一种高刷新率室内定位系统及实时定位方法与流程

本发明涉及室内定位技术领域，具体地说是一种高刷新率室内定位系统及实时定位方法。

背景技术：

随着无线通信技术的不断发展与突破，室内定位与超宽带(ultrawideband，uwb)技术逐渐进入人们的视野并得到了越来越高的关注度。

在现有的基于uwb技术的toa(timeofarrival，信号到达时间)室内定位系统中，标签需要与定位区域中布置的基站进行交互通信，以得到标签到每一个基站之间的距离大小。为此，通常的做法是采用一种双边双向测距(double-sidedtwo-wayranging)的通信方式，具体的以中国专利201610960909.0中公开的一种基于uwb的三维室内定位系统为例，该系统包括了至少四个固定在室内已知坐标的基站、固定在定位目标上的标签，以及一个定位终端。标签和基站之间采用双边双向测距方式，由标签率先向基站发送定位请求数据包poll，并记录发送时间poll_tx；基站于时间poll_rx接收并确认请求定位数据包，然后延时至时间answer_tx发送应答数据包；标签于时间answer_rx接收并确认应答数据包，然后延时至时间final_tx再次发送确认数据包给基站；基站于时间final_rx接收到确认数据包后，将之前的记录时间戳poll_rx，answer_tx以及final_rx打包发送给标签；标签汇总自身所记录的时间戳poll_rx，answer_rx，final_tx以及基站发送来的时间戳进行计算，从而获取飞行时间。具体公式如下：

tround1＝answer_rx-poll_tx

treply1＝answer_tx-poll_rx

tround2＝final_rx-answer_tx

treply2＝final_tx-answer_rx

ttof＝(tround1×tround2-treply1×treply2)/(tround1+tround2+treply1+treply2)

之后通过乘以光速得到标签与基站之间的距离值。

在三维定位中，当基站个数大于等于四个的时候，标签轮询对基站进行双向测距依次得到标签到各个基站的距离信息，然后标签将距离信息回传至定位终端；定位终端根据接收到的距离信息，对数据进行解算，得到定位目标的三维坐标。

但是，上述系统存在以下弊端：

1、标签需要轮询至少四个基站，且每一次标签与基站通信过程中至少需要四次信号发送，因此每一次定位需要至少十六次信号发送，通信周期长；当标签的数量增多时，系统的刷新率低，定位的实时性较差；

2、每一次定位的最后，需要基站将时间戳信息发送给标签，再由标签负责将定位所需数据进行回传，这不仅增加了一次通信次数，而且还增加了标签硬件电路的功耗。

技术实现要素：

本发明就是为了解决现有基于uwb技术的toa室内定位系统所出现的定位周期长、定位实时性差以及标签进行数据回传时功耗增加的问题，提供一种缩短室内定位周期、提高定位系统刷新率的方法。

为此，本发明提供了一种高刷新率室内定位系统，设有基站、通信标签和定位终端,其中，基站，用于发送、接收来自通信标签和其它基站的uwb信号，并将数据结果回传至定位终端；通信标签用于发送、接收来自其它基站的uwb信号；定位终端，用于解算基站回传的数据，并将定位结果予以显示。

优选地，基站设有uwb核心处理器模块、uwb信号收发模块、数据存储模块、外置串口模块、系统供电模块、信号指示模块以及wifi无线模块；uwb信号收发模块用于发送和接收uwb信号，并将信号数据传递至uwb核心处理器模块；uwb核心处理器模块用于处理信号数据，得到定位所需的数据结果；数据存储模块用于存储设备的地址和角色信息，并将信息内容反馈至uwb核心处理模块；外置串口模块用于与wifi无线模块连接，用与将处理后的信号数据回传至定位终端；系统供电模块用于提供基站的电源输入；信号指示模块用于指示基站的工作状态。

