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CN114697894A - 一种室内定位方法、终端以及系统 - Google Patents

一种室内定位方法、终端以及系统 Download PDF

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CN114697894A CN202011636500.6A CN202011636500A CN114697894A CN 114697894 A CN114697894 A CN 114697894A CN 202011636500 A CN202011636500 A CN 202011636500A CN 114697894 A CN114697894 A CN 114697894A
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Abstract

一种室内定位方法、终端以及系统，涉及定位技术领域，可以实现三维空间定位，该方法具体包括：第一电子设备包括固定设置于其中的至少三个用于发送和接收UWB信号的天线，其中任两个天线在铅垂方向和/或水平方向具有距离差，且任两个天线之间的距离小于或等于阈值，第一电子设备根据至少三个天线的结构关系确定导航坐标系；第一电子设备接收到第二电子设备请求测量位置的请求后，第一电子设备根据测量第二电子设备与第一电子设备的距离，并利用第二电子设备发送的UWB信号到达至少三个天线的相位差确定第二电子设备相对第一电子设备的方向，根据距离和方向确定第二电子设备在导航坐标系中的坐标。

Description

一种室内定位方法、终端以及系统
技术领域
本申请涉及定位技术领域，尤其涉及一种室内定位方法、终端以及系统。
背景技术
随着智能家居的快速发展，智能设备的空间感知能力成为智能家居重要的发展方向。使能智能设备的空间感知能力后，通过用户与智能设备、智能设备与智能设备之间的空间交互可以大幅度提升智能家居的使用体验。
在智能家居中，一般采用基于超宽带(Ultra-Wide Band,UWB)的室内定位系统(简称为UWB系统)为在室内的智能设备(例如万能遥控器、手机)提供空间感知能力。在建立UWB系统时，需在室内安装至少三个UWB基站，并建立UWB系统的坐标系，然后基于三角定位原理，计算UWB标签(即待定位的设备)发射的UWB信号分别达到三个UWB基站的时间差，得到UWB标签的定位。
如图1所示，在建立UWB系统的坐标系时，先测得三个UWB基站之间的距离。然后以其中一个UWB基站(记为基站0)为坐标系的原点，以基站0和另一个UWB基站(记为基站1)的连线作为坐标系的Y轴，且基站0指向基站1的方向为Y轴的正方向。也就是说，基站1的坐标为(0，r，0)，其中r为基站0和基站1之间的距离。然后，在三个基站(即基站0、基站1和基站2)所在的平面内确定X轴，规定基站2位于坐标系的X轴的正方向。坐标系的Z轴垂直于XOY平面，但Z轴的正方向无法确定。也就是说，基站2的坐标为(x，y，0)，其中x和y可以根据基站2与基站0，以及基站2与基站1之间的距离和方向计算得到。
可以注意到，该建立UWB系统的坐标系方法无法确定Z轴的方向，故仅能实现对UWB标签实现水平面内的二维定位，不能实现三维的空间定位。可见，现有的UWB系统的定位方案有待完善。
发明内容
本申请提供的一种室内定位方法，可以基于第一电子设备自身配置的天线结构确定明确的坐标系，并且基于自身配置的天线结构测量得到第二电子设备在坐标系中的坐标，即实现对第二电子设备的三维空间定位。
为了实现上述目的，本申请实施例提供了以下技术方案：
第一方面、提供一种第一电子设备，第一电子设备包括至少三个天线，该至少三个天线固定设置与第一电子设备中，至少三个天线中任两个天线在铅垂方向和/或水平方向具有距离差，且至少三个天线中任两个天线之间的距离为小于或等于阈值，该至少三个天线用于发送和接收UWB信号，第一电子设备以第一方向安装，第一电子设备用于接收第二电子设备发送的第一UWB信号，并根据第一UWB信号，测量第二电子设备在第一坐标系中的位置，第一坐标系为根据至少三个天线的结构关系确定。
由此，在本申请的定位方法中，第一电子设备基于自身配置的天线结构确定第一坐标系(包括确定三轴和三轴的方向)，即导航坐标系，并且基于自身的天线结构测量得到第二电子设备在第一坐标系中的坐标。可见，本申请实施例提供的定位方法实现了基于一个第一电子设备对第二电子设备的三维空间定位。
另外，可以理解的是，当第一电子设备的位置发生变化时，第一电子设备无需重新确定坐标系，可直接继续测量第二电子设备的位置。可见，本申请中第一电子设备的定位效率高，且移动性好。
在一种可能的实现方式中，阈值为第一电子设备接收的UWB信号的波长。
也就是说，第二电子设备发送的UWB信号达到第一电子设备中不同天线的相位差大于0且小于2π，有利于第一电子设备确定第二电子设备相对于第一电子设备的方向。
在一种可能的实现方式中，至少三个天线中任两个天线在铅垂方向和/或水平方向具有距离差，包括：至少三个天线在铅垂面或水平面呈L型结构关系，或者，至少三个天线在铅垂面或水平面呈三角型结构关系。由此提供了几种第一电子设备中天线的具体结构关系。
在一种可能的实现方式中，至少三个天线包括第一天线、第二天线和第三天线，至少三个天线在铅垂面或水平面呈L型结构关系，包括：第一天线和第二天线的连线，垂直于第一天线和第三天线的连线；且，第一天线和第二天线之间的距离，以及第一天线和第三天线的距离，均为UWB信号的波长的二分之一；至少三个天线在铅垂面或水平面呈三角型结构关系，包括：第一天线和第二天线之间的距离，第一天线和第三天线的距离，以及第二天线和第三天线的距离，均为第一电子设备接收的UWB信号波长的二分之一。
在一种可能的实现方式中，第一坐标系为根据至少三个天线的结构关系确定，包括：第一坐标系的原点为第一天线所在的位置；第一坐标系的X轴位于第一天线和第二天线的连线上，且X轴的正方向为第二天线指向第一天线的方向；第一坐标系的Y轴为在水平面上与X轴垂直的方向；第一坐标系的Z轴位于铅垂线上，且Z轴的正方向与重力方向相反。
在一种可能的实现方式中，该至少三个天线包括第一天线、第二天线，第三天线和第四天线，那么至少三个天线中任两个天线在铅垂方向和/或水平方向具有距离差包括：第一天线和第二天线的连线平行于水平面，第三天线和第四天线的连线垂直于水平面；并且，在同一铅垂面上，第三天线和第四天线的连线垂直于第三天线和第四天线的连线；第一坐标系的原点为：第一天线和第二天线的连线，与第三天线和第四天线的连线的相交点；第一坐标系的X轴位于第一天线和第二天线的连线上，且X轴的正方向为所述第二天线指向第一天线的方向；第一坐标系的Y轴为在水平面上与X轴垂直的方向；第一坐标系的Z轴位于第三天线和第四天线的连线上，且Z轴的正方向与重力方向相反。由此提供了一种第一电子设备包含四个天线时，第一坐标系的确定方法。
在一种可能的实现方式中，第一电子设备的外壳上设置有标记，所述标记指示方向为第一方向；第一方向与第一坐标系中Z轴的正方向与重力方向相同或相反。
也就是说，第一电子设备可以设置有特定的标识(例如箭头或文字)，用于提示用户正确的安装方式或正确的放置方式，这样可以使得第一电子设备建立的U系的Z轴位于铅垂面上，便于后续根据U系的导航信息进行导航。
在一种可能的实现方式中，第一电子设备根据第一UWB信号，测量第二电子设备在第一坐标系中的位置，包括：第一电子设备根据第一UWB信号，测量第二电子设备和第一电子设备之间的第一距离，以及第二电子设备相对于第一电子设备的第一方向；第一电子设备根据第一距离和第一方向，确定第二电子设备在第一坐标系中的位置。
也就是说，在本申请中，是根据第一电子设备测量的第二电子设备与第一电子设备的距离，以及第二电子设备相对于第一电子设备的方向确定第二电子设备在第一坐标系中的位置。然而，在现有技术中，三个UWB基站需分别测得各个基站与第二电子设备的距离，根据三个距离确定第二电子设备的位置。可见，在本申请中，第二电子设备只需向第一电子设备请求测量位置，相较于现有技术中第二电子设备需向三个基站分别请求测量位置，本申请中减少了第二电子设备发送的请求的数量。
在一种可能的实现方式中，第一电子设备根据第一UWB信号，测量第二电子设备和第一电子设备之间的第一距离，以及第二电子设备相对于第一电子设备的第一方向，包括：第一电子设备采用双向测距法测量第二电子设备和第一电子设备之间的第一距离；以及，第一电子设备根据至少三个天线中不同天线接收到第二电子设备发送的第二UWB信号的相位差，确定第一方向。
