基于UWB的无人集卡的定位定向方法与流程

本发明属于导航定位技术领域，尤其涉及一种基于uwb的无人集卡的定位定向方法。

背景技术：

uwb(ultrawideban)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。uwb早期主要应用在近距离高速数据传输，近年来国内外开始利用其亚纳秒级窄脉冲来做近距离精确室内定位。为了实现实时定位的目的，uwb定位设备通常由位置固定的基站和装载在移动设备上的标签两部分组成。目前市面上部分厂商提供的单个uwb设备既可以作为标签也可以作为基站使用。

在使用uwb做定位时，首先需要在室内外布置基站，再在定位目标上装载定位标签。做绝对定位时，需要知道每个基站的位置；做相对定位时，需要知道基站之间的相对角度和位移。定位的过程为定位目标的标签发射超宽带信号，基站接收信号并通过网线或wifi网络传输到交换机与服务器上，服务器软件中运用tdoa(timedifferenceofarrival)或aoa(angleofarrival)定位算法进行位置解算，实时显示标签位置。

aoa算法能测量未知点和参考点之间的角度并计算目标的位置。超宽带定位系统通过多个基站测量从定位目标最先到达接收机的信号的达到角度，从而估计出定位目标的位置。如果区域内的障碍物比较少，则可以利用aoa算法获得较高的定位精度。但是如果定位区域内的障碍物比较多，那么就要考虑多径效应的影响。由于多径效应和接收机天线的限制，往往需要较多的传感器同时工作，这样会增加系统的应用成本，而利用toa(timeofarrival)/tdoa联合定位算法，可以减少同时工作的传感器数量，并且获得待定位目标的三维坐标。

uwb定位技术虽然具有较高的定位精度，但目前多用于室内定位；同时，uwb基站需要放置在固定位置，由于港口岸桥是可移动的，所以想要实现岸桥和无人集卡之间的相对定位，需要在每一座岸桥上都布置至少四个基站，这样就增加了成本，同时浪费了uwb的作用范围；此外，对于部分工业应用场景，尤其是自动驾驶领域，除了对移动目标的位置有较高的精度要求以外，对其航向也有要求，而单个uwb定位标签无法实现精确定向。另外，如果应用传统的gnss/ins组合导航定位，在港口岸桥下gnss受遮挡没有信号，ins没有了gnss的修正会存在累计误差。

为了适应港口场景下无人集装箱卡车的快速准确定位定向，亟待开发一种成本较低且能够满足无人集卡在横向、纵向上定位精度要求的定位定向方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种基于uwb的无人集卡的定位定向方法，解决了无人集卡在岸桥下、卫星信号受遮挡时接箱操作过程中的定位定向问题。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种基于uwb的无人集卡的定位定向方法，其特征是：安装既可以用作基站，又可以用作标签的uwb设备，利用车辆gnss卫星信号的双天线定位定向，修正基于uwb的定位及定向偏差，完成无人集卡在岸桥下的精确定位定向，具体步骤如下：

步骤1、部署uwb设备：在岸桥路面上相隔一段距离部署一个uwb设备，同时在每座岸桥上部署一个uwb设备，保证每座岸桥上部署设备的位置保持一致，偏差值在岸桥作业的误差允许范围以内；

步骤2、在无人集卡上安装两个uwb设备：所述uwb设备作为标签，安装在无人集卡的车头、车尾各一个；

步骤3、岸桥定位：在车辆驶入岸桥进行作业之前，所有岸桥都已移动完毕，处于静止状态。将部署在岸桥路面上的uwb设备作为基站，岸桥上的uwb设备作为标签，完成岸桥的精确定位；

步骤4、无人集卡驶入岸桥下之前，计算基于uwb的定位及定向偏差，具体为，

a.卫星信号良好，依靠无人集卡上的双天线实现车辆gnss定向定位；

b.利用岸桥上部署的uwb设备作为基站，步骤2安装好的无人集卡上的两个uwb设备作为标签，完成基于uwb的无人集卡定位定向；

c.无人集卡上的两个uwb设备和gnss接收机分别以经纬度的形式输出各自的定位信息，通过utm投影得到平面坐标，以gnss得到的平面坐标为标准值，计算uwb坐标和gnss坐标的矢量差，包括沿正东方向的坐标分量偏差和沿真北方向的坐标分量偏差，得到基于uwb的定位偏差；

d.根据已知两点的经纬度求方向角的方法，以gnss接收机解算得到的方向角为标准值，将uwb解算得到的方向角和gnss接收机解算的航向角做差，得到基于uwb的定向偏差。

步骤5、无人集卡驶入岸桥下时，进行基于uwb的车辆定位定向，并根据步骤4得到的定位及定向偏差，修正定位定向结果，具体为，

a.当车辆驶入岸桥下，由于gnss卫星信号受到遮挡，依靠车载的两个uwb设备作为标签和岸桥上部署的uwb设备作为基站，获取无人集卡的定位信息(经纬度形式)，根据已知两点的经纬度计算无人集卡的方向角，获取定向信息。

b.利用步骤4得到的定位及定向偏差，修正基于uwb的定位定向结果，完成基于uwb的无人集卡的精确定位定向。

所述岸桥路面上uwb设备相隔一段距离的部署密度应该满足岸桥移动过程中对岸桥的厘米级、一维定位要求。

所述无人集卡上安装两个uwb设备的基线长度大于2米。

所述无人集卡上的两个uwb设备和gnss接收机均连接到无人集卡的计算单元对相关信息进行计算。

有益效果：本发明通过在港口岸桥路面、岸桥和无人集卡上部署uwb设备，解决了无人集卡在岸桥下、卫星信号受遮挡时接箱操作过程中的定位定向问题，10cm左右的定位精度纵向上在集装箱的位置误差允许范围内，横向上保证了作业时车辆在车道范围内行驶。

