本發(fā)明涉及無線通信網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及到一種超帶寬室內(nèi)定位方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù):
人類70%-80%的活動發(fā)生在室內(nèi),因此基于位置服務(wù)在生活中變得越來越重要,尤其是利用移動設(shè)備通過位置感知來提供導(dǎo)航定位服務(wù)成為未來研究的重點。
室外定位一般使用GPS技術(shù),但是在室內(nèi)由于建筑物的遮擋,GPS信號會嚴重削弱,而且受到多路徑效應(yīng)的影響,存在定位困難和精度不足的問題。
現(xiàn)行的室內(nèi)定位技術(shù)主要有高精度GPS定位、WIFI定位技術(shù)、ZigBee定位技術(shù)、RFID射頻技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)和UWB技術(shù)等。WiFi定位和ZigBee定位誤差較大不適合室內(nèi)定位;RFID傳輸距離較近,需要對標簽密集布點,工程復(fù)雜并且成本較高;慣性導(dǎo)航可以不依賴外部設(shè)備單獨工作,但是慣性導(dǎo)航收到漂移誤差積累的影響不能進行長時間或長距離的定位?,F(xiàn)行UWB定位大都采用信號到達時間進行定位,需要實現(xiàn)基站與標簽之間時鐘同步,且定位數(shù)據(jù)均是由基站傳輸給定位終端,這會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
針對以上定位系統(tǒng)的缺點,本發(fā)明提出一種簡單的、成本低的并且定位精度高的可用于室內(nèi)移動目標定位的超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:
一種基于UWB的三維室內(nèi)定位系統(tǒng),包括固定在定位目標上的標簽,至少四個固定在室內(nèi)坐標已知的基站,以及一個定位終端。
進一步的,所述基站包括USB接口、電源管理模塊、穩(wěn)壓模塊、UWB通訊模塊、單片機、電池;標簽包括USB接口、電源管理模塊、穩(wěn)壓模塊、UWB通訊模塊、單片機、電池、ZigBee模塊;所述USB接口負責對電池充電以及對單片機燒錄程序;電池、電源管理模塊和穩(wěn)壓模塊構(gòu)成電源系統(tǒng)為整個模塊進行供電;標簽ZigBee模塊與單片機通過串口連接,單片機與UWB通訊模塊之間通過SPI接口連接;
定位終端包含ZigBee模塊、單片機、電腦主機、USB轉(zhuǎn)串口模塊;所述單片機與ZigBee通訊模塊通過UART串口進行連接;所述定位終端的ZigBee模塊與服務(wù)器通過USB連接。
進一步的,所述標簽和基站之間采用雙向測距方式獲取到各基站的距離信息,基站與標簽之間無需進行時鐘同步。
進一步的,標簽到各基站的距離信息由標簽打包后,該定位信息包通過zigbee通訊模塊發(fā)送給定位終端。
進一步的,標簽和基站之間的雙向測距方式采用雙向測距的“Using three messages”通訊方式獲得標簽與基站之間信號飛行時間,具體操作如下:標簽先基站發(fā)送定位請求數(shù)據(jù)包poll,并記錄發(fā)送時間poll_tx;基站于時間poll_tx接收并確認請求定位數(shù)據(jù)包,然后延時至時間answer_tx發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)包;標簽與時間answer_rx接收并確認應(yīng)答數(shù)據(jù)包,然后延時至時間final_tx再次發(fā)送確認數(shù)據(jù)包給基站,基站于時間final_rx接收到確認數(shù)據(jù)包后,將之前的記錄的時間戳poll_rx,answer-tx以及final_rx打包發(fā)送給標簽;標簽匯總自身所記錄的時間戳poll_tx,answer-rx,final_tx以及基站發(fā)送來的時間戳進行計算獲取信號飛行時間,
具體公式如下:
T_round1=answer_rx-poll_tx
T_reply1=answer_tx-poll_rx
T_round2=final_rx-answer_tx
T_reply2=final_tx-answer_rx
然后乘以光速獲得標簽到基站之間的直線距離。
進一步的,定位信息包經(jīng)ZigBee傳送給定位終端后,定位中端通過三邊定位進行運算獲取目標物體的三維坐標,并對所獲得的三軸坐標分別進行限幅加權(quán)遞推均值濾波算法,獲取目標物體的更精確的空間坐標。
本發(fā)明的優(yōu)點是:上述方案利用標簽輪詢與通訊范圍內(nèi)基站進行雙向測距,避免了標簽和基站之間的需時鐘同步問題,并且采用標簽打包到各基站的距離并發(fā)送給定位終端,極大地降低了定位系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本;定位數(shù)據(jù)的運算放在電腦上極大減小單片機的負擔使定位延時更小;采用限幅加權(quán)遞推均值濾波算法對所獲得的三維坐標分別進行處理,使定位精度更高。