其中，第二UWB信号，为第二电子设备发送的用于测量第一方向的UWB信号。也就是说，第一电子设备可基于三天线中任一个天线测得第一电子设备与第二电子设备的距离，以及基于三天线接收到第二电子设备发射信号的相位差，确定第二电子设备相对于第一电子设备的方向。
在一种可能的实现方式中，第一电子设备根据第一UWB信号，测量第二电子设备相对于第一电子设备的第一方向，还包括：第一电子设备根据至少三个天线中不同天线接收到第二电子设备发送的第二UWB信号的相位差，第二UWB信号的波长，以及至少三个天线中不同天线之间的距离，确定第一方向。
其中，第二UWB信号，为第二电子设备发送的用于测量第一方向的UWB信号。
在一种可能的实现方式中，第一方向包括第一角度α和第二角度β，第一角度α为第一电子设备测量到第二电子设备发送的第二UWB信号的水平来向与第一坐标系中X轴的夹角；第二角度β为第一电子设备测量到第二电子设备发送的第二UWB信号的铅垂来向与第一坐标系中Z轴的夹角。
在一种可能的实现方式中，当第一电子设备中至少三个天线为L型结构关系时，第一角度
Figure BDA0002876445990000031
第二角度
Figure BDA0002876445990000032
其中，
Figure BDA0002876445990000033
Figure BDA0002876445990000034
为第一天线测量到第二UWB信号的相位，
Figure BDA0002876445990000035
为第二天线测量到的第二UWB信号的相位，λ为第二UWB信号的波长，L1为第一天线和第二天线的距离；
Figure BDA0002876445990000036
Figure BDA0002876445990000037
为第三天线测量到第二UWB信号的相位，L2为第一天线和第三天线之间的距离。
在一种可能的实现方式中，第一电子设备根据第一距离和第一方向，确定第二电子设备在第一坐标系中的位置，具体包括：
Figure BDA0002876445990000038
其中，r为第一电子设备测量的第二电子设备与第一电子设备之间的距离，(x，y，z)为第二电子设备在第一坐标系中的坐标。
在一种可能的实现方式中，第一电子设备还用于：在第一电子设备根据第一UWB信号，测量第二电子设备在第一坐标系中的位置之后，将第二电子设备在第一坐标系中的位置发送给第二电子设备。
第二方面、提供一种室内定位方法，应用于包括第一电子设备和第二电子设备的系统，第一电子设备包括至少三个天线，至少三个天线固定设置于第一电子设备中；至少三个天线中任两个天线在铅垂方向和/或水平方向具有距离差，且至少三个天线中任两个天线之间的距离为小于或等于阈值；并且，第一电子设备以第一方向安装；方法包括：第一电子设备接收第二电子设备发送的第一UWB信号；第一电子设备根据第一UWB信号，测量第二电子设备在第一坐标系中的位置，第一坐标系为根据至少三个天线的结构关系确定。
一种可能的实现方式中，第一电子设备根据第一UWB信号，测量第二电子设备在第一坐标系中的位置，包括：第一电子设备根据第一UWB信号，测量第二电子设备和第一电子设备之间的第一距离，以及第二电子设备相对于第一电子设备的第一方向；第一电子设备根据第一距离和第一方向，确定第二电子设备在第一坐标系中的位置。
一种可能的实现方式中，第一电子设备根据第一UWB信号，测量第二电子设备和第一电子设备之间的第一距离，以及第二电子设备相对于第一电子设备的第一方向，包括：第一电子设备采用双向测距法测量第二电子设备和第一电子设备之间的第一距离；以及，第一电子设备根据至少三个天线中不同天线接收到第二电子设备发送的第二UWB信号的相位差，确定第一方向。
一种可能的实现方式中，第一电子设备根据第一UWB信号，测量第二电子设备相对于第一电子设备的第一方向，还包括：第一电子设备根据至少三个天线中不同天线接收到第二电子设备发送的第二UWB信号的相位差，第二UWB信号的波长，以及至少三个天线中不同天线之间的距离，确定第一方向。
一种可能的实现方式中，在第一电子设备根据第一UWB信号，测量第二电子设备在第一坐标系中的位置之后，方法还包括：第一电子设备将第二电子设备在第一坐标系中的位置发送给第二电子设备。
第三方面、提供一种室内定位系统，其特征在于，包括第一电子设备和第二电子设备，第一电子设备包括至少三个天线，至少三个天线固定设置于第一电子设备中；至少三个天线中任两个天线在铅垂方向和/或水平方向具有距离差，且至少三个天线中任两个天线之间的距离为小于或等于阈值；并且，第一电子设备以第一方向安装；第二电子设备，用于向第一电子设备发送第一UWB信号；第一电子设备，用于接收第一UWB信号，并根据第一UWB信号，测量第二电子设备在第一坐标系中的位置，第一坐标系为根据至少三个天线的结构关系确定。
第四方面、提供一种第一电子设备，包括：处理器、存储器、和UWB模块，所述存储器、所述UWB模块与所述处理器耦合，其中所述UWB模块包括至少三个天线，所述至少三个天线用于发送和接收UWB信号，其中，所述至少三个天线中任两个天线在铅垂方向和/或水平方向具有距离差，且所述至少三个天线中任两个天线之间的距离为小于或等于阈值，所述存储器用于存储计算机程序代码，所述计算机程序代码包括计算机指令，当所述处理器从所述存储器中读取所述计算机指令，以使得所述第一电子设备执行上述各方面及其中任一种可能的实现方式中所述的室内定位方法。
第五方面、提供一种第二电子设备，包括：处理器、存储器、UWB模块、IMU模块，所述存储器、所述UWB模块、所述IMU模块与所述处理器耦合，其中所述UWB模块包括至少一个天线，所述至少一个天线用于发送和接收UWB信号，所述IMU模块用于测量所述第二电子设备的姿态数据，所述存储器用于存储计算机程序代码，所述计算机程序代码包括计算机指令，当所述处理器从所述存储器中读取所述计算机指令，以使得所述第二电子设备执行如上述各方面及其中任一种可能的实现方式中所述的室内定位方法。
第六方面、提供一种装置，该装置包含在第一电子设备中，该装置具有实现上述方面及可能的实现方式中任一方法中第一电子设备行为的功能。该功能可以通过硬件实现，也可以通过硬件执行相应的软件实现。硬件或软件包括至少一个与上述功能相对应的模块或单元。例如，接收模块或单元、测量模块或单元、以及发送模块或单元等。
第七方面、提供一种装置，该装置包含在第二电子设备中，该装置具有实现上述方面及可能的实现方式中任一方法中第二电子设备行为的功能。该功能可以通过硬件实现，也可以通过硬件执行相应的软件实现。硬件或软件包括至少一个与上述功能相对应的模块或单元。例如，接收模块或单元、测量模块或单元、发送模块或单元，以及计算单元等。
第八方面、提供一种计算机可读存储介质，包括计算机指令，当计算机指令在第一电子设备上运行时，使得第一电子设备执行如上述各方面及其中任一种可能的实现方式中所述的方法。
第九方面、提供一种计算机可读存储介质，包括计算机指令，当计算机指令在第二电子设备上运行时，使得第二电子设备执行如上述各方面及其中任一种可能的实现方式中所述的方法。
第十方面、提供一种计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行如上述各个方面中及其中任一种可能的实现方式中所述的方法。
第十一方面、提供一种芯片系统，包括处理器，当处理器执行指令时，处理器执行如上述各个方面中及其中任一种可能的实现方式中所述的方法。
可以理解地，上述第二方面至第十一方面所提供的方法、装置、计算机可读存储介质、计算机程序产品所能达到的有益效果可参考上文所提供的第一方面以及任一种可能实现方式中的有益效果，此处不再赘述。
附图说明
图1为现有技术中建立UWB系统的坐标系的方法示意图；
图2为本申请提供的一种UWB系统的系统架构示意图；
图3为本申请提供的一种第一电子设备的结构示意图；
图4为本申请提供的一些第一电子设备中天线架构的示意图；
图5为本申请提供的另一些第一电子设备中天线架构的示意图；
图6A为本申请提供的又一些第一电子设备中天线架构的示意图；
图6B为本申请提供的又一些第一电子设备中天线架构的示意图；
图7为本申请提供的一种第二电子设备的结构示意图；
图8A为本申请提供的一些UWB系统的坐标系的示意图；
图8B为本申请提供的另一些UWB系统的坐标系的示意图；
图9为本申请提供的一些第一电子设备安装方向的提示方法的示意图；
图10为本申请提供的一种双向测距法的示意图；
图11为本申请提供的一种计算第二电子设备的方向的方法示意图；
图12为本申请提供的另一种计算第二电子设备的方向的方法示意图；
图13为本申请提供的一种基于UWB和IMU的联合定位方法的流程示意图；
图14为本申请提供的一种U系和b系坐标系转换方法的示意图；
图15为本申请提供的一种姿态角的示意图；
图16为本申请提供的另一种UWB系统的系统架构示意图。
具体实施方式
