[發(fā)明專利]基于隧道場景的GPS/UWB組合系統(tǒng)及標定方法

在審

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• 申請日: 2022-03-31
• 公開（公告）號: CN114660972A
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張慧;趙浩翔
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 成都方圓聿聯(lián)專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51241
• 代理人: 茍銘

本發(fā)明公開了基于隧道場景的GPS/UWB組合基站，包括兩種模塊；第一種模塊為基站模塊，基站模塊包括MCU控制模塊、供電模塊、通信模塊、GPS定位模塊和UWB定位模塊；GPS定位模塊和UWB定位模塊連接MCU控制模塊，MCU控制模塊連接供電模塊和通信模塊；第二種模塊為定位標簽，定位標簽包括MCU控制模塊、供電模塊、通信模塊和UWB定位模塊；UWB定位模塊連接MCU控制模塊，MCU控制模塊連接供電模塊和通信模塊；解決隧道內(nèi)不便進行絕對測量的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及隧道施工場景領(lǐng)域，特別是基于隧道場景的GPS/UWB組合基站及標定方法。

背景技術(shù)

目前隧道施工場景的定位以UWB超寬帶定位技術(shù)為主，超寬帶技術(shù)在短距離定位上有著精度高、抗多徑效應(yīng)強、功耗低的特點，在中短距離范圍的空間有非常好的定位效果，可以在隧道環(huán)境下進行高精度定位。超寬帶定位的局限性在于測量結(jié)果是基于基站的相對位置，若要得到目標在大地坐標系下的絕對位置，則需要對基站位置標定并進行坐標轉(zhuǎn)換計算。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是對被測目標進行絕對定位的最重要的技術(shù)手段，GPS系統(tǒng)能夠?qū)崟r、快速、準確的提供被測目標的位置、速度等信息，被廣泛應(yīng)用于戶外定位導(dǎo)航領(lǐng)域。GPS收發(fā)機需要處于室外良好觀測環(huán)境下，同時接收到四個以上衛(wèi)星的信號才能取得良好的定位結(jié)果，而在隧道環(huán)境存在衛(wèi)星信號衰減屏蔽嚴重的問題。

為了實現(xiàn)在隧道場景下的絕對定位需要將GPS與UWB定位技術(shù)相結(jié)合。目前GPS與UWB組合定位多用于目標在室內(nèi)室外頻繁切換的場景，方法可以總結(jié)為根據(jù)標簽的狀態(tài)在GPS定位與UWB定位兩種方法之間進行切換。例如劃分定位區(qū)域，在進入所劃入的GPS定位區(qū)域時只采用GPS定位，而進入UWB定位區(qū)域時只采用UWB定位；或直接將標簽接收到的GPS衛(wèi)星數(shù)量與UWB基站數(shù)量進行比較，判斷選擇何種定位信號數(shù)據(jù)更穩(wěn)定精度更高。目前缺少一種快速便捷的隧道內(nèi)絕對定位方法，能夠直接得到隧道內(nèi)被測目標的絕對坐標位置。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了基于隧道場景的GPS/UWB組合基站及標定方法，本發(fā)明旨在提供一種通用性強，效率高，高精度的隧道內(nèi)人員絕對定位裝置，將UWB與GPS測量技術(shù)相結(jié)合統(tǒng)一UWB與GPS坐標系，并通過交替移動基站位置拓展隧道內(nèi)測量區(qū)域，解決隧道內(nèi)不便進行絕對測量的問題。

具體的技術(shù)方案如下：

基于隧道場景的GPS/UWB組合基站，包括兩種模塊；第一種模塊為基站模塊，基站模塊包括MCU控制模塊、供電模塊、通信模塊、GPS定位模塊和UWB定位模塊；GPS定位模塊和UWB定位模塊連接MCU控制模塊，MCU控制模塊連接供電模塊和通信模塊；

第二種模塊為定位標簽，定位標簽包括MCU控制模塊、供電模塊、通信模塊和UWB定位模塊；UWB定位模塊連接MCU控制模塊，MCU控制模塊連接供電模塊和通信模塊。

優(yōu)選地，一種基于隧道場景的GPS/UWB組合基站的標定方法，第一種模塊的標定方法包括以下步驟：

步驟S1：在基站初始標定時，GPS定位模塊獲取衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)結(jié)算得到基站大地坐標，UWB定位模塊獲得基站相對位置的定位；

步驟S2：在系統(tǒng)進入基站由標定區(qū)域到定位區(qū)域的轉(zhuǎn)移過程時，MCU控制模塊關(guān)閉GPS模塊，只通過UWB模塊進行基站的相對定位；

步驟S3：MCU控制模塊在初始化過程中處理UWB/GPS組合基站的UWB定位信息以及GPS定位信息，計算UWB坐標系到GPS坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣中所有參數(shù)；

步驟S4：在進行標簽定位的過程中將定位標簽的UWB坐標轉(zhuǎn)換成GPS坐標。

優(yōu)選地，第二種模塊包括以下階段：

第一階段為基站的初始標定；

第二階段為基站由標定區(qū)域到定位區(qū)域的轉(zhuǎn)移階段；