一种基于动态基准标签的超宽带室内定位系统的制作方法

本实用新型涉及室内物联网及电子通信领域，特别涉及一种基于动态基准标签的超宽带室内定位系统。

背景技术：

定位技术是建设和架构物联网非常重要的一环，在社会和工业等各个领域具有广泛的应用。目前，室外定位主要基于卫星定位技术。但是在实际使用过程中，发现gps定位技术存在很多不足。例如，定位精度不够，现有商用gps精度一般都维持在米级，在很多特殊场合并不能满足要求。而在室内或地下应用场合，卫星信号无法到达，此时卫星根本无法完成定位工作。在此背景下，各种无线定位技术应运而生。其中相对成熟的技术，有超声波定位、微雷达定位、红外定位和rfid定位等。而基于超宽带通信(uwb)的定位技术，采用3.5ghz～6.5ghz频段，因其功耗低、定位精度高、定位方法可靠，受到了广泛的重视。

然而，在实际使用过程中发现，由于uwb定位模块多采用3.5ghz～6.5ghz频段。该频段信号空气损耗大，传播距离相对较近。同时，由于室内环境复杂，uwb信号很容易受到遮挡，这样极大降低了定位技术的可靠性。

为了解决该问题，目前常用的方法是设置冗余定位基站。但是该方案不仅增加了系统的成本，并无法完全解决定位可靠性的问题。另一种方案是采用其他标签作为临时基站，但是这种方案将造成节点误差的增加。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种基于动态基准标签的超宽带室内定位系统，解决现有uwb定位技术存在定位死角的问题，减少定位基站的数量，降低定位系统的建设成本，提高定位系统的可靠性。

为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种基于动态基准标签的超宽带室内定位系统，所述定位系统包括：标定端、标签运动端和服务器；

所述标定端包括位于标定平面上的动态基准标签和n个定位基站，所述标定平面平行于水平面，所述动态基准标签在标定平面上移动；

所述标签运动端包括位于标签运动平面上的多个标签，所述标签运动平面平行于所述标定平面且位于标定平面的下方；所述标签与定位基站进行通信；

所述服务器分别与动态基准标签、定位基站和标签进行通信；

所述动态基准标签包括第二微处理器、第二电源模块、第二超宽带定位模块、第二wifi模块、激光发射模块、x轴激光测距模块、y轴激光测距模块和步进电机模块；第二微处理器的i/o接口分别连接第二超宽带定位模块、第二wifi模块、激光发射模块、x轴激光测距模块、y轴激光测距模块和步进电机模块，第二微处理器的电源接口连接第二电源模块；所述第二wifi模块通过wifi网络与服务器进行通信。

作为本实用新型的进一步限定，所述第二微处理器采用意法半导体公司的stm32f103c8t6芯片。

作为本实用新型的进一步限定，所述第二超宽带定位模块采用decawave公司的dwm1000芯片。

作为本实用新型的进一步限定，所述第二wifi模块采用esp8266芯片。

作为本实用新型的进一步限定，所述激光发射模块采用m2激光对射光电开关的发射端。

作为本实用新型的进一步限定，所述步进电机模块包括步进电机和与步进电机连接的驱动器，所述驱动器连接第二微处理器的i/o接口。

作为本实用新型的进一步限定，所述定位基站包括第一微处理器、第一电源模块、第一wifi模块和第一超宽带定位模块；第一微处理器的i/o接口分别连接第一wifi模块和第一超宽带定位模块，第一微处理器的电源接口连接第一电源模块；所述第一wifi模块通过wifi网络与服务器进行通信；所述第一超宽带定位模块通过超宽带信道与标签的第三超宽带定位模块进行通信

作为本实用新型的进一步限定，所述标签包括第三微处理器、第三电源模块、第三超宽带定位模块、第三wifi模块、激光接收模块和加速度传感器；第三微处理器的i/o接口分别连接加速度传感器、激光接收模块、第三wifi模块和第三超宽带定位模块，第三微处理器的电源接口连接第三电源模块；所述第三wifi模块通过wifi网络与服务器进行通信。