在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
以下结合附图，对本申请实施例提供的技术方案进行详细说明。
如图2所示，为本申请实施例提供的一种UWB系统的架构示意图。该定位系统包括第一电子设备100，以及第二电子设备200。
其中，上述第一电子设备100，具有UWB信号收发装置，该UWB信号收发装置包括至少三个天线。第一电子设备100可以根据收发装置中天线的相对位置构建UWB系统的坐标系(简称为U系)。进一步的，第一电子设备100还可以采用双向测距法，以及根据接收到其他设备(例如第二电子设备200)发送的UWB信号到达不同天线的相位差，计算出该设备的位置。
示例性的，第一电子设备100具体可以为UWB基站、智能音箱、智能电视、空气净化器、加湿器、智能灯具(如吸顶灯、台灯、香薰灯等)、台式电脑、路由器、智能插座、饮水机、冰箱、智能开关、智能门锁、客户前置设备(Customer Premise Equipment，CPE)、平板电脑、手机等，本申请对第一电子设备100具体形式不做限定。
请参见图3，其示出了一种第一电子设备100的结构示意图。
如图3所示，第一电子设备100可以包括处理器110，存储器120，通用串行总线(universal serial bus，USB)接口130，电源模块140，UWB模块150，无线通信模块160等。
可以理解的是，本发明实施例示意的结构并不构成对第一电子设备100的具体限定。在本申请另一些实施例中，第一电子设备100可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者不同的部件布置。图示的部件可以以硬件，软件或软件和硬件的组合实现。另外，本发明实施例示意的各模块间的接口连接关系，只是示意性说明，并不构成对第一电子设备100的结构限定。在本申请另一些实施例中，第一电子设备100也可以采用与图3不同的接口连接方式，或多种接口连接方式的组合。
处理器110可以包括一个或多个处理单元，不同的处理单元可以是独立的器件，也可以集成在一个或多个处理器中。例如，处理器210是一个中央处理器(centralprocessing unit，CPU)，也可以是特定集成电路(application specific integratedcircuit，ASIC)，或者是被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路，例如：一个或多个微处理器(digital signal processor，DSP)，或，一个或者多个现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)。
存储器120可以用于存储计算机可执行程序代码，所述可执行程序代码包括指令。例如，存储器120还可以存储处理器110处理后的数据，例如计算得到的第二电子设备200的位置，姿态等。此外，存储器120可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件，闪存器件，通用闪存存储器(universal flash storage，UFS)等。处理器110通过运行存储在存储器120的指令，和/或存储在设置于处理器中的存储器的指令，执行第一电子设备100的各种功能应用以及数据处理。
USB接口130是符合USB标准规范的接口，具体可以是Mini USB接口，Micro USB接口，USB Type C接口等。USB接口130可以用于连接充电器为第一电子设备100充电，也可以用于第一电子设备100与外围设备之间传输数据。
电源模块140用于为第一电子设备100的各个部件，如处理器210、存储器220等供电。
UWB模块150，可以提供应用在第一电子设备100上的基于UWB技术的无线通信的解决方案。其中，UWB技术不同于传统的通信技术，其通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来实现无线传输的。由于脉冲时间宽度极短，因此可以实现频谱上的超带宽，例如使用的带宽在500MHz以上。除了实现无线通信外，UWB技术还可以实现定位，具体的可以通过检测信号脉冲位置，并结合某些定位算法来计算信号在空中飞行的时间，该时间乘上信号在空中传输的速率(例如光速)即得到第二电子设备200和第一电子设备100之间的距离，并且本申请中，第一电子设备100还可以根据第二电子设备200发送的UWB信号达到不同天线的相位差，确定第二电子设备200相对于第一电子设备100的方向。从而达到定位功能的目标，精度可以达到厘米级别的精确定位。
在本申请中，UWB模块150中包含天线模块，该天线模块中包含至少三个天线，用于发送和接收UWB信号。第一电子设备100根据该天线模块中的各个天线的位置关系，构建UWB系统的坐标系。一般，当使用第一电子设备100进行定位时，可以将第一电子设备100安装在室内的墙壁或柜体上，或者放置在地面或桌面上。本申请中，利用天线模块中三个天线在水平方向和铅垂方向分别形成的距离差，确定UWB系统的坐标系。
在一些实施例中，当第一电子设备100处于使用定位功能时的姿态时，UWB模块150中各个天线可以呈现L型(或称为直角三角型)的结构关系。
例如，如图4中(1)、图4中(2)、图4中(3)、图4中(4)所示，UWB模块150中天线0和天线1在水平方向对齐，天线0和天线2在铅垂方向上对齐，即天线0、天线1和天线2在铅垂面上呈现L型的结构关系。在一些具体示例中，当第一电子设备100为智能电视、台式电脑、平板电脑、智能插座、智能开关、智能门锁、CPE等时，可以采用三个天线在铅垂面上呈L型的架构，占据第一电子设备100的水平方向的空间较小。
又例如，如图5中(1)、图5中(2)、图5中(3)、图5中(4)所示，UWB模块150中天线0、天线1和天线2位于同一水平面，且天线0和天线1的连线，垂直于天线0和天线2的连线。即，天线0、天线1和天线2也可以在水平面上呈现L型的结构关系。在另一些具体示例中，当第一电子设备100为智能音箱、空气净化器、饮水机、冰箱等时，可以采用三个天线在水平面上呈L型的架构，占据第一电子设备100的铅垂方向的空间较小。
示例性的，当UWB模块150中各个天线(包括天线0、天线1和天线2)呈L型的结构关系时，天线0与天线1，以及天线0与天线2之间的距离可以为小于或等于λ，例如为1/2λ。其中，λ为第一电子设备100待接收的信号(例如第二电子设备200发送的UWB信号)的波长。并且，天线0与天线1，以及天线0与天线2之间的距离可以相同，也可以不同。
在另一些实施例中，当第一电子设备100处于使用定位功能时的姿态时，UWB模块150中各个天线可以呈现三角型(如等边三角型、等腰三角型)的结构关系。
例如，如图6A中(1)、图6A中(2)、图6A中(3)和图6A中(4)所示，UWB模块150中天线0、天线1和天线2在铅垂面上呈现三角型的结构关系。在一些具体示例中，当第一电子设备100为智能电视、台式电脑、平板电脑、智能插座、智能开关、智能门锁、CPE等时，可以采用三个天线在铅垂面上呈L型的架构，占据第一电子设备100水平方向的空间较小。
又例如，如图6A中(5)和图6A中(6)中所示，UWB模块150中天线0、天线1和天线2也可以在水平面上呈现三角型的结构关系。在另一些具体示例中，当第一电子设备100为智能音箱、空气净化器、饮水机、冰箱等时，可以采用三个天线在水平面上呈L型的架构，占据第一电子设备100的铅垂方向的空间较小。
示例性的，当UWB模块150中各个天线(包括天线0、天线1和天线2)呈三角型的结构关系时，三天线中任两个天线之间的距离可以为小于或等于λ，例如为1/2λ。其中，λ为第一电子设备100接收的目标信号(例如第二电子设备200发送的UWB信号)的波长。例如，天线0与天线1之间的距离可以为小于或等于1/2λ；天线0与天线2之间的距离均小于或等于1/2λ。并且，三个天线中任两个天线之间的距离可以相同，也可以不同。
以上图4、图5、以及图6A是以UWB模块150中包含三个天线为例进行说明的，可以理解的是UWB模块150还可以包括大于三个天线的情况。例如，如图6B中(1)所示，UWB模块150包含天线0至天线3，四个天线成矩形结构。其中，任三个天线构成如前文所述的L型结构。又例如，如图6B中(2)所示，UWB模块150包含天线0至天线3，四个天线如图所示。其中，天线0、天线1和天线2构成如前文所述的L型结构。或者，其中天线1、天线2和天线3构成如前文所述的三角型结构。又例如，如图6B中(3)所示，UWB模块150包含天线0至天线3，四个天线形成菱形结构。其中，天线0、天线1和天线2构成如前文所述的三角型结构。或者，其中天线0、天线1和天线3构成如前文所述的三角型结构。又例如，如图6B中(4)所示，UWB模块150包含天线0至天线3，四个天线形成菱形结构。其中，天线0、天线1和天线2构成如前文所述的三角型结构。总之，本申请实施例中对UWB模块150的天线的具体数量不做限定。
