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CN110022574A - 一种uwb室内定位基站的自动配置方法 - Google Patents

一种uwb室内定位基站的自动配置方法 Download PDF

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CN110022574A
CN110022574A CN201910302367.1A CN201910302367A CN110022574A CN 110022574 A CN110022574 A CN 110022574A CN 201910302367 A CN201910302367 A CN 201910302367A CN 110022574 A CN110022574 A CN 110022574A
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CN
China
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base station
locating base
coordinate
unselected
positioning base
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CN201910302367.1A
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English (en)
Inventor
杨晓飞
王俊
叶辉
薛文涛
陶少俊
宋大鹏
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Jiangsu University of Science and Technology
Original Assignee
Jiangsu University of Science and Technology
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    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
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Abstract

本发明提供了一种UWB室内定位基站的自动配置方法，该方案采用选定的定位基站和未选定定位基站的配置，仅在选定定位基站配置绝对的GPS坐标。能够无需预先选择位置，无需对若干个未选定定位基站进行GPS坐标进行测量，即可得到精确的若干未选定定位基站的GPS坐标，实现一键自动化对定位基站的配置。

Description

一种UWB室内定位基站的自动配置方法
技术领域
本发明涉及的是UWB定位领域，尤其是UWB定位基站的自动化配置方法。
背景技术
在室内定位中，超宽带UWB(Ultra-Wide Band)技术利用功率谱密度低、脉冲宽度极窄的脉冲信号传输数据，具有时间分辨率极高、障碍穿透力强等特点，在视距LOS(Line-Of-Sight)环境下能获得厘米甚至毫秒级的测距和定位精度，适用于室内环境下的高精度定位。
在进行定位之前，首先要进行精密测量以确定基站的位置，而对基站位置的标定是较为困难的，尤其是在地面没有任何标志的情况下。这增加了UWB室内定位系统布置和展开时的难度，限制了系统的可移动性。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种基于两个选定定位基站(已知GPS坐标)自动配置若干未选定的定位基站的GPS坐标的方法。该方法能有效地减少配置定位基站所需的时间和费用，能够迅速布置室内定位所需要的定位基站，减小UWB室内定位系统布置和展开时的难度，增加系统的可移动性，达到迅速布置定位基站的目的。
技术方案：
采用配有多个模块的多个定位基站，包括UWB模块和控制模块，其中每个定位基站配备的UWB模块具有发送和接收基站编码信号的功能。将定位基站获得的基站编码发送时间与接收时间以相应通讯方式，使用无线通信模块传递至控制模块或者PC端，并随时更新定位基站的实时信息。
使用UWB模块将定位基站获得的基站编码发送时间与接收时间传递至控制模块，并随时更新定位基站的实时信息。控制模块用于对UWB模块发送的信息进行分析和计算，确定随机布置各个基站的具体位置信息。所述一种UWB室内定位基站的自动配置方法的具体步骤为：
步骤S10，在定位区域内设置两个选定定位基站和若干个未选定的定位基站：对各个定位基站编号，其中选定定位基站编号为1号和2号，其余未选定定位基站依次从3号编至n号；
步骤S20，分别测量各个定位基站之间的传输基站编码信号所用的时间，记为tm-n，m为发送编码信号的定位基站编号，n为接收编码信号的定位基站编号；
步骤S30，通过x＝t×c，计算出各个定位基站之间的距离；
步骤S40，每两个所述选定的定位基站构与一个所述未选定的定位基站造成虚拟三角形；通过GPS定位测量出两个选定的定位基站的GPS绝对坐标；通过已知的两个选定定位基站的绝对坐标和未选定的定位基站构造的虚拟三角形进行坐标转换；
优选的，将步骤S40中两个所述选定的定位基站的坐标分别设为(a1，b1)和(a2，b2)，所述未选定的定位基站的坐标设为(d1，d2)三个定位基站的距离分别为：a、b和d；将所述三个定位基站距离作为所述虚拟三角形的三条边。
优选的，所述坐标转换的方法为：将其中一个选定的定位基站的GPS坐标由笛卡尔坐标系(a1，a2)转化为极坐标系(rcosθ，rsinθ)，
步骤S50，计算未选定的定基站的坐标，通过余弦定理求出构造的虚拟三角形的各个内角A，B，D，将所述(a1，a2)看作虚拟原点，再以(a1，a2)与(b1，b2)之间的连线d作为起始边，则所求的定位基站坐标(d1，d2)相对于起始边的极坐标为(dcosA，dsinA)，计算未选定的定基站的GPS绝对坐标(d1，d2)＝(cosA+a1，sinA+a2)。
步骤S60依次求出其他的定位基站的坐标。
优选的，所有定位基站坐标确定后，在以选定的两个定位基站，重新构造虚拟三角形验证未选定定位基站的GPS坐标的准确性，实现定位基站坐标自我检测。
