一种结合惯性测量单元的超宽带无线通信室内定位系统的制作方法

本发明涉及无线通信技术领域，具体是一种结合惯性测量单元的超宽带无线通信室内定位系统。

背景技术：

uwb(ultra-widebandwidth)无线通信是一种不使用载波，采用时间间隔极短的纳秒级脉冲进行通信的技术，相比于wifi、蓝牙等通信技术，uwb具有以下优势：

1.功耗低：使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间短，系统耗电低。

2.多径分辨能力强：由于uwb无线电发射的是单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的，很容易分离出多径分量以排除干扰。

3.定位精度高：超宽带具有较强的穿透能力，对于室内常见塑料、墙面等材质，穿透后信号衰减较少，可提高定位测距的准确性，从而提高定位精度。

目前市场上常见的uwb室内定位系统，主要包含普通基站模块和标签模块，普通基站模块为位置固定、坐标已知的模块，标签模块为可移动、依赖于与基站进行通信测距实现定位的模块。其系统结构较为简单，大多存在以下问题：

1、基站、标签间各自独立运行，无法进行统一管理。

2、应用场景中障碍物较多，且无法穿透的时候，标签模块在移动的过程中会因为信号遮挡而产生较大的偏差，导致定位结果的不稳定。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够使移动标签的定位结果更加准确、稳定的结合惯性测量单元的超宽带无线通信室内定位系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种结合惯性测量单元的超宽带无线通信室内定位系统，包括至少一个组网基站模块、两个及以上普通基站模块、一个或多个标签模块；所述普通基站模块是位置已知的固定模块，主要功能是参与uwb局域网组网、响应移动标签模块的测距请求，帮助移动标签模块完成测距定位；所述组网基站模块是位置已知的固定模块，其具备普通基站模块的功能，还是整个uwb局域网的发起者与控制者，提供局域网基准时钟，控制其他基站的入网退网，并通过以太网接口，实现与远程监控端的交互；所述移动标签模块是待定位模块，位于定位目标上，通过与周边基站进行测距，实现对自身的位置定位；

所述组网基站模块包含电源模块、第一mcu处理器模块、dwm1001模块，所述第一mcu处理器模块使用spi接口与dwm1001模块进行连接通信，对外提供uart串口接口、jlink调试接口、usb程序烧写接口，所述dwm1001模块，包含nordic-nrf2832芯片、decawave-1000uwb通信芯片、stm-lis2dh12tr三轴加速度计和pcb印刷天线，其中pcb印刷天线同时兼容蓝牙和uwb信号，dwm1001模块通过spi接口与第一mcu处理器模块进行连接通信，通过uart接口对外提供接口，通过jlink接口对外提供程序调试接口；所述普通基站模块包括电源模块和dwm1001模块；所述移动标签模块包括电源模块、dwm1001模块、第二mcu处理器模块和imu惯性测量单元模块，所述第二mcu处理器模块通过spi接口与dwm1001模块连接，通过uart接口与imu惯性测量单元模块连接，对外提供uart通信串口、jlink调试接口、usb程序下载接口。

作为本发明进一步的方案：

所述组网基站模块以固定的周期向外广播网络的基本信息，并处理来自其他模块的入网申请，处理移动标签模块的定位请求。

作为本发明进一步的方案：

所述网络的基本信息包括网络的时钟同步信号、网络的识别码、组网基站模块的坐标。

作为本发明进一步的方案：

所述imu惯性测量单元模块为超核hi216模块或者超核hi219模块。

作为本发明进一步的方案：

所述第一mcu处理器模块具体为stm32f407zgt6，所述第二mcu处理器模块为stm32f103c8t6。

作为本发明进一步的方案：

所述结合惯性测量单元的超宽带无线通信室内定位系统根据应用场景的覆盖面积还包括一个或多个路由基站模块。

作为本发明进一步的方案：

所述路由基站模块是位置已知的固定模块，其具备普通基站模块的功能，还是整个uwb局域网中的中继节点，负责转发组网基站的时钟基准信号，转发其他模块与组网基站的交互信息，以辅助实现组网基站模块与自身信号覆盖范围外的其他模块进行通信的功能。

作为本发明进一步的方案：

所述路由基站模块包括电源模块和dwm1001模块。

作为本发明再进一步的方案：

所述结合惯性测量单元的超宽带无线通信室内定位系统还包括通过太网接口与所述组网基站模块连接的控制终端。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明将系统中的模块按功能划分为组网基站模块、路由基站模块、普通基站模块、移动标签模块，在常规的普通基站、移动标签两种模块的系统之上，增加了组网基站模块和路由基站模块，以实现uwb局域网组网，实现模块的远程统一管理功能；所述移动标签模块中结合有imu惯性测量单元模块，与定位结果进行融合计算，使移动标签模块的定位结果更加准确、稳定。

附图说明

图1为本发明中组网基站模块的硬件结构示意图。

图2为本发明中普通基站模块、路由基站模块的硬件结构示意图(普通基站、路由基站的硬件结构相同的话，如何让功能不同的，请突出一下两个基站模块不同的位置)。

图3为本发明中移动标签模块的硬件结构示意图。

图4为本发明中移动标签模块的模型结构示意图。

图5为本发明的一种典型布置方法的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-5，一种结合惯性测量单元的超宽带无线通信室内定位系统，包括至少一个组网基站模块、两个及以上普通基站模块、一个或多个标签模块；所述普通基站模块是位置已知的固定模块，主要功能是参与uwb局域网组网、响应移动标签模块的测距请求，帮助移动标签模块完成测距定位；所述组网基站模块是位置已知的固定模块，其具备普通基站模块的功能，还是整个uwb局域网的发起者与控制者，提供局域网基准时钟，控制其他基站的入网退网，并通过以太网接口，实现与远程监控端的交互；所述移动标签模块是待定位模块，位于定位目标上，通过与周边基站进行测距，实现对自身的位置定位。