可选的，第一电子设备100还可以包括无线通信模块160，以提供应用在第一电子设备100上的包括无线局域网(wireless local area networks，WLAN)(如无线保真(wireless fidelity，Wi-Fi)网络)，蓝牙(bluetooth，BT)，全球导航卫星系统(globalnavigation satellite system，GNSS)，调频(frequency modulation，FM)，近距离无线通信技术(near field communication，NFC)，红外技术(infrared，IR)等无线通信的解决方案。无线通信模块160可以是集成至少一个通信处理模块的一个或多个器件。无线通信模块160经由天线接收电磁波，将电磁波信号调频以及滤波处理，将处理后的信号发送到处理器110。无线通信模块160还可以从处理器110接收待发送的信号，对其进行调频，放大，经天线转为电磁波辐射出去。
其中，上述第二电子设备200，具有UWB信号收发装置，该UWB信号收发装置可用于发送UWB信号，以便第一电子设备100计算第二电子设备200的位置。
示例性的，上述第二电子设备200具体可以是UWB标签、手机、遥控器、可穿戴电子设备(智能手表、智能手环、VR眼镜等)、平板电脑、个人数字助理(personal digitalassistant，PDA)、手柄、空鼠等，本申请对第二电子设备200的具体形式也不做限定。
请参见图7，其示出了一种第二电子设备200的结构示意图。
如图7所示，第二电子设备200可以包括处理器210，存储器220，通用串行总线(universal serial bus，USB)接口230，电源模块240，UWB模块250，无线通信模块260等。可选的，第二电子设备200还可以包括IMU模块270。
可以理解的是，本发明实施例示意的结构并不构成对第二电子设备200的具体限定。在本申请另一些实施例中，第二电子设备200可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者不同的部件布置。图示的部件可以以硬件，软件或软件和硬件的组合实现。另外，本发明实施例示意的各模块间的接口连接关系，只是示意性说明，并不构成对第二电子设备200的结构限定。在本申请另一些实施例中，第二电子设备200也可以采用与图7不同的接口连接方式，或多种接口连接方式的组合。
UWB模块250，可以提供应用在第二电子设备200上的基于UWB技术的无线通信的解决方案。UWB模块250中包含天线模块，该天线模块中可以包含一个天线，用于发送和接收UWB信号，以便确定第二电子设备200与第一电子设备100的距离，以及第二电子设备200相对于第一电子设备100的方向。
一些示例中，第二电子设备200还可以包括惯性测量单元(inertial measurementunit，IMU)模块270。其中，IMU模块270可以包括三个加速度计和三个陀螺仪组成的组合单元，且加速度计和陀螺仪安装在互相垂直的测量轴上。其中，加速度计可以检测第二电子设备200在载体坐标系(简称为b系)中三轴上的加速度，以及b系围绕地理坐标系(简称为t系)中三轴的角速度。而后可以根据第二电子设备200测量到的角速度和加速度，解算出第二电子设备200的姿态。进一步的，根据第二电子设备200的姿态变化，可以计算出第二电子设备200的运动轨迹。然后，再结合第一电子设备100测量的第二电子设备200在一些时刻的位置，可以为第二电子设备200提供更加准确和连续的定位和导航。
另外，第二电子设备200中的上述处理器210，存储器220，USB接口230，电源模块240，以及无线通信模块260等部件的描述，可以参考上述图3中第一电子设备100中相关部件的描述，这里不再赘述。
还需要说明的是，图2所示的UWB系统除了包括具有上述特定天线架构(例如三天线架构)的第一电子设备100外，还可以包括具有其他天线架构的第三电子设备300，例如包括单天线架构的UWB基站，后续将结合具体的实施例进行说明。
下面结合附图以及具体的实施例，对本申请实施例提供的室内定位方法进行详细说明。
一、第一电子设备100建立UWB系统的坐标系(即建立U系)。
由于第一电子设备100中的多个天线在水平方向和/或铅垂方向具有距离差，可利用天线之间的距离差，建立UWB系统的坐标系。
例如，如图8A中(1)所示，当第一电子设备100中三个天线在铅垂面呈L型的结构关系时，可以以天线0的位置为U系的原点，以天线0和天线1的连线为U系的X轴，且天线1指向天线0的方向为X轴的正向。以天线0和天线2的连线为U系的Z轴，且天线0指向天线2的方向为Z轴的正方向。U系的Y轴垂直于三个天线所在平面，再结合右手定则，确定U系的Y轴的正方向。
这里需要说明的是，一些示例中，当用户在安装第一电子设备100时，第一电子设备100的外机上可以显示有特定的标识(例如箭头或文字)，用于提示用户正确的安装方式或正确的放置方式，这样可以使得第一电子设备100建立的U系的Z轴位于铅垂面上，便于后续用户根据U系的导航信息进行导航。如图8A中(1)所示，第一电子设备100的外机显示有箭头801，用于表示用于提示用户垂直安装或摆放第一电子设备100时，保持箭头801的方向与重力方向相反。例如，如图8A中(1)所示，第一电子设备100显示A面(或B面)的标记，提示用户电子设备的A面紧贴墙面安装。那么，Y轴的正方向为垂直于墙面，且指向墙外方向，即A面指向B面的方向，Z轴的正方向与重力方向相反。
当然，这里U系中三轴的命名，以及三轴的正方向也可以采用其他的定义。例如，天线0与天线1的连线为U系的Y轴，天线0指向天线1的方向为Y轴的正方向；以天线0和天线2的连线为U系的Z轴，且天线0指向天线2的方向为Z轴的正方向。再结合右手定则，确定U系的X轴的方向。一些示例中，为了后续计算的简便，可以将U系的Z轴设置在铅垂面，且Z轴的正方向与重力方向相反。
可见，根据第一电子设备100中三个天线的相对位置以及右手定则可以建立明确的坐标系，即确定坐标系的三轴以及三轴正方向。
又例如，如图8A中(2)所示，当第一电子设备100中三个天线在水平面呈L型的结构关系时，可以以天线0的位置为U系的原点，以天线0和天线1的连线为U系的X轴，且天线1指向天线0的方向为X轴的正向。以天线0和天线2的连线为U系的Y轴，且天线2指向天线0的方向为Y轴的正方向。U系的Z轴垂直于三个天线所在平面，再结合右手定则，确定U系的Z轴的正方向。
一些示例中，当用户在安装第一电子设备100时，第一电子设备100的外机上可以显示有特定的标识(例如箭头或文字)，用于提示用户正确的安装方式或正确的放置方式，这样可以使得第一电子设备100建立的U系的Z轴位于铅垂面上，便于后续用户根据U系的导航信息进行导航。如图8A中(2)所示，第一电子设备100的外机的B面显示有“此面向上”的文字902，用于提示用户水平安装或摆放第一电子设备100，保持“此面向上”的一面水平且向上。例如，如图8A中(2)所示，第一电子设备100的A面紧贴地面摆放。那么，Z轴的正方向为垂直于地面，且指向地上方向，即A面指向B面的方向。又例如，第一电子设备100的外机A面显示有“此面向下”的文字，用于提示用户水平安装或摆放第一电子设备100，保持“此面向下”的一面水平且向下。那么，Z轴的正方向仍然为垂直于地面，且指向地上方向，即A面指向B面的方向。
当然，这里U系中三轴的命名，以及三轴的正方向也可以采用其他的定义，这里不再赘述。
又例如，如图8A中(3)所示，当第一电子设备100中三个天线在水平面呈三角型的结构关系时，可以以天线0的位置为U系的原点，以天线0和天线1的连线为U系的X轴，且天线1指向天线0的方向为X轴的正向。在三个天线所在的平面内，以垂直于X轴直线为U系的Z轴，且天线2位于Z轴的正方向。再结合右手定则，确定U系的Y轴的方向。一些示例中，第一电子设备100的外机显示有箭头，用于表示用于提示用户垂直安装或摆放第一电子设备100时，保持箭头801的方向与重力方向相反，具体的安装方式可参照图8A中(1)中的安装方式，使得Z轴的正方向与重力方向相反。
当然，这里U系中三轴的命名，以及三轴的正方向也可以采用其他的定义，这里不再赘述。
