具有自动智能补偿UWB定位精度装置及方法与流程

具有自动智能补偿uwb定位精度装置及方法
技术领域
1.本发明涉及一种具有自动智能补偿uwb定位精度装置及方法，属于标识卡定位技术领域。


背景技术：

2.随着我国经济迅速发展，地下空间建设更是日新月异。为确保隧道施工安全及运营管理，需借助各先进的物联网技术改善隧道的生产环境，提高其风险抵御能力。目前隧道监测系统一般包含隧道led门禁系统、隧道视频监控系统、隧道人员定位系统、隧道应急电话系统、隧道气体检测系统。
3.隧道监测系统可实现人员定位，其具体工作原理为：采用无线脉冲uwb定位技术，在隧道内部署定位基站，并向进入隧道内的施工人员分发定位标签，能有效获取进入隧道内施工人员的时间信息、数量信息、精准位置信息等。
4.现有uwb室内定位分为一维定位、二维定位、三维定位。一维定位主要用于存在检测或测距。二维定位能确定同一平面的坐标信息。三维定位能实现3个维度定位，实现3d效果。
5.三维定位需要部署更多基站，成本高。目前隧道人员定位主要采用一维和二维定位。无法实现3个维度定位，实现3d效果。并且，部署不同高度的基站或佩带标识卡会导致测试数据算出的坐标和实际会有偏差，为了提高uwb室内定位精度，目前采用很多方案，比如在安装部署时通过手动方式用皮尺测量+平台地图来确定好基站做标和高度，来达到提高测量精度，施工复杂、成本高。
6.在中国专利申请cn202010939121.8中，公开了一种uwb定位校正方法、uwb定位系统、设备、存储介质，其中方法包括步骤如下：从uwb定位区域中选取n个位置点作为参考点，第i个参考点的真实坐标记为(xi,yi),i＝1,2,3,..,,n，第i个参考点根据uwb定位系统定位得到的定位坐标为计算第i个参考点在x方向定位误差err_xi，和y方向的定位误差err_yi；以此得到n个参考点在x方向和y方向的定位误差，并和参考点的坐标形成n组离散的数据点，构成曲面拟合的数据集q和p；根据数据集q和p构造误差拟合曲面，得到x方向的误差曲面f(x,y)和y方向的误差曲面g(x,y)；将步骤s4得到的误差曲面f(x,y)、g(x,y)结合uwb定位得到的实际坐标值，对uwb定位误差进行校准，得到校准后的坐标。但是这种方式存在很大缺陷：通过增加参考点来提高校准后定位坐标，这样会导致增加成本和实际场景部署的不方便性，特别是在煤矿井下下比较恶劣的场景。
7.在中国专利zl201710789063.3中，公开了一种自适应组网方法、定位系统及定位基站，通过实施例中的定位基站上可以配置距离检测装置，利用距离检测装置可以检测到定位基站之间的距离，并且校验标签与其中一个定位基站的相对位置不变。这样，即使定位基站的位置发生变化，仍可以通过距离检测装置检测得到的距离信息，重新确定定位基站和校验标签的相对位置坐标，可以重新实现对系统时间修正值的确定。使uwb定位系统中的定位精度不会因为定位基站位置的变化而改变。但是这种方式存在很大缺陷：目前很多实
施场景是基站是固定不变，同时也不能解决在基站安装不同高度和标识卡不同高度的情况。


技术实现要素：

8.根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题是：为解决上述问题之一，提供一种具有自动智能补偿uwb定位精度装置及方法。
9.本发明所述的具有自动智能补偿uwb定位精度装置，其特征在于：包括云平台和uwb模组，所述uwb模组包括n个uwb基站及m个标识卡，n≥3，m≥1，所述标识卡安装在被测人或物体上，且与每一所述uwb基站通信连接，与基站配合实现距离测量；每一所述uwb基站均包括一基站高度测量模块，通过基站高度测量模块测出基站高度；标识卡包括标识卡高度测量模块，通过标识卡高度测量模块，测出标识卡高度；其中一uwb基站将测距信息及高度信息通过有线或网线传输回云平台，云平台用于实现所有数据显示和数据控制。