附图说明

图1是本发明无人集卡定位定向的流程图；

图2是uwb设备部署情况示意图。

图中：1、在岸桥路面上每隔一定距离部署的uwb设备，2、每个岸桥上部署的uwb设备，3、车辆上部署的两个uwb设备，车头、车尾各一个。

具体实施方式

下面结合较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

详见附图1，本实施例提供了一种基于uwb的无人集卡的定位定向方法，在岸桥路面上每隔一定距离部署一个uwb设备，在每座岸桥上部署一个uwb设备。所用uwb设备既可以用作基站，也可以用作标签。当岸桥移动时，通过岸桥上的uwb设备作为标签、岸桥前后两侧路面上的uwb设备作为基站来确定岸桥的位置；岸桥移动完毕后，固定在岸桥上的uwb设备就可以作为基站来定位无人集卡。在无人集卡驶入岸桥之前，卫星信号良好，可以通过gnss双天线定位定向，还能够通过无人集卡上的uwb设备作为标签进行定位定向，以gnss双天线定位定向得到的结果为标准值，计算基于uwb的定位及定向偏差；在无人集卡驶入岸桥以后，卫星信号被遮挡，可以通过基于uwb的车辆定位定向，同时用计算好的定位及定向偏差来修正基于uwb的定位定向结果。图1中的车辆即指无人集卡。

本发明中使用的uwb设备既可以用作基站，又可以用作标签。

uwb设备具体部署如图2，步骤1、部署uwb设备。在岸桥路面上每隔一定距离部署一个uwb1，部署密度取决于所使用uwb设备的有效范围和精度，通常来说，可以保证岸桥移动过程中，对岸桥的厘米级、一维定位即可。同时，每座岸桥上部署一个uwb2，uwb设备在岸桥上安装的位置，即代表了每个岸桥定位的点，因此在每座岸桥上部署设备的位置应该尽量一致，以利保证偏差在岸桥作业的误差允许范围以内。

步骤2、在无人集卡上安装两个uwb设备作为标签。类似于gnss双天线定位原理，除了要实现无人集卡的定位，还要实现无人集卡的定向。通常gnss双天线定向在车辆上是前后安装，这里uwb设备可以仿照此安装方式，在车头、车尾各安装一个。两个uwb设备的基线长度大于2米。

步骤3、确定岸桥位置：岸桥路面上的uwb设备位置是固定的，其位置可以在部署uwb设备的时候，利用全站仪等高精度测绘设备精确测量。在车辆驶入岸桥进行作业之前，所有岸桥已经移动完毕，处于静止状态，位置固定不会再改变。此时，部署在岸桥路面上的uwb设备作为基站，岸桥上的uwb设备作为标签，完成岸桥的精确定位。这些部署在岸桥上的uwb之后还可以作为基站来定位无人集卡。

步骤4、在无人集卡驶入岸桥下之前，卫星信号良好,依靠车辆上的gnss双天线可以实现无人集卡的定向定位；同时，由于uwb设备作为基站具有一定的作用范围，且岸桥上也部署了uwb设备作为基站，所以在驶入岸桥之前的一个范围内，无人集卡上的两个uwb设备作为标签可以实现基于uwb的车辆定位定向。

无人集卡上的两个uwb设备和gnss接收机分别以经纬度的形式输出各自的定位信息，通过utm投影得到平面坐标，以gnss得到的平面坐标为标准值，计算uwb坐标和gnss坐标的矢量差，包括沿正东方向的坐标分量偏差和沿真北方向的坐标分量偏差，得到基于uwb的定位偏差；

根据已知两点的经纬度求方向角，以gnss接收机解算得到的方向角为标准值，将uwb解算得到的方向角和gnss接收机解算的航向角做差，得到基于uwb的定向偏差。

无人集卡上的两个uwb设备和gnss接收机均连接到无人集卡的计算单元对相关信息进行计算；将基于uwb的定位定向结果和基于gnss双天线的定向结果进行比较，计算uwb的定位及定向偏差，可以理解为基于uwb设备的定位定向标定。

步骤5、无人集卡驶入岸桥下时，由于gnss卫星信号受到遮挡，此时可以用当前岸桥以及附近岸桥上的uwb设备作为基站，车上的两个uwb设备作为标签来实现无人集卡的实时定位定向。用步骤4得到的定位及定向偏差，修正基于uwb的定位定向结果，完成基于uwb的无人集卡的精确定位定向标。具体的定向计算过程如下：

在实际的岸桥作业和定位过程中，uwb设备以经纬度的形式输出移动物体的定位信息，这里车辆的行进方向上部署了两个uwb标签，则可以得到这两个标签的经纬度坐标，已知两点的经纬度可以求出这两点连线和真北方向的夹角，也就是方向角。假设两点的经纬度分别为(lon1,lat1)、(lon2,lat2)。

当两点在同一纬度上，即lat1-lat2＝0时，如果lon1-lon2＞0，az＝270；反之，az＝90。

当两点不在同一纬度上时，

如果lat1＞lat2，az＝az+180；反之，az保持不变。az即为根据两点经纬度计算出来的航向，以此得到uwb定向的目的。

上述参照实施例对该一种基于uwb的无人集卡的定位定向方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。