又例如，如图8A中(4)所示，当第一电子设备100中三个天线在垂直面呈三角型的结构关系时，可以以天线0的位置为U系的原点，以天线0和天线1的连线为U系的X轴，且天线1指向天线0的方向为X轴的正向。在三个天线所在的平面内，以垂直于X轴直线为U系的Y轴，且天线2位于Y轴的负方向。再结合右手定则，确定U系的Z轴的方向。一些示例中，第一电子设备100的外机显示有文字，用于提示用户正确安装或摆放第一电子设备100，以使得第一电子设备100建立的U系的Z轴位于铅垂面上，便于后续用户根据U系的导航信息进行导航。具体的安装方式可参照图8A中(2)中的安装方式，使得Z轴的正方向与重力方向相反。
当然，这里U系中三轴的命名，以及三轴的正方向也可以采用其他的定义，这里不再赘述。
综上可见，根据第一电子设备100中三个天线的相对位置以及右手定则可以建立明确的坐标系，即确定U系的三轴以及三轴正方向。
另一些示例中，当用户在安装第一电子设备100时，若第一电子设备100具有屏幕，则屏幕也可以显示相应的提示信息，用于提示用户正确的安装方式或正确的放置方式。例如，屏幕上字体的正向代表了设备的正确的安装方式或正确的放置方式。又或者，用户可以通过第一电子设备100的控制设备(例如控制设备的智能家居的APP上)查看到第一电子设备100正确的安装方式或正确的放置方式。例如，手机为第一电子设备100的控制设备，可以运行智能家居的APP，如显示如图9所示的界面900。在界面900中，可以显示提示文字或动画901，提示“当前设备的安装方式错误，请翻转设备”。当然，也可以采用语音等其他方式提示用户正确的安装方式，本申请实施例对此不做限定。
上述实施例是以第一电子设备100中包括三个天线为例说明建立U系的方法。当第一电子设备100中包括更多的天线时，也可以采用其中具有上述L型结构或三角型结构的三个天线用于建立U系，具体建立方法同上。在另一些示例中，也可以结合更多的天线，构建U系。
例如，如图8B中(1)所示，第一电子设备100包含四个天线，分别为天线0至天线3。可以根据天线0至天线2形成的三角型结构，采用前文所述的构建方法建立如图8B中(1)所示的U系。其中，U系的原点位于天线0的位置。或者，如图8B中(2)所示，将天线0和天线1的连线，与天线2和天线3的连线的交点确定为U系的原点。天线1指向天线0的方向为X轴的正方形，原点指向天线2的位置为Z轴的正方形，垂直于X轴和Y轴所在平面的方向为Y轴的方向。换言之，基于本申请实施例的U系的建立方法的变形，也应涵盖在本申请的保护范围之内。
二、第一电子设备100测量第二电子设备200的距离和方位。
具体的，第一电子设备100可基于三天线中任一个天线测得第一电子设备100与第二电子设备200的距离，以及基于三天线接收到第二电子设备200发射信号的相位差，确定第二电子设备200相对于第一电子设备100的方向。
(1)测量与第二电子设备200的距离。
示例性的，第一电子设备100可以采用双向测距法，测得第一电子设备100与第二电子设备200之间的距离，如记为r。其中，双向测距法包括单边双向测距(Single-sidedTwo-way Ranging，SS-TWR)和双边双向测距(Double-sided Two-way Ranging，DS-TWR)。这里以DS-TWR为例，对测距方法进行简单说明。
其中，DS-TWR方法中记录了两个第一电子设备100和第二电子设备200之间往返的时间戳，最后得到飞行时间。虽然DS-TWR方法增加了响应的时间，但会降低测距误差。双边双向测距根据发送消息个数不同，分为两种方法：4消息方式和3消息方式。
例如，以3消息方式为例，第二电子设备200发送测距请求报文(即第一个报文)，并记录发送时间Ts1。第一电子设备100接收到请求报文后，记录接收时间Tr1。其中，Tr1与Ts1的时间差t，为报文在两个设备之间的传输时间。第一电子设备100对请求报文进行处理，耗时Treply 1。而后，第一电子设备100发送响应报文(即第二个报文)，并记录发送时间Ts2，第二电子设备200接收到该响应报文后，并记录接收时间Tr2。其中，Tr2与Ts2的时间差为t。第二电子设备200从发生第一个报文到接收到第二个报文的时间差为Tround1。第二电子设备200对响应报文进行处理，耗时Treply 2。第二电子设备200发送最后的报文(即第三个报文)，记录发送时间Ts3。第一电子设备100接收到第三个报文，并记录接收时间Tr3。其中，Tr3与Ts3的时间差为t。并且，第一电子设备100从开始发送第二个报文到接收到第三个报文的时间差为Tround2。于是，可采用下列公式(1)计算报文在两个设备之间的传输时间t，如下：
Figure BDA0002876445990000121
而后，两个设备之间的距离r＝c×t。其中，c为光速。
(2)测量第二电子设备200的方向。
其中，第二电子设备200的方向可理解为第一电子设备100测量到第二电子设备200发射信号的来向。在本申请中，可以用两个角度α和β来表示第二电子设备200发射信号的来向。其中，α为第一电子设备100测量到第二电子设备200发射的UWB信号的水平来向与X轴正轴的夹角，通常α∈[0,π]。其中，信号的水平来向可理解为第二电子设备200指向第一电子设备100的矢量在水平面(如U系的X轴和Y轴所在平面)的分量。β为第一电子设备100测量到第二电子设备200发射的UWB信号的铅垂来向与Z轴正轴的夹角，通常β∈[0,π]。其中，信号的铅垂来向可理解为第二电子设备200指向第一电子设备100的矢量在铅垂面(如U系的X轴和Z轴所在平面)的分量。
例如，如图11所示，第一电子设备100采用L型的三天线架构，第二电子设备200达到天线1时，水平来向与X轴正轴的夹角为α；第二电子设备200达到天线2时，水平来向与Z轴正轴的夹角为β。
由于通常第二电子设备200距离第一电子设备100的距离远大于第一电子设备100中三个天线之间的距离，故可以认为第二电子设备200达到三个天线的信号是平行。那么，根据光学知识可知，到达天线0的信号与到达天线1的信号的光程差
Figure BDA0002876445990000122
其中，相位差
Figure BDA0002876445990000123
Figure BDA0002876445990000124
为天线0测量到的第二电子设备200发送的信号的相位，
Figure BDA0002876445990000125
为天线1测量到的第二电子设备200发送的信号的相位，且
Figure BDA0002876445990000126
λ为第二电子设备200发送的信号的波长。由于天线0、天线1和天线2固定设置于第一电子设备100中，天线0和天线1之间的距离L1为已知的预设值，故可采用公式(2)计算到α的角度，如下：
Figure BDA0002876445990000127
类似的，到达天线0的信号与到达天线2的信号的光程差
Figure BDA0002876445990000128
其中，相位差
Figure BDA0002876445990000129
Figure BDA00028764459900001210
为天线2测量到的第二电子设备200发送的信号的相位，且
Figure BDA00028764459900001211
又因为天线0和天线1之间的距离L2(其中，L2和L1可以相等或不等)为已知，故可采用公式(3)计算到β的角度，如下：
Figure BDA00028764459900001212
又例如，如图12所示，第一电子设备100采用三角型(例如等边三角形)的三天线架构，第二电子设备200达到天线1时，水平来向与X轴正轴的夹角为α；第二电子设备200达到天线2时，水平来向与Z轴正轴的夹角为β。
其中，α的计算方法与L型天线架构相同，即采用公式(2)即可。
在计算β时，先计算到达天线1与天线0中间点的信号的相位
Figure BDA00028764459900001213
与到达天线2的信号的相位
Figure BDA00028764459900001214
之差，即为
Figure BDA00028764459900001215
再采用公式(4)，计算出达到天线1和天线0中间的的信号与达到天线2信号之间的光程差d2，而后采用公式(5)计算得到β，如下：
Figure BDA00028764459900001216
Figure BDA00028764459900001217
(3)计算第二电子设备200的坐标
在计算得到α和β后，进一步，根据第二电子设备200与第一电子设备100间的距离r，以及α、β，可以采用公式(6)计算出第二电子设备200在UWB系统中坐标(x，y，z)，如下：
Figure BDA0002876445990000131
可见，第一电子设备100可以实时记录第二电子设备200的坐标，从而得到第二电子设备200的路线变化，从而为第二电子设备200提供导航信息。