附圖說明:
圖1為本發(fā)明實施例一種基于UWB的三維室內(nèi)定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2為本發(fā)明實施例一種基于UWB的三維室內(nèi)定位系統(tǒng)的基站的結(jié)構(gòu)原理示圖。
圖3為本發(fā)明實施例一種基于UWB的三維室內(nèi)定位系統(tǒng)的標簽的結(jié)構(gòu)原理示圖。
圖4為本發(fā)明實施例一種基于UWB的三維室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位終端的結(jié)構(gòu)原理示圖。
圖5為本發(fā)明實施例一種基于UWB的三維室內(nèi)定位系統(tǒng)基站與標簽之間雙向測距時標記時間戳的時間軸。
圖6為本發(fā)明實施例一種基于UWB的三維室內(nèi)定位系統(tǒng)定位流程圖。
具體實施方式:
下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖,對本發(fā)明作進一部的說明:
如圖1所示:本發(fā)明實施例基于UWB的三維室內(nèi)定位裝置及系統(tǒng)包括固定在定位目標上的標簽,至少四個固定在室內(nèi)坐標已知的基站,以及一個定位終端。系統(tǒng)的信息流為:標簽和基站之間進行UWB雙向通訊獲取標簽到各基站之間的距離信息,基站與標簽之間無需進行時鐘同步;標簽將到各基站之間的距離信息進行打包,通過ZigBee通訊模塊傳輸給定位終端,定位終端進行數(shù)據(jù)的解算,得到定位目標的空間坐標。
如圖2圖3和圖4所示:本發(fā)明基站包括USB接口、電源管理模塊、穩(wěn)壓模塊、UWB通訊模塊、單片機、電池;標簽包括USB接口、電源管理模塊、穩(wěn)壓模塊、UWB通訊模塊、單片機、電池、ZigBee模塊;定位終端包含ZigBee模塊、單片機、電腦主機、USB轉(zhuǎn)串口模塊;其中單片機與UWB通訊模塊通過SPI接口進行連接,單片機控制UWB信號的收發(fā);標簽ZigBee模塊與單片機通過串口連接,用于距離信息的傳輸;所述USB接口負責對電池充電以及對單片機燒錄程序;電池、電源管理模塊和穩(wěn)壓模塊構(gòu)成電源系統(tǒng)為整個模塊進行供電。定位終端的ZigBee模塊與服務(wù)器通過USB連接。本發(fā)明中UWB通訊模塊為dacaWave DWM1000芯片。
如圖5所示:本發(fā)明實施例一種基于UWB的三維室內(nèi)定位系統(tǒng),標簽和基站之間的雙向測距方式采用雙向測距的“Using three messages”通訊方式獲得標簽與基站之間信號飛行時間,標簽先基站發(fā)送定位請求數(shù)據(jù)包poll,并記錄發(fā)送時間poll_tx;基站于時間poll_tx接收并確認請求定位數(shù)據(jù)包,然后延時至時間answer_tx發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)包;標簽與時間answer_rx接收并確認應(yīng)答數(shù)據(jù)包,然后延時至時間final_tx再次發(fā)送確認數(shù)據(jù)包給基站,基站于時間final_rx接收到確認數(shù)據(jù)包后,將之前的記錄的時間戳poll_rx,answer-tx以及final_rx打包發(fā)送給標簽;標簽匯總自身所記錄的時間戳poll_tx,answer-rx,final_tx以及基站發(fā)送來的時間戳進行計算獲取信號飛行時間,具體公式如下:
T_round1=answer_rx-poll_tx
T_reply1=answer_tx-poll_rx
T_round2=final_rx-answer_tx
T_reply2=final_tx-answer_rx
然后乘以光速獲得標簽到基站之間的直線距離。
如圖6所示:本發(fā)明一種基于UWB的三維室內(nèi)定位系統(tǒng)用于室內(nèi)定位的流程如下:
首先系統(tǒng)上電,標簽確定通信范圍內(nèi)基站的個數(shù),如果基站個數(shù)少于四個,不能實現(xiàn)空間定位,標簽繼續(xù)查詢基站個數(shù);當基站個數(shù)大于等于四個的時候,標簽輪詢對基站進行雙向測距獲取標簽到各基站之間的距離信息,然后對距離信號進行打包,通過ZigBee通訊模塊經(jīng)距離信息發(fā)送給定位終端;定位終端接收到距離信息包后,對數(shù)據(jù)進行解算,獲取定位目標當前的空間坐標并利用限幅加權(quán)遞推均值濾波算法對所獲得的三維坐標分別進行處理,獲得精度更高定位坐標。
以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的一種實施方法,其描述較為具體和詳細,不能因此理解為對發(fā)明專利的限制。對于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員來說,在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下,還可以做出若干改進,這些均屬于本發(fā)明的保護范圍。