所述组网基站模块的覆盖范围是一个半径约为60米的圆，如果应用场景超出组网基站模块的信号覆盖范围，则还需要加入一个或多个路由基站模块。所述组网基站模块作为整个uwb局域网络的控制模块，一般固定于整个应用场景的中间位置，以便能较好的覆盖到网络中每一个模块；组网基站模块以固定的周期向外广播网络的基本信息，并处理来自其他模块的入网申请，处理移动标签模块的定位请求。所述网络的基本信息包括网络的时钟同步信号、网络的识别码、组网基站模块的坐标。

所述路由基站模块除了处理来自移动标签模块的定位请求，还是组网基站模块与自身信号覆盖范围外模块进行通信的中继节点，有了路由基站模块之后，整个uwb局域网的覆盖范围得以大大提升。所述路由基站模块是位置已知的固定模块，其具备普通基站模块的功能，还是整个uwb局域网中的中继节点，负责转发组网基站的时钟基准信号，转发其他模块与组网基站的交互信息，以辅助实现组网基站模块与自身信号覆盖范围外的其他模块进行通信的功能。

所述普通基站模块根据应用场景的障碍物高度、密度，移动标签模块的高度、密度等客观因素，合理的固定在场景中的各个位置，为移动标签定位提供支持。

所述移动标签模块安装于待定位物体上，在移动的过程中，通过uwb局域网获取周边基站的分布情况，选择合适的3～4个基站进行测距定位计算，再结合获取到的imu惯性测量单元模块的姿态信息，计算出更加稳定的定位结果。

请参见图1，所述组网基站模块包含电源模块、第一mcu处理器模块、dwm1001模块，其中，电源模块同时预留锂电池接口和usb电源接口，采用一颗xc6210b332mr电压调整器作为电压稳定芯片，可以将锂电池或者usb的电压转换成芯片模块使用的3.3v电压。所述第一mcu处理器模块具体为stm32f407zgt6，使用spi接口与dwm1001模块进行连接通信，对外提供uart串口接口、jlink调试接口、usb程序烧写接口，stm32f407zgt6的内置以太网接口连接至lan8720a以太网物理层芯片再连接到rj45接口上，对外提供完整的以太网接口功能以实现通过网络进行远程管理。dwm1001模块，包含nordic-nrf2832芯片、decawave-1000uwb通信芯片、stm-lis2dh12tr三轴加速度计和pcb印刷天线，其中pcb印刷天线同时兼容蓝牙和uwb信号，dwm1001模块通过spi接口与第一mcu处理器模块进行连接通信，通过uart接口对外提供接口，通过jlink接口对外提供程序调试接口。

请参见图2，所述普通基站模块、路由基站模块包括电源模块和dwm1001模块，既能降低普通基站的铺设成本，也能降低模块的功耗。

请参见图3，所述移动标签模块包括电源模块、dwm1001模块、第二mcu处理器模块和imu惯性测量单元模块，所述第二mcu处理器模块为stm32f103c8t6，第二mcu处理器模块通过spi接口与dwm1001模块连接，通过uart接口与imu惯性测量单元模块连接，对外提供uart通信串口、jlink调试接口、usb程序下载接口。

所述imu惯性测量单元模块为超核hi216模块或者超核hi219模块，所述hi216模块包含一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计，所述hi219模块除了增强加速度计和陀螺仪的精度外，还加入了三轴地磁场传感器，根据不同的应用要求，可以选择使用不同的模块。

请参阅图4，图4为移动标签模块的模型结构图，1号框位置为dwm1001模块，2号框为第二mcu处理器模块，3号框为imu惯性测量单元模块，4号框为电源模块。普通基站模块、路由基站模块，在此模型的基础上，去掉2号框、3号框中的硬件模块及其外围电路。组网基站模块，在移动标签模型的基础上，将2号框的mcu型号由stm32f103改为stm32f407，并修改对应的外围电路，加上以太网外围电路。

请参见图5，是本发明的一种典型布置方法，图示为一个40m×120m的应用场景，组网基站模块a0的覆盖范围为半径60m的圆，无法完全覆盖该应用场景，因此，采用了组网基站模块a0、路由基站模块a1和普通基站模块a2～a7共8个基站实现对场景的基站信号覆盖；组网基站a0可以通过自己或者通过路由基站a1实现与场景内任意一个模块进行通信，通过以太网接口实现与远程电脑、平板等控制终端的连接，从而实现远程终端对该定位系统的控制功能。所述移动标签模块t1～t5在场景范围内随意移动，通过与自身范围附近的3～4个基站进行测距，结合移动标签模块内部的imu惯性测量单元模块的姿态信息，计算出较为稳定的定位结果。

本发明将系统中的模块按功能划分为组网基站模块、路由基站模块、普通基站模块、移动标签模块，在常规的普通基站、移动标签两种模块的系统之上，增加了组网基站模块和路由基站模块，以实现uwb局域网组网，实现模块的远程统一管理功能；所述移动标签模块中结合有imu惯性测量单元模块，与定位结果进行融合计算，使移动标签模块的定位结果更加准确、稳定。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。