够测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动。是导航、定向和运动载体控制电子设备的必用电子部件。
本实用新型实施例中，所述UWB定位芯片130为UWB定位标签常用的UWB定位芯片，通过其与至少三个所述UWB定位基站配合能够实现二维定位。
可选地，所述UWB定位芯片130为DecaWave公司的DW1000芯片。DW1000芯片，功耗低，可双向测距和定位，最远传输距离为450米。DW1000芯片的定位精度为厘米，支持6.8mbps的数据传输速率。DW1000芯片的带宽设置可采用500MHz和900MHz两种模式。
本实用新型实施例中，所述UWB定位脉冲收发装置120，用于发送定位脉冲和接收定位响应脉冲；所述UWB定位脉冲收发装置120为UWB定位标签常用的UWB定位脉冲收发装置。
图2示出了本实用新型实施例中的UWB定位标签的UWB定位脉冲收发装置的示意性结构图。
现参图2所示，所述UWB定位脉冲收发装置120包括UWB贴片天线122，与所述UWB贴片天线122电连接的射频前端芯片121，所述射频前端芯片121电连接所述微控制单元。
通常，所述UWB定位标签的通讯距离在50-100米之间，为了有效提高所述UWB定位标签的通讯距离，以减少所述UWB定位基站的布设数量，降低所述UWB定位系统的集成成本。可选地，所述UWB定位脉冲收发装置120还包括功率放大器，所述射频前端芯片121、所述功率放大器、所述UWB贴片天线122顺次电连接。通过所述功率放大器对所述射频前端芯片生成的信号进行放大，从而可使UWB定位标签的通讯距离达到500米以上。
本实用新型实施例中，所述UWB贴片天线122为UWB定位标签常用的UWB贴片天线。为了提高所述UWB贴片天线122的信号发射和接收质量，可选地，所述UWB贴片天线122为天线阵列结构。所述UWB贴片天线122采用小体积SMD贴片式设计，便于集成到所述UWB定位标签中。具体的，所述UWB贴片天线122为UWB陶瓷贴片天线。
本实用新型实施例中，所述射频前端芯片121为UWB定位标签常用的射频前端芯片。具体的，所述射频前端芯片121为SiliconWave的SW8110Q芯片。SW8110Q芯片具有良好的兼容性，能够有效提高CH1-CH4频段的传输距离。
继续参照图1所示
本实用新型实施例中，所述存储器140为UWB定位标签常用的存储器。所述存储器140用于存储所述UWB定位芯片130的定位脉冲发送参数及所述UWB定位脉冲收发装置120的通信参数。
本实用新型实施例中，所述微控制单元110为UWB定位标签常用的微控制单元。微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)，是把中央处理器(Central Process Unit；CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机。所述微控制单元110用于生成所述UWB定位芯片130的定位脉冲发送参数和用于生成所述UWB定位脉冲收发装置120的通信参数，以及用于基于定位脉冲发送参数控制所述UWB定位芯片向130至少三个所述UWB定位基站发送定位脉冲。所述微控制单元110具体可以是意法半导体公司的STM32主控芯片。
本实用新型实施例中，所述无线通信电路170为UWB定位标签或者UWB定位基站常用的无线通信电路。若所述UWB定位系统采用上位机或者服务器来获得所述UWB定位标签的实时三维定位数据和动态三维预估定位数据，且上位机或者服务器能够同所述UWB定位标签和至少三个所述UWB定位基站组成无线局域网络，则所述无线通信电路170为蓝牙无线通信电路、ZigBee无线通信电路、Wi-Fi无线通信电路中的一种，其所应对的应用场景是室内场景，矿井场景，隧道场景中对运动目标物体进行定位；若所述UWB定位系统采用上位机、服务器、云平台来获得所述UWB定位标签的实时三维定位数据和动态三维预估定位数据，上位机、服务器、云平台与所述UWB定位标签和至少三个所述UWB定位基站无法组成无线局域网络，则所述无线通信电路170为移动通信的网卡电路，其所应对的应用场景是室外空旷地带场景中对运动目标物体进行定位。
本实用新型实施例中，所述可充电电池180为UWB定位标签常用的可充电电池。所述可充电电池180通常为锂电池，其形状结构可以是纽扣电池、柱状电池中的一种。