在一些示例中，第一电子设备100在计算得到第二电子设备200的坐标信息后，可以基于获得的第二电子设备200的位置，提供相应的服务。例如，第一电子设备100根据第二电子设备200的位置变化，为第二电子设备200提供导航信息。具体的，第一电子设备100可以采用UWB的连接方式(即通过UWB模块150)向第二电子设备200发送导航信息。可选的，第一电子设备100也可以发送第二电子设备200的位置信息。当然，第一电子设备100也可以通过其他连接方式(例如通过无线通信模块160，或者UWB接口130等)向第二电子设备200发送导航信息和位置信息。又例如，当第一电子设备100确定第二电子设备200处于预设位置时，为第二电子设备200提供预设服务。总之，本申请实施例对第一电子设备100计算得到第二电子设备200之后的应用不做具体限定。
由此，在本申请的定位方法中，第一电子设备100基于自身配置的天线结构确定UWB系统的坐标系(包括确定三轴和三轴的方向)，并且基于自身的天线结构测量得到第二电子设备200的位置和相对于第一电子设备100的方向。可见，本申请实施例提供的定位方法实现了基于一个第一电子设备100对第二电子设备200的定位。另外，当第一电子设备100的位置发生变化时，第一电子设备100无需重新确定坐标系，可直接继续测量其他设备(如第二电子设备200)的距离和方向。可见，本申请中第一电子设备100的定位效率高，且移动性好。
在本申请的另一些实施例中，第二电子设备200配置有IMU模块，可以采用基于UWB的定位方法和基于IMU的定位方法相结合，既有利于减小UWB系统定位时非视距环境导致的误差，又有利于抑制IMU的累积误差，从而提升定位准确性和连续性。
其中，基于IMU的定位方法，是通过IMU模块测量第二电子设备200在载体坐标系(b系，b系的原点位于第二电子设备200上)中的加速度，以及载体坐标系围绕地理坐标系(t系)三轴旋转的角速度，计算得到第二电子设备200的姿态。然后，根据第二电子设备200姿态的变化确定第二电子设备200的运动轨迹。进一步的，再结合基于UWB的定位方法测量的第二电子设备200在一些时刻的位置，可以对基于IMU的定位方法得到的运动轨迹的累积误差进行矫正，得到准确的运动轨迹，提升定位的准确性。或者，在基于UWB的定位方法中，在UWB信号差的区域，也可以结合基于IMU的定位方法得到的运动轨迹计算出第二电子设备200的实时位置，从而提供连续的导航信息。同时使用基于IMU的定位方法和基于UWB的定位方法也称为联合定位方法。
如图13所示，为本申请实施例提供的一种基于IMU和UWB的控制方法的流程示意图，如下：
S1300、第一电子设备建立U系。
如图14所示，第一电子设备100建立以O点为原点的U系。其中第一电子设备100建立U系的方法可参考上述实施例中的相关描述，这里不再赘述。
S1301、第二电子设备接收到用户的测量指示。
示例性，用户可以通过操作第二电子设备200上的虚拟控件(如触摸屏上显示的控件)或实体按键、输入语音命令、执行预设的隔空手势等指示第二电子设备开始测量位置。或者，用户可以开启第二电子设备200的预设功能，当第二电子设备200确定该预设功能需要第二电子设备200位置时，也可以自动开始测量第二电子设备200的位置，即直接执行步骤S1302a和S1302b。
S1302a、第二电子设备请求第一电子设备测量第二电子设备的初始位置。
如图14所示，第二电子设备200位于P点时，向第一电子设备100发送UWB信号，用于请求测量第二电子设备200当前的位置，即请求测量P点在U系下的坐标，记为(xp，yp，zp)。此时，P点的位置可认为是第二电子设备的初始位置。
S1302b、第二电子设备位于初始位置且处于预设姿态时，启动IMU测量，用于测量第二电子设备在b系下的姿态数据。
需要说明的是，步骤S1302a和步骤S1302b可以同时执行，也可以先后执行，本申请实施例对两个步骤的执行顺序不做限定。
在一些示例中，当第二电子设备200接收到用户的测量指示后，或者确定开始测量第二电子设备200的位置时，可以提示用户执行预设操作，该预设操作可以使得第二电子设备200处于预设姿态，并启动IMU测量。其中预设姿态，例如可以是用户操作第二电子设备200，使得第二电子设备200的一个坐标轴(例如载体坐标系的Y轴，也称为第二电子设备的Y轴)的特定方向对准第一电子设备100。其中，IMU测量得到的姿态数据包括角速度(分别记为
Figure BDA0002876445990000141
Figure BDA0002876445990000142
和
Figure BDA0002876445990000143
)，以及加速度(分别记为
Figure BDA0002876445990000144
和
Figure BDA0002876445990000145
)。
需要说明的是，后续第一电子设备100测量得到的第二电子设备200的位置为U系下的坐标，而第二电子设备200启动IMU模块270测量的姿态数据为b系下的姿态数据，故后续联合定位时，需将b系上的姿态数据转换为U系上。这里，当第二电子设备200处于预设姿态时，可以建立U系和b系的关联，即此时b系可以认为是U系沿着U系的三个轴进行旋转得到的。并且，该预设姿态也可认为是IMU模块270测量时第二电子设备200的初始姿态。后续步骤S1305中将详细说明U系下的初始姿态，以及U系和b系的转换矩阵的具体计算方法。
S1303、第一电子设备测量第二电子设备的初始位置。
第一电子设备100采用双向测距法测量第二电子设备200的距离rp，利用第二电子设备200发送的UWB信号达到不同天线的相位差计算第二电子设备200的方向(例如，信号的水平来向α和铅垂来向β)，得到第二电子设备200在U系下的坐标(xp，yp，zp)。具体测量方法可参考前文的相关内容，这里不再详述。
S1304、第一电子设备向第二电子设备返回测量到的第二电子设备的初始位置。
S1305、第二电子设备基于UWB测量的初始位置计算在U系下的初始姿态，并计算U系和b系的转换矩阵。
以用户操作第二电子设备200，使得第二电子设备200的Y轴的正向对准第一电子设备100为例进行说明。如图14所示，根据上述步骤，第一电子设备100计算得到第二电子设备200在UWB系统中坐标(xp，yp，zp)，可认为b系原点P的坐标为(xp，yp，zp)。而此时，U系的原点O点在b系中的坐标为(0，rp，0)。
由于b系可认为是U系围绕U系的三个坐标轴进行旋转得到的，因此，旋转过程可用三个姿态角表示，分别为航向角ψ、俯仰角
Figure BDA0002876445990000146
和横滚角θ。可以理解的是，这个三个姿态角也可以认为是第二电子设备200在U系上的姿态角，即第二电子设备200的初始姿态可用航向角ψ、俯仰角
Figure BDA0002876445990000151
和横滚角θ来表示。
以下结合图15说明，以第二电子设备是手机为例，说明b系以及姿态角的含义。
如图15中(1)所示，b系(即手机的坐标系)的y轴和x轴为平行手机屏幕平面的方向，b系的z轴为垂直于手机屏幕的方向。其中，b系的y轴为沿着手机长度的方向，b系的x轴为沿着手机宽度的方向。且，此时b系与U系重合。
其中，横滚角θ为b系的Z轴与包含b系Y轴的铅垂面间的夹角，以手机向右倾斜为正。例如，如图15中(1)所示的手机沿着U系的Y轴旋转一定角度后，呈现如图15中(2)所示的位置。旋转后，b系的Y轴仍然与U系的Y轴重合，但b系的X轴和Z轴分别与U系的X轴和Z轴形成一定夹角，该夹角等于横滚角θ。
其中，俯仰角
Figure BDA0002876445990000152
为b系的Y轴与U系XOY面(即U系的X轴和Y轴所在平面)的夹角，以第二电子设备200抬头为正。
例如，如图15中(1)所示的手机沿着U系的X轴旋转一定角度后，呈现如图15中(3)所示的位置。旋转后，b系的X轴仍然与U系的X轴重合，但b系的Y轴和Z轴分别与U系的Y轴和Z轴形成一定夹角，该夹角等于俯仰角
Figure BDA0002876445990000153
其中，航向角ψ为b系Y轴在U系XOY面的投影与U系的Y轴间的夹角，以第二电子设备200的头部右偏航为正；
例如，如图15中(1)所示的手机沿着U系的X轴旋转一定角度后，呈现如图15中(4)所示的位置。旋转后，b系的Z轴仍然与U系的Z轴重合，但b系的X轴和Y轴分别与U系的X轴和Y轴形成一定夹角，该夹角等于航向角ψ。
另外，采用公式(7)计算得到U系和b系的转换矩阵
Figure BDA0002876445990000154
如下：
Figure BDA0002876445990000155
由于P点在U系中的坐标为(xp，yp，zp)，故向量OP在U系中可表达为
Figure BDA0002876445990000156