10.优选地，所述n=3，具体为不同高度位置的uwb主基站a、uwb从基站b和uwb从基站c，位置不重叠，uwb主基站a、uwb从基站b及uwb从基站c均与标识卡通讯连接，所述uwb主基站a与云平台通讯连接。
11.优选地，所述uwb主基站a包括第一基站高度测量模块，用于测量该基站高度，并将采集到的基站高度数据发送到第一mcu主控芯片；第一uwb定位模块，用于与标识卡配合测量两者之间直线距离，并将采集到的直线距离数据发送到第一mcu主控芯片；与所述第一基站高度测量模块、第一uwb定位模块相连的所述第一mcu主控芯片，用于对接收到的基站高度数据、直线距离数据进行处理，并将处理后的基站高度数据、直线距离数据发送到第一无线通讯模块；与所述第一mcu主控芯片相连的第一无线通讯模块，用于接收所述处理后的基站高度数据、直线距离数据，并将所述处理后的基站高度数据、直线距离数据通过无线网络发送到云平台。
12.优选地，所述uwb主基站a还包括与第一mcu主控芯片相连的第一供电模块及第一显示模块，第一供电模块为第一mcu主控芯片供电，第一显示模块用于数据显示。
13.优选地，所述所述uwb从基站b包括第二基站高度测量模块，用于测量该基站高度，并将采集到的该基站高度数据发送到第二mcu主控芯片；第二uwb定位模块，用于与标识卡配合测量两者直线距离，并将采集到的距离数据发送到第二mcu主控芯片，第二uwb定位模块兼具数据传输通讯及定位功能；与所述第二基站高度测量模块、第二uwb定位模块相连的所述第二mcu主控芯片，用于对接收到的基站高度数据、直线距离数据进行处理；第二uwb定位模块与第一uwb定位模块无线互联，实现第一mcu主控芯片、第二mcu主控芯片双向通信，将第二mcu主控芯片所述处理后的基站高度数据、直线距离数据通过无线网络发送到第一mcu主控芯片；所述uwb从基站b与uwb从基站c的结构结构相同，第二uwb定位模块、第一uwb定位模块均与uwb从基站c的第三uwb定位模块无线互联，第三mcu主控芯片分别与第一mcu主控芯片、第二mcu主控芯片双向通信。
14.优选地，所述标识卡包括第四标示卡高度测量模块，用于测量标识卡高度，并将采
集到的标志卡高度数据发送到第四mcu主控芯片；与所述第四mcu主控芯片相连接的第四uwb定位模块，分别用于与第一uwb定位模块、第二uwb定位模块、第三uwb定位模块配合测量两者之间直线距离，并将处理后的标示卡高度数据通过无线网络发送到第一mcu主控芯片或第二mcu主控芯片或第三mcu主控芯片。
15.优选地，所述标识卡还包括与第四mcu主控芯片相连的第四供电模块及第四显示模块，第四供电模块为第四mcu主控芯片供电，第四显示模块用于数据显示。
16.优选地，所述标识卡还包括标识卡本体，第四mcu主控芯片、第四标示卡高度测量模块、第四uwb定位模块、第四供电模块及第四显示模块均内置在标识卡本体中，还包括与标识卡本体相配合的底座。
17.一种具有自动智能补偿uwb定位精度的方法，其特征在于：应用上述的具有自动智能补偿uwb定位精度装置，所述具有自动智能补偿uwb定位精度的方法，包括：标识卡先与uwb主基站a、uwb从基站b、uwb从基站c进行测距；uwb主基站a通过第一基站高度测量模块测出uwb主基站a竖向高度；uwb从基站b通过第二基站高度测量模块测出uwb从基站b竖向高度；uwb从基站c通过第三基站高度测量模块测出uwb从基站c竖向高度；标识卡通过第四标示卡高度测量模块测出标识卡竖向高度；测距信息及高度信息汇集至uwb主基站a，并通过uwb主基站a将测距信息及高度信息通过有线或网线传输回云平台，云平台通过算法进行数据解算处理，最终得出标识卡的位置。