作为本实用新型的进一步限定，所述加速度传感器采用mup9250传感器。

作为本实用新型的进一步限定，所述n为大于等于3的整数。

与现有技术相比，本实用新型实施例提供的一种基于动态基准标签的超宽带室内定位系统，解决了现有uwb定位技术存在定位死角的问题。本实施例中，标定端、标签运动端和服务器三者之间进行通信，标定端包括n个定位基站和可移动的动态基准标签，标签运动端包括多个标签，标签通过与多个定位基站通信获得其定位坐标。当标签由于遮挡等原因无法与某个定位基站建立通信联系时，标签估算出当前的坐标并发送给服务器，服务器将标签的估算坐标发送给动态基准标签，动态基准标签移动到估算坐标位置，临时代替基站实施定位，可以有效减少室内定位系统的盲区，提高定位系统的可靠性，减少定位基站的数量，降低定位系统的成本。正常定位时，标签通过与定位基站通信获得其定位坐标，并将定位坐标发送给服务器，服务器再将标签的定位坐标和搜索范围发送给动态基准标签，动态基准标签在搜索范围内移动直至标签接收到动态基准标签发射的激光信号后停止，此时动态基准标签的坐标为标签的修正坐标，既而得到该标签与各个定位基站之间的定位误差，将定位误差作为补偿量用于后续标签定位中，从而有效补偿了超宽带定位模块的自身误差，提高了定位精度。

附图说明

图1为本实用新型实施例的基于动态基准标签的超宽带室内定位系统的架构示意图；

图2为本实用新型实施例的动态基准标签的结构示意图；

图3为本实用新型实施例的定位基站的结构示意图；

图4为本实用新型实施例的标签的结构示意图；

图5为本实用新型实施例动态基准标签搜索标签的示意图；

图中包含：服务器1、标定平面2、标签运动平面3、动态基准标签4、定位基站5、标签6、第一微处理器51、第一电源模块52、第一超宽带定位模块53、第一wifi模块54、第二微处理器21、第二电源模块22、第二超宽带定位模块23、第二wifi模块24、激光发射模块25、x轴激光测距模块26、y轴激光测距模块27、步进电机模块28、第三微处理器31、第三电源模块32、第三超宽带定位模块33、第三wifi模块34、激光接收模块35、加速度传感器36。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种基于动态基准标签的超宽带室内定位系统，包括：标定端、标签运动端和服务器1。标定端包括动态基准标签4和n个定位基站5，动态基准标签4和定位基站5均位于平行于水平面的标定平面2上，动态基准标签4在标定平面2上移动。标签运动端包括多个标签6，标签6均位于标签运动平面3上，标签运动平面3平行于标定平面2且位于标定平面2的下方。标签6与定位基站5进行通信，服务器1分别与动态基准标签4、定位基站5和标签6进行通信。使用时，标定端布置在室内的顶层天花板，标签端3设置在标定端的下方。

所述标签6用于向定位基站5发送定位信息；用于接收定位基站5发送的反馈信号，计算得到自身与定位基站5的距离，结合定位基站5的坐标得到自身的定位坐标，并向服务器1发送自身的定位坐标和误差补偿申请；用于接收动态基准标签4发送的激光，向服务器1发送收到通知。

所述定位基站5用于接收标签6发送的定位信息，向标签6发送反馈信号。

所述服务器1用于接收标签6发送的标签定位坐标，向动态基准标签4发送标签定位坐标和搜索范围；用于接收标签6发送的收到通知，向动态基准标签4发送停止移动信号；用于接收动态基准标签4发送的动态基准标签坐标，获得误差补偿量并存储。

