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(dòng)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(dòng)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(diǎn)。

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(hào)會(huì)嚴(yán)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(duì)標(biāo)簽密集布點(diǎn)，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(dú)工作，但是慣性導(dǎo)航收到漂移誤差積累的影響不能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間或長(zhǎng)距離的定位。現(xiàn)行UWB定位大都采用信號(hào)到達(dá)時(shí)間進(jìn)行定位，需要實(shí)現(xiàn)基站與標(biāo)簽之間時(shí)鐘同步，且定位數(shù)據(jù)均是由基站傳輸給定位終端，這會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上定位系統(tǒng)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種簡(jiǎn)單的、成本低的并且定位精度高的可用于室內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)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(shí)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(biāo)上的標(biāo)簽，至少四個(gè)固定在室內(nèi)坐標(biāo)已知的基站，以及一個(gè)定位終端。

進(jìn)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(jī)、電池；標(biāo)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(jī)、電池、ZigBee模塊；所述USB接口負(fù)責(zé)對(duì)電池充電以及對(duì)單片機(jī)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(gè)模塊進(jìn)行供電；標(biāo)簽ZigBee模塊與單片機(jī)通過串口連接，單片機(jī)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(jī)、電腦主機(jī)、USB轉(zhuǎn)串口模塊；所述單片機(jī)與ZigBee通訊模塊通過UART串口進(jìn)行連接；所述定位終端的ZigBee模塊與服務(wù)器通過USB連接。

進(jìn)一步的，所述標(biāo)簽和基站之間采用雙向測(cè)距方式獲取到各基站的距離信息，基站與標(biāo)簽之間無需進(jìn)行時(shí)鐘同步。

進(jìn)一步的，標(biāo)簽到各基站的距離信息由標(biāo)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(jìn)一步的，標(biāo)簽和基站之間的雙向測(cè)距方式采用雙向測(cè)距的“Using three messages”通訊方式獲得標(biāo)簽與基站之間信號(hào)飛行時(shí)間，具體操作如下：標(biāo)簽先基站發(fā)送定位請(qǐng)求數(shù)據(jù)包poll，并記錄發(fā)送時(shí)間poll_tx；基站于時(shí)間poll_tx接收并確認(rèn)請(qǐng)求定位數(shù)據(jù)包，然后延時(shí)至?xí)r間answer_tx發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)包；標(biāo)簽與時(shí)間answer_rx接收并確認(rèn)應(yīng)答數(shù)據(jù)包，然后延時(shí)至?xí)r間final_tx再次發(fā)送確認(rèn)數(shù)據(jù)包給基站，基站于時(shí)間final_rx接收到確認(rèn)數(shù)據(jù)包后，將之前的記錄的時(shí)間戳poll_rx，answer-tx以及final_rx打包發(fā)送給標(biāo)簽；標(biāo)簽匯總自身所記錄的時(shí)間戳poll_tx，answer-rx,final_tx以及基站發(fā)送來的時(shí)間戳進(jìn)行計(jì)算獲取信號(hào)飛行時(shí)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(biāo)簽到基站之間的直線距離。

進(jìn)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(jìn)行運(yùn)算獲取目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)，并對(duì)所獲得的三軸坐標(biāo)分別進(jìn)行限幅加權(quán)遞推均值濾波算法，獲取目標(biāo)物體的更精確的空間坐標(biāo)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：上述方案利用標(biāo)簽輪詢與通訊范圍內(nèi)基站進(jìn)行雙向測(cè)距，避免了標(biāo)簽和基站之間的需時(shí)鐘同步問題，并且采用標(biāo)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(yùn)算放在電腦上極大減小單片機(jī)的負(fù)擔(dān)使定位延時(shí)更?。徊捎孟薹訖?quán)遞推均值濾波算法對(duì)所獲得的三維坐標(biāo)分別進(jìn)行處理，使定位精度更高。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明實(shí)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(shí)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(shí)施例一種基于UWB的三維室內(nèi)定位系統(tǒng)的標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)原理示圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)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(shí)施例一種基于UWB的三維室內(nèi)定位系統(tǒng)基站與標(biāo)簽之間雙向測(cè)距時(shí)標(biāo)記時(shí)間戳的時(shí)間軸。