18.优选地，所述测距信息是通过无线电波光速乘以基站获取到标识卡的时间得到这个标识卡距离基站的距离。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明所述的具有自动智能补偿uwb定位精度装置，通过硬件内置测量高度模块，能自动校准uwb定位坐标，不会因为安装不同高度或将标识卡佩带不同高度导致坐标偏差影响精度。
20.本发明所述的具有自动智能补偿uwb定位精度装置，采用uwb定位，是通过无线电波光速乘以基站获取到标识卡的时间得到这个标识卡距离基站的距离。不同高度会导致获取时间不同，不同时间通过光速相乘得到距离就不同，距离不同最后导致获取坐标就和实际有误差。此发明就是为了解决不同环境下很更方便部署，提高测试精度。
21.本发明所述的具有自动智能补偿uwb定位精度的方法，可实现人员定位，采用无线脉冲uwb定位技术，在隧道内部署室外定位基站，向进入隧道内的施工人员分发定位标签，能有效获取进入隧道洞口施工人员的时间信息、数量信息、精准位置信息等。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
23.图1为本发明的原理框图；图2为uwb主基站a的原理框图；
图3为标识卡的原理框图；图4为软件高度算法说明图；图5为主从基站间距离的信号飞行时间示意图；图6为实施图原理框图；图7为软件高度、距离和坐标算法流程图；图8为高度测量模块图；图9为绝对压力值补偿流程图；图10为标识卡的分解图；图11为标识卡结构图一；图12为标识卡结构图二；图13为标识卡结构图三；图14为标识卡结构图四；图15为标识卡结构图五。
24.图中：1、核心主板2、前壳3、后壳4、电池5、充电底座6、腰带夹7、显示屏8、显示灯9、按键。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明做进一步描述：以下通过具体实施例对本发明作进一步说明，但不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
26.实施例一如图1
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3所示，所述具有自动智能补偿uwb定位精度装置，包括云平台和uwb模组，所述uwb模组包括n个uwb基站及m个标识卡，n≥3，m≥1，所述标识卡安装在被测人或物体上，且与每一所述uwb基站通信连接，与基站配合实现距离测量；每一所述uwb基站均包括一基站高度测量模块，通过基站高度测量模块测出基站高度；标识卡包括标识卡高度测量模块，通过标识卡高度测量模块，测出标识卡高度；其中一uwb基站将测距信息及高度信息通过有线或网线传输回云平台，云平台用于实现所有数据显示和数据控制。
27.本实施例中，在控制成本的情况下所述n=3，m理论不超过1000，每个都单独定位，具体为不同高度位置的uwb主基站a、uwb从基站b和uwb从基站c，位置不重叠，uwb主基站a、uwb从基站b及uwb从基站c均与标识卡通讯连接，所述uwb主基站a与云平台通讯连接；所述uwb主基站a包括第一基站高度测量模块，用于测量该基站高度，并将采集到的基站高度数据发送到第一mcu主控芯片；第一uwb定位模块，用于与标识卡配合测量两者之间直线距离，并将采集到的直线距离数据发送到第一mcu主控芯片；与所述第一基站高度测量模块、第一uwb定位模块相连的所述第一mcu主控芯片，用于对接收到的基站高度数据、直线距离数据进行处理，并将处理后的基站高度数据、直线距离数据发送到第一无线通讯模块；与所述第一mcu主控芯片相连的第一无线通讯模块，用于接收所述处理后的基站高度数据、直线距离数据，并将所述处理后的基站高度数据、直线距离数据通过无线网络发送到云平台；所述uwb主基站a还包括与第一mcu主控芯片相连的第一供电模块及第一显示模块，第一供电模块为第一mcu主控芯片供电，第一显示模块用于数据显示；所述uwb从基站b包括第二基站高