所述动态基准标签4用于接收服务器1发送的标签定位坐标和搜索范围，在标定平面上搜索范围内移动并向下发射激光；用于接收服务器1发送的停止移动信号，向服务器1发送自身的坐标。

所述标签6还用于向服务器1发送定位申请，并向服务器1发送其与定位基站之间的新距离。

所述服务器1还用于接收标签6发送的定位申请和新距离，结合存储的误差补偿量，计算得到标签与定位基站之间的修正距离。

所述标签6还用于向服务器1发送补盲申请和估算坐标；用于向定位基站5发送定位信息；用于接收定位基站5发送的反馈信号，计算得到自身与定位基站5的距离；用于接收服务器1发送的动态基准标签坐标，计算得到其与动态基准标签的距离以及其与定位基站的距离，得到其精确坐标。

所述服务器1还用于接收标签6发送的补盲申请和估算坐标，向动态基准标签4发送标签估算坐标；用于接收动态基准标签发送的动态基准标签坐标，向标签6发送动态基准标签坐标。

所述动态基准标签4还用于接收服务器1发送的标签估算坐标，移动至标签估算坐标位置，向服务器发送其坐标；用于接收标签6发送的定位信息，向标签6发送反馈信号。

作为优选例，如图2所示，动态基准标签4包括第二微处理器21、第二电源模块22、第二超宽带定位模块23、第二wifi模块24、激光发射模块25、x轴激光测距模块26、y轴激光测距模块27和步进电机模块28。第二微处理器21的i/o接口分别连接第二超宽带定位模块23、第二wifi模块24、激光发射模块25、x轴激光测距模块26、y轴激光测距模块27和步进电机模块28，第二微处理器21的电源接口连接第二电源模块22。第二wifi模块24通过wifi网络与服务器1进行通信。

所述第二微处理器21用于经第二wifi模块24接收服务器1发送的标签定位坐标和搜索范围，向步进电机模块28发送移动信号，向激光发射模块25发送发射信号。所述步进电机模块28用于接收第二微处理器21发送的驱动信号，驱动动态基准标签移动。所述激光发射模块25用于接收第二微处理器21发送的发射信号，向下发射激光。所述第二微处理器21还用于经第二wifi模块24接收服务器1发送的停止移动信号，向步进电机模块28发送停止信号。所述x轴激光测距模块26和y轴激光测距模块27分别用于测量动态基准标签到x轴和y轴原点的距离，并向第二微处理器21发送动态基准标签到x轴和y轴原点的距离。所述第二微处理器21还用于接收x轴激光测距模块26和y轴激光测距模块27发送的动态基准标签到x轴和y轴原点的距离，计算得到动态基准标签的坐标，并经第二wifi模块24发送给服务器1。所述第二微处理器21还用于经第二超宽带模块23接收标签6发送的定位编码信息，生成反馈信息经第二超宽带模块23发送给标签6。

本实用新型实施例提供的基于动态基准标签的超宽带室内定位系统，可有效解决现有uwb定位技术存在定位死角的问题。本实施例中，标定端、标签运动端和服务器三者之间进行通信，标定端包括n个定位基站和可移动的动态基准标签，标签运动端包括多个标签，标签通过与多个定位基站通信获得其定位坐标。当标签由于遮挡等原因无法与某个定位基站建立通信联系时，标签估算出当前的坐标并发送给服务器，服务器将标签的估算坐标发送给动态基准标签，动态基准标签移动到估算坐标位置，临时代替基站实施定位，可以有效减少室内定位系统的盲区，提高定位系统的可靠性，减少定位基站的数量，降低定位系统的成本。

作为优选例，所述第二微处理器21采用意法半导体公司的stm32f103c8t6芯片。所述第二超宽带定位模块23采用decawave公司的dwm1000芯片。所述第二wifi模块24采用esp8266芯片。所述激光发射模块25采用m2激光对射光电开关的发射端。所述步进电机模块28包括步进电机和与步进电机连接的驱动器，所述驱动器连接第二微处理器21的i/o接口。步进电机采用57步进电机，采用tb6600驱动器控制。