优选的，构造所述构造虚拟三角形要利用就近原则，应选择距离已知坐标的定位基站最近的未知坐标的定位基站。根据光速和时间的积算出各个基站之间的距离，在构建虚拟三角形前，先比较各个定位基站与选定基站之间的距离，如果某一个基站与选定基站之间的距离是最短的，则将这个基站作为虚拟三角形的第三个顶点。
本发明具有以下增益效果：
1、本发明采用UWB模块进行基站编码信号的传输，UWB具有抗多路径效应好、精度高、不需要载波调制等特点，能准确的测量出各个定位基站之间的距离信息。
2、本发明提供了一种可用于UWB定位的基站自标定方法，基站的位置可以自行标定，不需要人工测量，减小了UWB室内定位系统布置和展开时的难度，增加了系统的可移动性。
3、本发明在进行虚拟架构三角形时，选择的定位基站不同可以计算出不同定位基站的坐标，实现自我检测，提高基站自我标定的精确度。
所用定位基站自我标定的方法可以很容易地拓展至多个基站的情况，而且不用考虑定位基站的布置环境。
附图说明
为了更清楚说明本发明的技术方案，下面对实施步骤所需要使用的附图做简单的介绍，应当理解，以下附图仅示出本发明的实施例，因此不应该被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来说，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相关附图。
图1是本发明的流程图。
图2是本发明在构造虚拟三角形时的模型图。
图3是本发明在计算未选定的定位基站时进行坐标转换的示意图。
实施例一
一种UWB室内定位基站的自动配置方法：
步骤1、随机布置n个基于超宽带的定位基站，测量第一个和第二个定位基站的GPS绝对坐标，通过基站编码信号传输时间计算得出各个定位基站之间的距离信息。
步骤2、将两个选定的定位基站与其中一个最靠近选定的定位基站的未选定的定位基站构成一个三角形，通过余弦定理求出所构造三角形的各个内角。
步骤3、利用内角和三角形一条边构造极坐标系，将选定的定位基站的GPS坐标(笛卡尔坐标)转化为极坐标，将其中一个选定的定位基站坐标暂时设为原点的虚拟坐标，计算待求的未选定基站坐标，将求出的未选定基站极坐标转化为笛卡尔坐标，分别在X轴和Y轴加上虚拟原点原来的坐标，即求出未选定的定位基站坐标。
步骤4、将求出的未选定的定位基站划分为选定的定位基站，依次求出其他未选定定位基站的GPS坐标。将所有求出的定位基站的坐标进行汇总并处理，即可将所有定位基站投入使用，实现了定位基站的自动化配置。
步骤5、定位基站的自我标定的多次检测：在构造虚拟三角形时，进行随机构造，构造多个虚拟三角形，算出定位基站的坐标，多次比较定位基站的坐标，检验定位基站坐标的精确性。
步骤6、如果自我检测出现异常的数据，检测的坐标与计算出的坐标不符合，将这个基站周围的基站选择任意的两个基站与异常基站重新构造三角形，再次计算数据异常的基站，反复多次构造不同的虚拟三角形，比较计算出的坐标，选定重复率最高的数据。
在本说明书的描述中，参考术语“示例”、“实施例”等的描述意指结合该实施例或者示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或者示例。
尽管本发明的实施方案以公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人而言，可轻易地实现修改改进，因此在不背离权益要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种UWB室内定位基站的自动配置方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤S10，在定位区域内设置两个选定的定位基站和若干个未选定的定位基站：对各个定位基站编号，其中选定的定位基站编号为1号和2号，其余未选定的定位基站依次从3号编至n号；
步骤S20，分别测量各个定位基站之间的传输基站编码信号所用的时间，记为tm-n，m为发送编码信号的定位基站编号，n为接收编码信号的定位基站编号；
步骤S30，通过x＝t×c，(此处c代表光速)计算出各个定位基站之间的距离；
步骤S40，每两个所述选定的定位基站与一个所述未选定的定位基站造成虚拟三角形，通过GPS定位测量出两个选定的定位基站的GPS绝对坐标，通过已知的两个选定的定位基站和一个未选定的定位基站构造虚拟三角形，进行坐标转换；
步骤S50，计算未选定的定基站的坐标；
步骤S60，依次求出其他的定位基站的坐标；
步骤S70，校验坐标。
2.根据权利要求1所述的一种UWB室内定位基站的自动配置方法，其特征在于：将步骤S40中两个所述选定的定位基站的坐标分别设为(a1,b1)和(a2,b2)，所述未选定的定位基站的坐标设为(d1,d2)三个定位基站的距离分别为：a、b和d；将所述三个定位基站距离作为所述虚拟三角形的三条边。
3.根据权利要求2所述的一种UWB室内定位基站的自动配置方法，其特征在于：所述坐标转换的方法为：将其中一个选定的定位基站的GPS坐标由笛卡尔坐标系(a1，a2)转化为极坐标系(rcosθ,rsinθ),
4.根据权利要求3所述的一种UWB室内定位基站的自动配置方法，其特征在于：所述计算未选定的定位基站的坐标的方法为：
步骤S51，通过余弦定理求出构造的虚拟三角形的各个内角A,B,D；
步骤S52，将所述(a1，a2)看作虚拟原点，再以(a1，a2)与(b1,b2)之间的连线d作为起始边，则所求的定位基站坐标(d1，d2)相对于起始边的极坐标为(dcosA,dsinA)；
步骤S52，计算未选定的定基站的GPS绝对坐标(d1，d2)＝(cosA+a1，sinA+a2)。
5.根据权利要求1或3所述的一种UWB室内定位基站的自动配置方法，其特征在于：所述步骤S60的方法为：将求出的未选定的定位基站变更为选定的定位基站，将其他未选定的定位基站依次求得GPS绝对坐标，实现自动化配置定位基站。
6.根据权利要求1或3所述的一种UWB室内定位基站的自动配置方法，其特征在于：步骤S70所述坐标校验的方法为：
步骤S71，选择任意两个相邻的基站；
步骤S72，通过已知的基站之间的距离重新构造虚拟三角形；
步骤S73，通过选定两个基站的坐标求出三角形第三个点的坐标；
步骤S74，比较原来求出的坐标和这次求出的坐标是否吻合。
7.根据权利要求1或3所述的一种UWB室内定位基站的自动配置方法，其特征在于：构造所述虚拟三角形前，先比较各个未选定的定位基站与选定的定位基站之间的距离，选择一个与选定的定位基站最近的基站构建虚拟三角形。
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