度测量模块，用于测量该基站高度，并将采集到的该基站高度数据发送到第二mcu主控芯片；第二uwb定位模块，用于与标识卡配合测量两者直线距离，并将采集到的距离数据发送到第二mcu主控芯片，第二uwb定位模块兼具数据传输通讯及定位功能；与所述第二基站高度测量模块、第二uwb定位模块相连的所述第二mcu主控芯片，用于对接收到的基站高度数据、直线距离数据进行处理；第二uwb定位模块与第一uwb定位模块无线互联，实现第一mcu主控芯片、第二mcu主控芯片双向通信，将第二mcu主控芯片所述处理后的基站高度数据、直线距离数据通过无线网络发送到第一mcu主控芯片；所述uwb从基站b与uwb从基站c的结构结构相同，第二uwb定位模块、第一uwb定位模块均与uwb从基站c的第三uwb定位模块无线互联，第三mcu主控芯片分别与第一mcu主控芯片、第二mcu主控芯片双向通信；所述标识卡包括第四标示卡高度测量模块，用于测量标识卡高度，并将采集到的标志卡高度数据发送到第四mcu主控芯片；与所述第四mcu主控芯片相连接的第四uwb定位模块，分别用于与第一uwb定位模块、第二uwb定位模块、第三uwb定位模块配合测量两者之间直线距离，并将处理后的标示卡高度数据通过无线网络发送到第一mcu主控芯片或第二mcu主控芯片或第三mcu主控芯片；所述标识卡还包括与第四mcu主控芯片相连的第四供电模块及第四显示模块，第四供电模块为第四mcu主控芯片供电，第四显示模块用于数据显示。
28.实施例二如图10
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15所示，与实施例一不同之处在于，所述标识卡还包括还包括标识卡本体，第四mcu主控芯片、第四标示卡高度测量模块、第四uwb定位模块、第四供电模块及第四显示模块均内置在标识卡本体中，还包括与标识卡本体相配合的充电底座5。
29.具体为，标识卡本体包括扣合在一起的前壳2与后壳3，前壳2与后壳3围合成空腔，空腔内固定核心主板1及电池4，后壳3上安装有腰带夹6，充电底座5的上表面具有限位槽，充电时，前壳2与后壳3的底部嵌入限位槽中，第四mcu主控芯片电路、第四标示卡高度测量电路、第四uwb定位电路、第四供电电路及第四显示电路均集成在核心主板1上，充电底座5内具有充电核心板，充电核心板具体充电端及放电端，其放电端通过触点与电池4的充电端连接，第四显示模块还包括固定在前壳2面板上的显示屏7、显示灯8，显示屏7、显示灯8均与第四显示电路电性连接，前壳2上还具有与第四mcu主控芯片电路电性连接的按键9。
30.实施例三如图8及9所示，与实施例一不同之处在于，第一基站高度测量模块包括电容c1、电容c2、电容c3、电容c4及电容c1，电容c2，电容c3，电容c4，完成电源滤波和高频滤波，气压传感器u1完成绝对压力测量，温度传感器j1完成温度测量，获取数据传给mcu处理。根据获取到的温度和压力根据补偿系数进行补偿获取到的最终压力值转换成高度数据送给mcu处理。
31.实施例四如图1、图6和图7所示，所述具有自动智能补偿uwb定位精度的方法，所述应用实施例1所述的具有自动智能补偿uwb定位精度装置，所述具有自动智能补偿uwb定位精度的方法，包括：标识卡先与uwb主基站a、uwb从基站b、uwb从基站c进行测距；uwb主基站a通过第一基站高度测量模块测出uwb主基站a竖向高度；uwb从基站b通过第二基站高度测量模块测出uwb从基站b竖向高度；uwb从基站c通过第三基站高度测量模块测出uwb从基站c竖向高度；标识卡通过第四标示卡高度测量模块测出标识卡竖向高度；标识卡与任一基站无线互联，