作为优选例，如图3所示，定位基站5包括第一微处理器51、第一电源模块52、第一wifi模块54和第一超宽带定位模块53。第一微处理器51的i/o接口分别连接第一wifi模块54和第一超宽带定位模块53，第一微处理器51的电源接口连接第一电源模块52。第一wifi模块54通过wifi网络与服务器1进行通信，第一超宽带定位模块53通过超宽带信道与标签6的第三超宽带定位模块33进行通信。

所述第一微处理器51用于经第一超宽带模块53接收标签6发送的定位编码信息，生成反馈信息经第一超宽带模块53发送给标签6。

作为优选例，所述第一微处理器51采用意法半导体公司的stm32f103c8t6芯片。所述第一超宽带定位模块53采用decawave公司的dwm1000芯片。所述第一wifi模块54采用esp8266芯片。

作为优选例，如图4所示，标签6包括第三微处理器31、第三电源模块32、第三超宽带定位模块33、第三wifi模块34、激光接收模块35和加速度传感器36。第三微处理器31的i/o接口分别连接加速度传感器36、激光接收模块35、第三wifi模块34和第三超宽带定位模块33，第三微处理器31的电源接口连接第三电源模块32。第三wifi模块34通过wifi网络与服务器1进行通信。

所述第三微处理器31用于经第三超宽带定位模块33向定位基站发送定位信息，经第三超宽带定位模块33接收定位基站5发送的反馈信号，计算得到自身与定位基站的距离，结合定位基站的坐标得到自身的定位坐标，经第三wifi模块34向服务器1发送自身的定位坐标和定位补偿申请。所述激光接收模块35用于接收动态基准标签4发射的激光，向第三微处理器发送接收信号。所述第三微处理器31还用于接收激光接收模块35发送的接收信号，经第三wifi模块34向服务器1发送收到通知。所述第三微处理器31还用于经第三wifi模块34向服务器1发送定位申请和其与定位基站之间的新距离。所述第三微处理器31还用于读取加速度传感器36测量的加速度，根据存储的历史速度，计算得到标签当前与上一次定位时的位移，根据计算得到的位移和存储的上一次定位的定位坐标，得到标签的估算坐标，经第三wifi模块34向服务器1发送补盲申请和估算坐标。所述第三微处理器31用于经第三超宽带定位模块33向动态基准标签4发送定位信息，经第三超宽带定位模块33接收动态基准标签发送的反馈信号，计算得到自身与动态基准标签的距离。所述第三微处理器31还用于经第三wifi模块34接收服务器发送的动态基准标签坐标，结合其与动态基准标签的距离以及其与定位基站的距离，得到标签的精确坐标。

作为优选例，所述第三微处理器31采用意法半导体公司的stm32f103c8t6芯片。所述第三超宽带定位模块33采用decawave公司的dwm1000芯片。所述第三wifi模块34采用esp8266芯片。所述激光接收模块35采用m2激光对射光电开关的接收端。所述加速度传感器36采用mup9250传感器。

作为优选例，定位基站5的个数n大于等于3。定位时，根据标签6与各定位基站5之间的距离，以及各定位基站5的坐标，就可得到标签6的坐标。定位基站至少要有3个，才可计算得到标签6的二维坐标。定位基站多于3个，在某定位基站出现故障的情况下，其它的定位基站可作为替补进行定位，在故障定位基站未能及时修护的情况下不影响定位功能。