又由于第二电子设备200在P点时处于预设姿态，即这里是用户操作第二电子设备200的Y轴(即b系的Y轴)指向第一电子设备100，那么向量OP位于b系的Y轴上，向量OP在b系中可表达为
Figure BDA0002876445990000157
那么根据U系和b系的转换矩阵可以得到公式(8)，如下：
Figure BDA0002876445990000158
根据公式(7)和公式(8)可以计算得到：
Figure BDA0002876445990000159
在一些示例中，第二电子设备200位于U系Y轴的正向，那么根据重力的矢量在U系中的表达，和b系中的表达，可以计算得到公式(9)，如下：
Figure BDA0002876445990000161
其中，gU为第二电子设备200在U系下的重力加速度，为已知量。第二电子设备200可以通过IMU模块270测量到
Figure BDA0002876445990000162
和
Figure BDA0002876445990000163
其中，
Figure BDA0002876445990000164
为第二电子设备200在b系X轴上的加速度，
Figure BDA0002876445990000165
为第二电子设备200在b系Y轴上的加速度，
Figure BDA0002876445990000166
为第二电子设备200在b系Z轴上的加速度。
将公式(7)代入公式(9)，可以得到公式(10)，如下：
Figure BDA0002876445990000167
根据公式(10)，利用牛顿迭代法求解得到θ，其中θ∈(0,2π)。
由此，得到第二电子设备200的初始姿态(ψ、
Figure BDA0002876445990000168
和θ)，以及U系和b系之间的坐标转换矩阵
Figure BDA0002876445990000169
后续，第二电子设备可以基于U系的初始姿态、U系和b系的转换矩阵，以及IMU测量的姿态数据，计算第二电子设备在U系下的运动轨迹。可选的，还可以根据计算得到的第二电子设备在U系的运动轨迹，以及第一电子设备测量的位置进行联合定位或联合导航。
或者，第二电子设备可以基于U系和b系的转换矩阵，及IMU测量的姿态数据得到第二电子设备在U系下的姿态信息，执行该姿态信息对应的相关操作。可选的，也可以根据第二电子设备在U系下的姿态信息以及第一电子设备测量的位置，执行该姿态信息以及该位置对应的预设操作等。
总之，本申请实施例对建立U系坐标，以及计算得到第二电子设备的预设姿态以及U系和b系的转换矩阵之后的具体应用不做限定。
在本申请的又一些实施例中，如图16所示，上述UWB系统除了包括一个特定天线架构(例如三天线架构)的第一电子设备100和第二电子设备200之外，还可以包括一个或多个其他天线架构(例如单天线架构)的第三电子设备300。
在一些示例中，可以利用第一电子设备100对第二电子设备200进行初步定位，然后利用第三电子设备300测量第二电子设备200与第三电子设备300的距离，并对第一电子设备100测量的第二电子设备200的初步定位进行进一步修正，以得到第二电子设备200更加准确的定位。
例如，利用第一电子设备100，采用上述的定位方法，可以测量得到第三电子设备300的坐标，记为(xk，yk，zk，)，其中，k＝1,2，……，n。其中，n为大于或等于1的整数，UWB系统中包括n个第三电子设备300。
首先，利用第一电子设备100测量到第二电子设备200的位置的初值(x0，y0，z0)，如公式(11)所示：
Figure BDA00028764459900001610
其中，r为第一电子设备100测量得到的第二电子设备200与第一电子设备100的距离，α和β为第二电子设备200相对于第一电子设备100的方向。
然后，计算每个第三电子设备300与第二电子设备200之间的距离rk，其中，k＝1,2，……，n。并利用各个第三电子设备300与第二电子设备200之间的距离，建立公式(12)的方程组，其中，(x，y，z)为待计算的第二电子设备200的坐标。
Figure BDA0002876445990000171
其中，k＝1,2，……，n。 公式(12)
利用第一电子设备100与第二电子设备200之间的距离，建立公式(13)，如下：
Figure BDA0002876445990000172
针对公式(12)和公式(13)，采用牛顿迭代和最小二乘算法进行解算，得到修正后的第二电子设备200的坐标。需要说明的是，在采用牛顿迭代的过程中，仅需要对公式(12)进行线性化，且将第二电子设备200的位置的初值(x0，y0，z0)作为牛顿迭代的初值进行迭代。
可见，采用根据的第三电子设备300的测量数据可以提供对第二电子设备200的定位准确性。
在该示例的其他一些方案中，当第三电子设备300的数量为三个或三个以上时，根据三角定位的原理，可以确定出第二电子设备200的位置。那么，可以根据此三个第三电子设备300确定出的第二电子设备200的位置，与第一电子设备100测量出的第二电子设备200的位置进行修正，例如采用卡尔曼滤波法进行修正或者采用其他的方法进行修正，本申请实施例不做具体的限定。
另外，当第一电子设备100接收到第二电子设备200的信号不好时，也可以利用三个第三电子设备300测量出第二电子设备200的位置，提升对第二电子设备200的连续定位。
在该示例的另外一些方案中，可以利用第一电子设备100测量出至少三个第三电子设备300在U系下的坐标后，后续可以基于三角定位原理，直接使用所述至少三个第三电子设备300用于对第二电子设备200的定位。换言之，可以利用第一电子设备100快速建立U系坐标系，并测量出后续用于定位的第三电子设备300的坐标，而后直接使用第三电子设备300测量第二电子设备200的位置。此时，可以移走第一电子设备100。可见，该方案可以不用限定后续用于定位的第三电子设备300严格按照特定的位置进行安装或摆放，简化用户建立UWB系统的操作。
可以理解的是，上述终端等为了实现上述功能，其包含了执行各个功能相应的硬件结构和/或软件模块。本领域技术人员应该很容易意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，本申请实施例能够以硬件或硬件和计算机软件的结合形式来实现。某个功能究竟以硬件还是计算机软件驱动硬件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明实施例的范围。
本申请实施例可以根据上述方法示例对上述终端等进行功能模块的划分，例如，可以对应各个功能划分各个功能模块，也可以将两个或两个以上的功能集成在一个处理模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。需要说明的是，本发明实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请实施例各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：快闪存储器、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (22)

1.一种第一电子设备，其特征在于，所述第一电子设备包括至少三个天线，所述至少三个天线固定设置于所述第一电子设备中；所述至少三个天线中任两个天线在铅垂方向和/或水平方向具有距离差，且所述至少三个天线中任两个天线之间的距离为小于或等于阈值，所述至少三个天线用于发送和接收UWB信号；
所述第一电子设备以第一方向安装；
所述第一电子设备用于接收第二电子设备发送的第一UWB信号并根据所述第一UWB信号，测量所述第二电子设备在第一坐标系中的位置，所述第一坐标系为根据所述至少三个天线的结构关系确定。
2.根据权利要求1所述的第一电子设备，其特征在于，所述阈值为所述第一电子设备接收的UWB信号的波长。
3.根据权利要求1或2所述的第一电子设备，其特征在于，所述至少三个天线中任两个天线在铅垂方向和/或水平方向具有距离差，包括：
所述至少三个天线在铅垂面或水平面呈L型结构关系，或者，所述至少三个天线在铅垂面或水平面呈三角型结构关系。
4.根据权利要求3所述的第一电子设备，其特征在于，所述至少三个天线包括第一天线、第二天线和第三天线，
所述至少三个天线在铅垂面或水平面呈L型结构关系，包括：
所述第一天线和所述第二天线的连线，垂直于所述第一天线和所述第三天线的连线；且，所述第一天线和所述第二天线之间的距离，以及所述第一天线和所述第三天线的距离，均为UWB信号的波长的二分之一；
所述至少三个天线在铅垂面或水平面呈三角型结构关系，包括：
所述第一天线和所述第二天线之间的距离，所述第一天线和所述第三天线的距离，以及所述第二天线和所述第三天线的距离，均为所述第一电子设备接收的UWB信号波长的二分之一。