且相邻基站间无线互联，测距信息及高度信息汇集至uwb主基站a，并通过uwb主基站a将测距信息及高度信息通过有线或网线传输回云平台，云平台通过算法进行数据解算处理，最终得出标识卡的位置。
32.实施例五如图4软件高度算法说明图所示，以uwb主基站a为例，说明uwb主基站a通过第一基站高度测量模块测出uwb主基站a竖向高度的步骤，1、 通过第一基站高度测量模块测出uwb主基站a高度为a2，确定坐标点a2；2、 通过第四标示卡高度测量模块测出标识卡高度为b1，确定坐标点b1，因为标识卡不固定，随时移动，所以需要实时测量高度，校准；3、 将a2
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b1得到高度差a12，确定坐标点a1；4、 利用第一uwb定位模块，与标识卡配合测量两者直线距离，测得基站坐标点a2的到标识卡坐标点b1的直线距离；5、 通过以上步骤根据勾股定理计算可以得出坐标点a1至坐标点b1距离；6、 获取坐标点a1至坐标点b1距离后，通过相同方法可以获取标识卡和另外2个基站的相对距离。
33.uwb从基站b通过第二基站高度测量模块测出uwb从基站b竖向高度；uwb从基站c通过第三基站高度测量模块测出uwb从基站c竖向高度，与uwb主基站a相同，不再累述。
34.实施例六，参照主从基站间距离的信号飞行时间图5，所述测距信息是通过无线电波光速乘以基站获取到标识卡的时间得到这个标识卡距离基站的距离，具体原理如下：一、将主基站1为参考基站，假定主基站1坐标为（ax1,ay1,az1）,从基站2坐标（ax2,ay2,az2）,从基站3坐标（ax3,ay3,az3）,则主、从基站距离差，关系式为：，其中，表示从基站2至主基站1距离；表示从基站3至主基站1距离；表示主基站1在x轴上的坐标；表示从基站2在x轴上的坐标；表示从基站3在x轴上的坐标；表示主基站1在y轴上的坐标；表示从基站2在y轴上的坐标；表示从基站3在y轴上的坐标；表示主基站1在z轴上的坐标；表示从基站2在z轴上的坐标；表示从基站3在z轴上的坐标。
35.二、将其除光速得到距离飞行时间偏移量，关系式为：
，其中，表示标签到从基站2的时间与标签到主基站1的时间之差；表示标签到从基站3的时间与标签到主基站1的时间之差；表示光速3.0*10^8m/s。
36.三、计算到达信号时间戳的时候必须减去偏移量必须距离飞行时间偏移量，否侧无法计算到标签的信号达时间差，参照主从基站间距离的信号飞行时间图5。
37.上述三个步骤完成后即可计算标签达到主从基站的两两到达时间差，即公式为：，其中，表示标签到达2号从基站的时间与标签到达1号主基站的时间之差；表示标签到达3号从基站的时间与标签到达1号主基站的时间之差；表示2号从基站接收主基站同步消息的接收时间戳；表示3号从基站接收1号主基站同步消息的接收时间戳；表示2号从基站接收标签消息的接收时间戳；表示3号从基站接收标签消息的接收时间戳；表示1号主基站发同步信号的发射时间戳；表示1号主基站接收标签消息的接收时间戳；表示2号从基站相对于主基站的时钟偏移量；表示3号从基站相对于主基站的时钟偏移量。
38.乘光速，得到距离差，公式为：，其中，表示标签到2号从基站的距离与标签到主机站的距离之差；表示标签到3号从基站的距离与标签到主机站的距离之差；表示光速3.0*10^8m/s。
39.即可通过算法进行标识卡坐标xy的解算，最终得出标识卡的位置。
40.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。