圖6為本發(fā)明實(shí)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(shí)施方式：

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一部的說明：

如圖1所示：本發(fā)明實(shí)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(biāo)上的標(biāo)簽，至少四個(gè)固定在室內(nèi)坐標(biāo)已知的基站，以及一個(gè)定位終端。系統(tǒng)的信息流為：標(biāo)簽和基站之間進(jìn)行UWB雙向通訊獲取標(biāo)簽到各基站之間的距離信息，基站與標(biāo)簽之間無需進(jìn)行時(shí)鐘同步；標(biāo)簽將到各基站之間的距離信息進(jìn)行打包，通過ZigBee通訊模塊傳輸給定位終端，定位終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的解算，得到定位目標(biāo)的空間坐標(biāo)。

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(jī)、電池；標(biāo)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(jī)、電池、ZigBee模塊；定位終端包含ZigBee模塊、單片機(jī)、電腦主機(jī)、USB轉(zhuǎn)串口模塊；其中單片機(jī)與UWB通訊模塊通過SPI接口進(jìn)行連接，單片機(jī)控制UWB信號(hào)的收發(fā)；標(biāo)簽ZigBee模塊與單片機(jī)通過串口連接，用于距離信息的傳輸；所述USB接口負(fù)責(zé)對(duì)電池充電以及對(duì)單片機(jī)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(gè)模塊進(jìn)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(shí)施例一種基于UWB的三維室內(nèi)定位系統(tǒng)，標(biāo)簽和基站之間的雙向測(cè)距方式采用雙向測(cè)距的“Using three messages”通訊方式獲得標(biāo)簽與基站之間信號(hào)飛行時(shí)間，標(biāo)簽先基站發(fā)送定位請(qǐng)求數(shù)據(jù)包poll，并記錄發(fā)送時(shí)間poll_tx；基站于時(shí)間poll_tx接收并確認(rèn)請(qǐng)求定位數(shù)據(jù)包，然后延時(shí)至?xí)r間answer_tx發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)包；標(biāo)簽與時(shí)間answer_rx接收并確認(rèn)應(yīng)答數(shù)據(jù)包，然后延時(shí)至?xí)r間final_tx再次發(fā)送確認(rèn)數(shù)據(jù)包給基站，基站于時(shí)間final_rx接收到確認(rèn)數(shù)據(jù)包后，將之前的記錄的時(shí)間戳poll_rx，answer-tx以及final_rx打包發(fā)送給標(biāo)簽；標(biāo)簽匯總自身所記錄的時(shí)間戳poll_tx，answer-rx,final_tx以及基站發(fā)送來的時(shí)間戳進(jìn)行計(jì)算獲取信號(hào)飛行時(shí)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(biāo)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(biāo)簽確定通信范圍內(nèi)基站的個(gè)數(shù)，如果基站個(gè)數(shù)少于四個(gè)，不能實(shí)現(xiàn)空間定位，標(biāo)簽繼續(xù)查詢基站個(gè)數(shù)；當(dāng)基站個(gè)數(shù)大于等于四個(gè)的時(shí)候，標(biāo)簽輪詢對(duì)基站進(jìn)行雙向測(cè)距獲取標(biāo)簽到各基站之間的距離信息，然后對(duì)距離信號(hào)進(jìn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，獲取定位目標(biāo)當(dāng)前的空間坐標(biāo)并利用限幅加權(quán)遞推均值濾波算法對(duì)所獲得的三維坐標(biāo)分別進(jìn)行處理，獲得精度更高定位坐標(biāo)。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的一種實(shí)施方法，其描述較為具體和詳細(xì)，不能因此理解為對(duì)發(fā)明專利的限制。對(duì)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(jìn)，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。