本实用新型实施例中，所述UWB定位标签还可包括显示屏，所述显示屏与所述微控制单元110电连接，用于显示所述UWB定位标签的工作状态及工作参数。
图3示出了本实用新型实施例中的UWB定位系统的示意性结构图。
现参照图3所示，本实用新型实施例中的UWB定位系统10，所述UWB定位系统10包括本实用新型实施例中的UWB定位标签100。
本实用新型实施例中，所述UWB定位系统10还包括至少三个UWB定位基站200，上位机300或管理平台，所述UWB定位标签100与至少三个所述UWB定位基站200通信连接，所述UWB定位标签100和至少三个所述UWB定位基站200与所述上位机300或管理平台通过无线网络通信连接。
本实用新型实施例中，所述管理平台具体可以是基于服务器的管理平台，也可以是基于云平台的管理平台。
应理解，本实用新型实施例中的UWB定位系统10，是包含本实用新型实施例中的UWB定位标签100的系统。为描述的方便和简洁，有关本实用新型实施例中的UWB定位系统10的说明，可参照本实用新型实施例中的UWB定位标签100的相关说明，在此不再赘述。

Claims (8)

1.UWB定位标签，应用于能够对空中运动目标物体进行定位的UWB定位系统；其特征在于，所述UWB定位标签包括：
UWB定位脉冲收发装置，用于发送定位脉冲和接收定位响应脉冲；
UWB定位芯片，所述UWB定位芯片电连接所述UWB定位脉冲收发装置，用于通过所述UWB定位脉冲收发装置向所述UWB定位系统中的至少三个UWB定位基站分别发送定位脉冲，以及用于在收到至少三个所述UWB定位基站中的任何一个返回的定位响应脉冲后再向对应的所述UWB定位基站发送定位脉冲，以使至少三个所述UWB定位基站能够获得其与所述UWB定位标签的实时距离数据；
存储器，用于存储所述UWB定位芯片的定位脉冲发送参数及所述UWB定位脉冲收发装置的通信参数；
微控制单元，所述微控制单元与所述UWB定位芯片、所述存储器均电连接；所述微控制单元用于生成所述UWB定位芯片的定位脉冲发送参数和用于生成所述UWB定位脉冲收发装置的通信参数，以及用于基于定位脉冲发送参数控制所述UWB定位芯片向至少三个所述UWB定位基站发送定位脉冲；
气压传感器，所述气压传感器与所述微控制单元电连接，用于获取所述UWB定位标签所在位置的实时气压数据并传送给所述微控制单元；
运动传感器，所述运动传感器与所述微控制单元电连接，用于获取所述UWB定位标签的运动数据并传送给所述微控制单元；
无线通信电路，所述无线通信电路与所述微控制单元电连接，以使所述微控制单元基于所述无线通信电路通过无线网络将所述UWB定位标签的实时气压数据和运动数据发送给与至少三个所述UWB定位基站通信连接的上位机或管理平台，以使所述上位机或管理平台能够基于所述UWB定位标签的实时气压数据生成实时高度数据，再基于所述UWB定位标签的实时距离数据和实时高度数据生成所述UWB定位标签的实时三维定位数据，以及再基于所述UWB定位标签的运动数据生成所述UWB定位标签的预估三维定位数据；
可充电电池，所述可充电电池用于为所述UWB定位标签的用电单元供电。
2.根据权利要求1所述的UWB定位标签，其特征在于，所述UWB定位脉冲收发装置包括UWB贴片天线，与所述UWB贴片天线电连接的射频前端芯片，所述射频前端芯片电连接所述微控制单元。
3.根据权利要求2所述的UWB定位标签，其特征在于，所述UWB定位脉冲收发装置还包括功率放大器，所述射频前端芯片、所述功率放大器、所述UWB贴片天线顺次电连接。
4.根据权利要求2或3所述的UWB定位标签，其特征在于，所述UWB贴片天线为UWB陶瓷贴片天线。
5.根据权利要求2或3所述的UWB定位标签，其特征在于，所述射频前端芯片为SiliconWave的SW8110Q芯片。
6.根据权利要求1所述的UWB定位标签，其特征在于，所述UWB定位芯片为DecaWave的DW1000芯片。
7.根据权利要求1所述的UWB定位标签，其特征在于，所述运动传感器为陀螺仪或惯性传感器。
8.UWB定位系统，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的UWB定位标签。
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