优选地，通信标签设有uwb核心处理器模块、uwb信号收发模块、数据存储模块、外置串口模块、系统供电模块和信号指示模块；uwb信号收发模块用于发送和接收uwb信号，并将信号数据递至uwb核心处理器模块；uwb核心处理器模块用于处理信号数据，得到定位所需的数据结果；数据存储模块用于存储设备的地址和角色信息，并将信息内容反馈至uwb核心处理模块；系统供电模块用于提供通信标签的电源输入；信号指示模块用于指示通信标签的工作状态。

优选地，定位终端设有定位解算算法和定位实时显示系统。

优选地，基站设有主基站和从基站，从基站的个数至少为2个。

本发明同时提供了一种高刷新率室内实时定位方法，具体包括如下步骤：

(1)初始化主基站、第一从基站、第二从基站......第n从基站和通信标签；

(2)步骤(1)中主基站、第一从基站、第二从基站......第n从基站进入接收状态；

(3)步骤(1)中通信标签定时广播启动信号，并进入接收状态；

(4)判断步骤(2)中的主基站是否接收到步骤(3)中通信标签的启动信号，如果判断结果为是，主基站将通信标签的地址信息加入通信链表中，更新所述通信链表，并发送应答信号给通信标签，进入接收状态；如果判断结果为否，返回步骤(2)；

(5)判断通信标签是否接收到步骤(4)中主基站的应答信号，若判断结果为是，通信标签发送携带主基站地址信息和本身地址信息的poll信号，记录poll信号发送时刻所对应的时间戳poll_tx，并进入接收状态；若判断结果为否，主基站将通信标签的地址信息从通信链表中删除，返回步骤(3)；

(6)判断主基站、第一从基站和第二从基站是否接收到步骤(5)中poll信号，若第一从基站接收到poll信号，进入步骤(7)；若主基站或第二从基站接收到poll信号，解析信号数据包中的通信标签地址，并直接进入接收状态；

(7)判断步骤(6)中第一从基站接收到的poll信号中主基站地址与第一从基站附属的主基站的地址是否一致，若判断结果为是，第一从基站记录poll信号接收时刻对应的时间戳poll_rx以及解析的通信标签地址，并发送携带本身地址信息的answer_1信号给通信标签，记录answer_1信号发送时刻对应的时间戳answer_1_tx，进入接收状态；若判断结果为否，第一从基站直接进入接收状态；

(8)判断第二从基站是否接收到步骤(7)中第一从基站的answer_1信号，若判断结果为是，第二从基站发送携带本身地址信息的answer_2信号给步骤(7)中通信标签，记录answer_2信号发送时刻对应的时间戳answer_2_tx，并进入接收状态；

(9)重复步骤(8)，直至判断所述第n从基站是否接收到第n-1从基站的answer_n-1信号，若判断结果为是，所述第n从基站发送携带本身地址信息的answer_n信号给所述步骤(7)中通信标签，记录answer_n信号发送时刻对应的时间戳answer_n_tx，并进入接收状态；

(10)判断主基站是否接收到来自步骤(8)和步骤(9)中第二从基站的answer_2信号至第n从基站的answer_n，若判断结果为是，主基站发送携带本身地址信息的answer_n+1信号给步骤(7)中通信标签，记录answer_n+1信号发送时刻对应的时间戳answer_n+1_tx，并进入接收状态；

(11)判断通信标签是否接收到步骤(7)～(10)中answer_1信号～answer_n+1信号，若判断结果为是，通信标签延迟发送携带代表完整通信的标志、时间戳信息answer_1_rx～answer_n+1_rx和final_tx的final信号，其中，final_tx为发送final信号时对应的时间戳；若判断结果为否，通信标签即刻发送携带代表不完整通信标志的final信号；通信标签发送final信号后，进入接收状态；

