[發明專利]一種基于UWB的自組網定位系統

有效

• 申請號: 202110869412.9
• 申請日: 2021-07-30
• 公開（公告）號: CN113490145B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 楊永輝;謝曉博;劉宏罡;楊艷秋;彭華洋
• 申請（專利權）人: 深圳市微能信息科技有限公司
• 主分類號: H04W4/02
• 分類號: H04W4/02;H04W4/80;H04W84/18
• 代理公司: 北京貴都專利代理事務所(普通合伙) 11649
• 代理人: 李新鋒

1.一種基于UWB的自組網定位系統，其特征在于，該系統包括:遠距離藍牙網關或UWB基站、1個或多個定點標簽、1個或多個附近標簽以及服務器;所述遠距離藍牙網關或UWB基站、1個或多個標簽以及服務器構成一個自組網定位系統;其中，所述遠距離藍牙網關或UWB基站通過安裝的高精度定位模塊獲取自身的坐標數據;每個所述定點標簽都可以與附近標簽雙向測距，并把測距信息通過廣播的方式，上傳給遠距離藍牙網關或UWB基站;所述服務器用于收集并記錄標簽信息 ，并對標簽進行定位，

該系統還包括TWR定位系統，所述TWR定位系統用于確定所述定點標簽的坐標節點(xi,yi)，i=1,2,....n;該坐標節點作為已知坐標節點;

根據已知坐標節點計算出未知坐標節點(x,y);

所述定點標簽已知位置坐標或者已知相對于UWB基站的坐標，并且UWB基站有高精度定位模塊，計算出定點標簽的坐標;

所述高精度定位模塊針對標簽測到的已知坐標節點數n來做判斷，已知坐標節點數分為n≥3，n=2和n=1三種情況;

所有定點標簽工作在一個頻段內，多個標簽時會存在同頻干擾，需要動態協調標簽測距的主從關系，避免同頻段干擾;標簽初始化后所有標簽默認工作在UWB基站接收模式，并開啟藍牙廣播和掃描，默認500ms廣播一次，廣播的信息中包含ID、主從關系標志位M、定點標簽標志位A和準定點標簽標志位F;

所述TWR定位系統包含有模塊A和模塊B;每個模塊從啟動開始即會生成一條獨立的時間戳;所述模塊A的發射機在其時間戳上的Tsp發射請求性質的脈沖信號，模塊B在TSR時刻發射一個響應性質的信號，被模塊A在自己的時間戳TRR時刻接收,再發送一個信號被模塊B在TRF接收;根據兩次數據計算出脈沖信號在兩個模塊之間的飛行時間T，從而確定飛行距離r，飛行時間T，從而確定飛行距離r可以表示為以下公式:

T=(2TRR-TSP-2TSP+TRP+TRF-TSF)/4;

r=T*C;其中，C為光速;

基于DW1000方案PDOA算法的測距方案如下，為實現tag的角度估計，UWB基站上放置兩個相同且間隔dλ/2天線,tag標簽上的某個信號到達兩個天線的相位差就在-180°到180°范圍內;利用測得的相位差?φ換算成距離差P=λ*?φ/(2π),利用飛行時間得到距離r,由幾何關系列方程組如下:

r^2=x^2+y^2;(x-d)^2+y^2=(r-P)^2;

最后得到tag標簽的定位坐標數據(x,y);

為了實現相對位置到絕對位置的轉化，通常會在定位基站中安裝北斗高精度定位模塊，并安裝3個已知坐標，或者相對于基站已知坐標的定點標簽作為位置初始化參考;

自組網定位原理:

A.定點標簽已知位置坐標，或者已知相對于基站的坐標，并且基站有高精度北斗定位模塊，可以計算出定點標簽的坐標;

B.周圍標簽和定點標簽測距，如果有標簽同時和3個定點標簽測到距離，則可以根據距離畫三個圓，其交點即為該標簽的坐標，該標簽隨即轉換為準定點標簽;

C.如果某定位標簽和任意3個定點標簽或者準定點標簽測到距離，也可以通過B中方式算出坐標，并轉換為準定點坐標;

D.如果有個別邊緣地帶的標簽，周圍可以測距到的定點或準定點標簽只有2個，則該標簽可由兩圓相交算出兩個坐標，其中有一個坐標靠近其他準定點標簽，另一個遠離其他標簽;由于靠近一側定位標簽理論上應該可以和其他標簽測到距離，只有遠離時測不到，所以取遠離其他標簽的外側坐標為理論坐標，平臺使用特殊顏色區別這兩個坐標點，標出該坐標即可;

E.如果有個別標簽只能和一個標簽測到距離，則可以把該標簽的位置顯示在該標簽以其測到距離畫的圓弧上，圓弧起點與終點在其他準定點標簽與準定點標簽3的延長線與圓的膠墊上;直到有其他標簽可以測距后再恢復定點;

F.單個標簽無法和其他標簽測到距時，位置顯示保留最后一次記錄，并特殊標記;標簽雙向測距動態協調自組網技術；

G.