5.根据权利要求4所述的第一电子设备，其特征在于，所述第一坐标系为根据所述至少三个天线的结构关系确定，包括：
所述第一坐标系的原点为所述第一天线所在的位置；
所述第一坐标系的X轴位于所述第一天线和所述第二天线的连线上，且所述X轴的正方向为所述第二天线指向所述第一天线的方向；
所述第一坐标系的Y轴为在水平面上与所述X轴垂直的方向；
所述第一坐标系的Z轴位于铅垂线上，且所述Z轴的正方向与重力方向相反。
6.根据权利要求1-3任一项所述的第一电子设备，其特征在于，所述至少三个天线包括第一天线、第二天线，第三天线和第四天线，所述至少三个天线中任两个天线在铅垂方向和/或水平方向具有距离差包括：
所述第一天线和所述第二天线的连线平行于水平面，所述第三天线和所述第四天线的连线垂直于水平面；并且，在同一铅垂面上，所述第三天线和所述第四天线的连线垂直于所述第三天线和所述第四天线的连线；
所述第一坐标系的原点为：所述第一天线和所述第二天线的连线，与所述第三天线和所述第四天线的连线的相交点；
所述第一坐标系的X轴位于所述第一天线和所述第二天线的连线上，且所述X轴的正方向为所述第二天线指向所述第一天线的方向；
所述第一坐标系的Y轴为在水平面上与所述X轴垂直的方向；
所述第一坐标系的Z轴位于所述第三天线和所述第四天线的连线上，且所述Z轴的正方向与重力方向相反。
7.根据权利要求1-6任一项所述的第一电子设备，其特征在于，所述第一电子设备设置有标记，所述标记指示方向为所述第一方向；
所述第一方向与所述第一坐标系中Z轴的正方向与重力方向相同或相反。
8.根据权利要求1-7任一项所述的第一电子设备，其特征在于，所述第一电子设备根据所述第一UWB信号，测量所述第二电子设备在第一坐标系中的位置，包括：
所述第一电子设备根据所述第一UWB信号，测量所述第二电子设备和所述第一电子设备之间的第一距离，以及所述第二电子设备相对于所述第一电子设备的第一方向；
所述第一电子设备根据所述第一距离和所述第一方向，确定所述第二电子设备在第一坐标系中的位置。
9.根据权利要求8所述的第一电子设备，其特征在于，所述第一电子设备根据所述第一UWB信号，测量所述第二电子设备和所述第一电子设备之间的第一距离，以及所述第二电子设备相对于所述第一电子设备的第一方向，包括：
所述第一电子设备采用双向测距法测量所述第二电子设备和所述第一电子设备之间的所述第一距离；
以及，所述第一电子设备根据所述至少三个天线中不同天线接收到所述第二电子设备发送的第二UWB信号的相位差，确定所述第一方向。
10.根据权利要求8所述的第一电子设备，其特征在于，所述第一电子设备根据所述第一UWB信号，测量所述第二电子设备相对于所述第一电子设备的第一方向，还包括：
所述第一电子设备根据所述至少三个天线中不同天线接收到所述第二电子设备发送的第二UWB信号的相位差，所述第二UWB信号的波长，以及所述至少三个天线中不同天线之间的距离，确定所述第一方向。
11.根据权利要求10所述的第一电子设备，其特征在于，所述第一方向包括第一角度α和第二角度β，所述第一角度α为所述第一电子设备测量到第二电子设备发送的第二UWB信号的水平来向与所述第一坐标系中X轴的夹角；所述第二角度β为所述第一电子设备测量到第二电子设备发送的第二UWB信号的铅垂来向与所述第一坐标系中Z轴的夹角。
12.根据权利要求11所述的第一电子设备，其特征在于，当所述第一电子设备中所述至少三个天线为L型结构关系时，
所述第一角度
Figure FDA0002876445980000021
所述第二角度
Figure FDA0002876445980000022
其中，
Figure FDA0002876445980000023
Figure FDA0002876445980000024
为第一天线测量到所述第二UWB信号的相位，
Figure FDA0002876445980000025
为第二天线测量到的所述第二UWB信号的相位，λ为所述第二UWB信号的波长，L1为第一天线和第二天线的距离；
Figure FDA0002876445980000026
Figure FDA0002876445980000027
为第三天线测量到所述第二UWB信号的相位，L2为第一天线和第三天线之间的距离。
13.根据权利要求11或12所述的第一电子设备，其特征在于，所述第一电子设备根据所述第一距离和所述第一方向，确定所述第二电子设备在第一坐标系中的位置，具体包括：
Figure FDA0002876445980000031
其中，r为所述第一电子设备测量的所述第二电子设备与所述第一电子设备之间的距离，(x，y，z)为所述第二电子设备在所述第一坐标系中的坐标。
14.根据权利要求1-13任一项所述的第一电子设备，其特征在于，所述第一电子设备还用于：在所述第一电子设备根据所述第一UWB信号，测量所述第二电子设备在第一坐标系中的位置之后，将所述第二电子设备在所述第一坐标系中的位置发送给所述第二电子设备。
15.一种室内定位方法，其特征在于，应用于包括第一电子设备和第二电子设备的系统，所述第一电子设备包括至少三个天线，所述至少三个天线固定设置于所述第一电子设备中；所述至少三个天线中任两个天线在铅垂方向和/或水平方向具有距离差，且所述至少三个天线中任两个天线之间的距离为小于或等于阈值；并且，所述第一电子设备以第一方向安装；所述方法包括：
所述第一电子设备接收所述第二电子设备发送的第一UWB信号；
所述第一电子设备根据所述第一UWB信号，测量所述第二电子设备在第一坐标系中的位置，所述第一坐标系为根据所述至少三个天线的结构关系确定。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一电子设备根据所述第一UWB信号，测量所述第二电子设备在第一坐标系中的位置，包括：
所述第一电子设备根据所述第一UWB信号，测量所述第二电子设备和所述第一电子设备之间的第一距离，以及所述第二电子设备相对于所述第一电子设备的第一方向；
所述第一电子设备根据所述第一距离和所述第一方向，确定所述第二电子设备在第一坐标系中的位置。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一电子设备根据所述第一UWB信号，测量所述第二电子设备和所述第一电子设备之间的第一距离，以及所述第二电子设备相对于所述第一电子设备的第一方向，包括：
所述第一电子设备采用双向测距法测量所述第二电子设备和所述第一电子设备之间的所述第一距离；
以及，所述第一电子设备根据所述至少三个天线中不同天线接收到所述第二电子设备发送的第二UWB信号的相位差，确定所述第一方向。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一电子设备根据所述第一UWB信号，测量所述第二电子设备相对于所述第一电子设备的第一方向，还包括：
所述第一电子设备根据所述至少三个天线中不同天线接收到所述第二电子设备发送的第二UWB信号的相位差，所述第二UWB信号的波长，以及所述至少三个天线中不同天线之间的距离，确定所述第一方向。
19.根据权利要求15-18任一项所述的方法，其特征在于，在所述第一电子设备根据所述第一UWB信号，测量所述第二电子设备在第一坐标系中的位置之后，所述方法还包括：
所述第一电子设备将所述第二电子设备在所述第一坐标系中的位置发送给所述第二电子设备。
20.一种室内定位系统，其特征在于，包括第一电子设备和第二电子设备，所述第一电子设备包括至少三个天线，所述至少三个天线固定设置于所述第一电子设备中；所述至少三个天线中任两个天线在铅垂方向和/或水平方向具有距离差，且所述至少三个天线中任两个天线之间的距离为小于或等于阈值；并且，所述第一电子设备以第一方向安装；
所述第二电子设备，用于向所述第一电子设备发送第一UWB信号；
所述第一电子设备，用于接收所述第一UWB信号，并根据所述第一UWB信号，测量所述第二电子设备在第一坐标系中的位置，所述第一坐标系为根据所述至少三个天线的结构关系确定。
21.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括计算机指令，当所述计算机指令在第一电子设备上运行时，使得所述第一电子设备执行如权利要求15-19中任一项所述的室内定位方法。
22.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括计算机指令，当所述计算机指令在第二电子设备上运行时，使得所述第二电子设备执行如权利要求15-19中任一项所述的室内定位方法。
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