(12)判断主基站、第一从基站......第n从基站是否接收到步骤(10)中通信标签的final信号，若判断结果为是，判断final信号携带的标志类型，若判断标志类型为代表完整通信的标志，主基站、第一从基站......第n从基站记录final信号接收时刻对应的时间戳final_rx，利用wifi无线模块将步骤(5)～(11)中所有的时间戳信息回传至定位终端，返回步骤(4)；若判断所述标志类型为代表不完整通信标志，主基站、第一从基站......第n从基站重新进入接收状态，并返回步骤(4)。

本发明的有益效果是，在双边双向测距方式的基础上，利用uwb信号的广播性特点，对通信的时序和逻辑进行合理排布与规范，同时保证定位所需的每一个时间戳能够获取，从而突破了标签在每一次定位过程中需要轮询每个基站导致通信周期长、系统刷新率低的局限；此外，将数据回传的任务放至每一个基站中，利用基站在每一次定位结束后将数据发送至定位终端，既减少了定位所需的通信次数和单个设备的数据回传量，又降低了标签硬件电路的功耗，提高了系统的续航能力。

附图说明

图1为本发明的系统的结构示意图；

图2为本发明的通信原理图；

图3为本发明的主基站的程序流程图；

图4为本发明的标签的程序流程图。

附图标记：

1.主基站，2.第一从基站，3.第二从基站，4.通信标签，5.启动信号，6.应答信号1，7.poll信号，8.answer_1信号，9.answer_2信号，10.answer_3信号，11.final信号。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所描述的本发明。

如图1所示，在选取的定位区域内布置3个基站，其中一个基站作为主基站1，另外两个分别作为第一从基站2和第二从基站3。每一个基站均设有uwb核心处理器模块、uwb信号收发模块、数据存储模块、外置串口模块、系统供电模块、信号指示模块以及wifi无线模块，其中uwb信号收发模块的天线信号接收范围覆盖所选的定位区域。基站在上电并初始化后，会处于接收模式，并由主基站1检测是否存在进入定位区域的通信标签4所广播的启动信号。

每一个定位目标佩戴一个通信标签4。通信标签4设有uwb核心处理器模块、uwb信号收发模块、数据存储模块、外置串口模块、系统供电模块以及信号指示模块，其中uwb信号模块的天线信号接收范围覆盖到3个基站所在的位置。无论定位目标是否处于有效定位区域内，通信标签4均会每隔1s定时广播启动信号，以唤醒基站。

如图2、3、4所示，当定位目标进入定位区域内后，主基站1会接收到通信标签4的启动信号，并将通信标签4的地址添加到通信链表内。接着，主基站会根据通信链表内的地址信息发送应答信号6给通信标签，随后主基站1进入接收模式。通信标签4在检测到来自主基站的应答信号6后，会停止定时广播启动信号5，并记录下主基站1的地址信息。随后，通信标签4和基站间会按照一定的通信时序进行5次信号传递，分别为poll信号7、answer_1信号8、answer_2信号9、answer_3信号10和final信号11。每一次信号传递的过程中，通信标签4和基站均会记录下对应的发送和接收时刻所对应的时间戳信息。在最后一次final信号11的传递过程中，通信标签4会把记录的时间戳信息发送给每一个基站，并由基站的wifi无线模块传递给定位终端。定位终端会根据定位解算算法将时间戳信息进行整合计算，求出定位目标的坐标信息，并由定位显示系统进行显示。上述定位过程会按照图2所示的通信框图周期性运行。

本实例以3个基站为例，具体工作方法为：

(1)初始化主基站1、第一从基站2和第二从基站3，包括配置stm32芯片、唤醒并配置dw1000芯片；初始化通信标签4，包括配置stm32芯片、唤醒并配置dw1000芯片；

(2)步骤(1)中主基站1、第一从基站2和第二从基站3进入接收状态；

(3)步骤(1)中通信标签4定时广播启动信号5，并进入接收状态；

(4)判断步骤(2)中的主基站1是否接收到步骤(3)中通信标签4的启动信号5，如果判断结果为是，主基站将通信标签4的地址信息加入通信链表中，更新所述通信链表，并发送应答信号6给通信标签4，进入接收状态；如果判断结果为否，返回步骤(2)；