考慮到UWB標簽全都工作在一個頻段內，多標簽時可能存在同頻干擾，因而需要動態協調標簽測距的主從關系，其工作機制如下:

1)所有標簽初始化后所有標簽默認工作在UWB接收模式，并開啟藍牙廣播和掃描，默認500ms廣播一次，廣播信息中包含一維轉發次數標致位N、UWB ID、主從關系標志位M、定點標簽標志位A、準定點標簽標志位F;其中，N=0代表原始測距包，N=其他整數數值代表測距包的轉發次數;Reserve數據中包括測距距離，測距雙方的標簽ID數據;主從關系標志位用以確認誰發起測距請求，默認情況下所有定點標簽做主M=1,其余標簽初始情況下都做從M=0;準定點標簽標志位F用以區分該標簽是否能通過測距確定自己的坐標，初始值F=0,表示未定位，后續隨著測距進行，修改F值，F=1單標簽定位，F=2雙標簽定位，F=3多標簽定位，定點標簽的F=3表示多標簽定位;廣播格式如下:

2)所有標簽藍牙部分在非廣播的其余時間掃描周圍標簽，記錄周圍標簽的各種標志位、ID和RSSI信息，T0 ,T0為數據更新周期;

3)定點標簽默認做主M=1，準定點標簽標志位F=3，使用基于UWBID為初始值的隨機延時函數后發起測距請求，請求信息中包含非定點標簽的ID信息，若某定點標簽在延時期間接收到其他標簽的測距請求，則繼續打開接收，并刷新隨機延時函數，延時結束若未接收到任何UWB數據包，則發起測距請求;定點標簽輪詢所有ID的標簽，若有測距失敗的標簽，則把其排到最后，直到輪詢完，或者測距周期T1超時，才算完成一個周期的測距;

4)非定點標簽默認做從,根據藍牙掃描到的信息中主從關系標志位，如果掃描數據中沒有主，則修改自身為主，并以自身ID為初始值隨機延時后發送UWB測距請求，如果延時期間接受到其他測距請求則繼續打開接收并刷新延時時間;然后輪詢所有ID的標簽，若有測距失敗的標簽，則把其排到最后，直到輪詢完，或者測距周期超時，才算完成一個周期的測距;

5)非定點標簽完成一個周期的測距后，統計測距成功的標簽中F=3的總個數N，若N2,則修改自身準定點標簽標志位F=3，若N=2，則F=2，若N2,則F=N;定點標簽不用做此判斷，其F=3一直成立;

6)刷新完F值后，所有測距主標簽M=1開始用藍牙廣播測距結果，由于測距是分時輪流完成的，所以緊隨其后的藍牙廣播也是分時輪流的;

7)從標簽檢測到包含測距結果的藍牙廣播后，可以把測距信息整理后廣播出去，并打上轉發次數的標記N，標簽可以設定轉發次數小于可以配置極限值次數NO的廣播;

8)廣播完成后或者超過一輪UWB測距加藍牙廣播所需的預設時間T2后，進入下一個測距周期，繼續2～7的循環;另外，針對測距失敗的標簽排隊到最后，也可以減少被遮擋標簽一直測不到距，而占用主標簽M=1較多時隙資源的問題，從而間接提高了標簽容量;此外UWB和藍牙結合的機制，也可以在降低功耗的同時，協調好標簽的主從關系M和定點關系A，以及確認自身定位情況F;同時測距結果通過藍牙上傳，也方便了藍牙網關或者其他有藍牙的工業平板，手機智能設備接收測距結果，進一步解析位置信息并顯示在地圖上;如果這些智能設備也搭配了測距標簽，還可以實現自身的定位與導航;由于該數據為標簽到工業平板或者智能手機的直接數據傳輸，不需要經過云平臺或者服務器轉發，位置數據的延時也將降到最低;基于標簽距離的高精度定位算法，針對標簽測到的已知坐標節點數來做判斷，當已知坐標節點數大于等于3時，可以采用如下采用了相鄰標簽距離模型的高精度定位算法設n個已知節點，n≥3，節點坐標分別為(x_i,y_i)，i=1,2,....n，未知節點坐標為(x，y)，未知節點與各已知節點的測量距離分別為di，i=1,2,....n

1.1)建立已知節點與未知節點距離方程；

1.2)方程組前n-1個方程減去第n個方程得到線性方程AX=b;

1.3)用最小二乘法求解.上述方程得X=(A^TA)^-1A^Tb;

該未知坐標節點的標簽坐標計算出來后，其節點狀態更新為已知坐標節點，并刷新所有未知節點周圍的已知節點數量，如此，對于其余和該標簽測到距的未知節點來說，其測到已知標簽數+1;不斷重復以上過程，直至所有測到3個不同標簽距離的標簽坐標全部算出;當己知坐標節點數為2時，直接采用幾何方式，解圓的方程算出兩圓的交點，并對交點位置進行判斷，舍去靠近其他節點的坐標即可;當已知坐標數為1時，以該己知坐標為圓心，以測到的距離為半徑，畫一個虛線圓，使用其他標簽到該已知坐標節點的延長線與圓的交點為邊界點，把遠離其他標簽的圓弧部分實線化代表該未知標簽的可能坐標位置;為提高標簽的精度，可以減小測距周期，并根據正態分布，對接收到達同一節點的一段時間內的所有距離值，首尾各去掉一部分，然后求平均再帶入上述流程中計算，86次測距后的距離統計，統計次數和距離基本呈正態分布，可以把首尾統計次數小于5的距離舍去，只計算靠近中心，統計次數大于5的距離平均值，此方法優于需要大量的測距，會增加功耗,此舉在標簽位置相對靜止的情況下，可以明顯提高坐標精度。