(5)判断通信标签4是否接收到步骤(4)中主基站1的应答信号6，若判断结果为是，通信标签4发送携带主基站1地址信息和本身地址信息的poll信号7，记录poll信号7发送时刻所对应的时间戳poll_tx，并进入接收状态；若判断结果为否，主基站将通信标签4的地址信息从通信链表中删除，返回步骤(3)；

(6)判断主基站1、第一从基站2和第二从基站3是否接收到步骤(5)中poll信号7，若第一从基站2接收到poll信号7，进入步骤(7)；若主基站1或第二从基站3接收到poll信号7，解析信号数据包中的通信标签地址，并直接进入接收状态；

(7)判断步骤(6)中第一从基站2接收到的poll信号7中主基站2地址与第一从基站2附属的主基站1的地址是否一致，若判断结果为是，第一从基站2记录poll信号7接收时刻对应的时间戳poll_rx以及解析的通信标签4地址，并发送携带本身地址信息的answer_1信号8给通信标签4，记录answer_1信号8发送时刻对应的时间戳answer_1_tx，进入接收状态；若判断结果为否，第一从基站直接进入接收状态；

(8)判断第二从基站3是否接收到步骤(7)中第一从基站2的answer_1信号8，若判断结果为是，第二从基站3发送携带本身地址信息的answer_2信号9给步骤(7)中通信标签4，记录answer_2信号9发送时刻对应的时间戳answer_2_tx，并进入接收状态；

(9)判断主基站1是否接收到来自步骤(8)中第二从基站2的answer_2信号9，若判断结果为是，主基站1发送携带本身地址信息的answer_3信号10给步骤(7)中通信标签4，记录answer_3信号10发送时刻对应的时间戳answer_3_tx，并进入接收状态；

(10)判断通信标签4是否接收到所述步骤(7)answer_1信号8、步骤(8)answer_2信号9和步骤(9)answer_3信号10，若判断结果为是，通信标签4延迟发送携带代表完整通信的标志、时间戳信息answer_1_rx、answer_2_rx、answer_3_rx和final_tx的final信号，其中，final_tx为发送final信号11时对应的时间戳；若判断结果为否，通信标签4即刻发送携带代表不完整通信标志的final信号11；通信标签4发送final信号11后，进入接收状态；

(11)判断主基站1、第一从基站2和第二从基站3是否接收到步骤(10)中通信标签4的final信号11，若判断结果为是，判断final信号11携带的标志类型，若判断标志类型为代表完整通信的标志，主基站1、第一从基站2和第二从基站3记录final信号11接收时刻对应的时间戳final_rx，利用wifi无线模块将步骤(5)～(11)中所有的时间戳信息回传至定位终端，返回步骤(4)；若判断标志类型为代表不完整通信标志，主基站1、第一从基站2和第二从基站3重新进入接收状态，并返回步骤(4)。最后，定位终端依据如下公式：

tround1＝answer_rx-poll_tx

treply1＝answer_tx-poll_rx

tround2＝final_rx-answer_tx

treply2＝final_tx-answer_rx

ttof＝(tround1×tround2-treply1×treply2)/(tround1+tround2+treply1+treply2)

定位终端将answer_1_rx、answer_2_rx，answer_3_rx依次替换公式中的answer_rx，计算出标签到第一从基站2、第二从基站3和主基站1之间的距离，由定位解算算法求出定位目标的坐标信息，从而将每一次定位的通信次数缩短至5次，提高了toa系统的刷新率；同时，通信标签4无需进行数据回传，降低了硬件模块的功耗值，提高了系统的续航能力。以此类推，如果采用四基站定位，每一次通信的次数仅需要6次，相比于原有toa系统的通信方式，本发明在四基站定位中的刷新率提高了约1.67倍。

惟以上者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。