本实用新型实施例提供的基于动态基准标签的超宽带室内定位系统的工作过程如下：

s101、标签6获得自己的定位坐标，并将定位坐标和误差补偿申请发送给服务器1。

其中，标签6获得自己的定位坐标的步骤是：标签6发送定位信息给各定位基站5，各定位基站5均发送反馈信号，标签6通过计算发送定位信息与接收反馈信号之间的时间差，与信号速度相乘即可得到标签6与各定位基站的距离l1,l2,……,ln。根据直线距离l1,l2,……,ln和各定位基站5的坐标(xb1,yb1),(xb2,yb2),……,(xbn,ybn)，得到标签6的定位坐标。其中，各定位基站的坐标在安装定位基站时测量获得。

s102、服务器1接收到标签6的定位坐标后，以标签6的定位坐标为中心，以超宽带定位模块的最大误差为半径，确定标签6的搜索范围。服务器1接收到所有标签的定位坐标，判断该标签6的搜索范围内有无其它标签，若没有，则将标签6的定位坐标和搜索范围发送给动态基准标签4。

s103、动态基准标签4收到服务器1发送的标签6的定位坐标和搜索范围后，在标定平面上标签6的搜索范围内移动，并垂直向下发射激光信号。当标签6接收到动态基准标签4发射的激光信号后，发送收到通知给服务器1。

s104、服务器1接收到标签6发送的收到通知后，通知动态基准标签4停止移动，动态基准标签4通过x轴激光测距模块26和y轴激光测距模块27，可以精确获得其与x轴和y轴原点的距离，从而获得自己的坐标，动态基准标签4将动态基准标签坐标发送给服务器1，服务器1收到动态基准标签坐标后将动态基准标签坐标作为标签6的修正坐标(x0,y0)。

s105、服务器1根据所述修正坐标(x0,y0)，得到标签6与各定位基站5之间的定位误差δl1,δl2,,…..,δln，具体计算如下式：

服务器1将所述定位误差作为误差补偿量，存储用于下一次定位计算中。

s106、若在设定更新时间段内，标签6再次定位，向服务器1发送定位申请，并将通过与各定位基站5之间的超宽带通信获取的其与各定位基站之间的新距离nl1,nl2,……,nln发送给服务器1，服务器1根据上述得到的误差补偿量，计算得到标签6与各定位基站之间的修正距离al1,al2,……,aln，具体计算如下式：

s107、若超过设定更新时间段，执行步骤s101-s105，更新误差补偿量。

s201、如图5所示，当标签6无法与其中一个定位基站5进行通信时，发送动态基准标签补盲申请给服务器1。

s202、读取加速度传感器36测量的加速度，根据存储的历史速度，计算得到标签当前与上一次定位时的位移，计算公式如下：

式中，sn表示位移，a表示加速度，vn-1表示历史速度。

根据计算得到的位移和存储的上一次定位的定位坐标，得到标签的估算坐标，将估算坐标通过wifi网络发送给服务器1。

s203、服务器1收到标签6的估算坐标后，通过wifi网络将估算坐标发送给动态基准标签4，动态基准标签4移动至标签6的估算坐标位置，并将此时自身的坐标发送给服务器，服务器将动态基准标签4的坐标发送给标签6。

s204、标签6接收服务器1发送的动态基准标签的坐标。

s205、标签6获得其与动态基准标签4之间的距离，获得其与跟其进行通信的任两个定位基站之间的距离以及所述定位基站的坐标，得到标签6的精确坐标。

其中，标签6获得其与各定位基站之间的距离的方法是：标签6发送定位信息给各定位基站5，各定位基站5均发送反馈信号，标签6通过计算发送定位信息与接收反馈信号之间的时间差，与信号速度相乘即可得到标签6与跟其通信的任两个定位基站的距离l1和l2。标签6采用相同的方法获得其与动态基准标签之间的距离l3。

通过下式可以计算得到标签的精确坐标(x0,y0)：

式中，(xb1,yb1)和(xb2,yb2)表示与所述标签进行通信的任两个定位基站的坐标，l1和l2分别表示标签与两个定位基站的距离，l3表示标签与动态基准标签之间的距离，(xb3,yb3)表示动态基准标签的坐标。

以上显示和描述了本实用新型创造的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本设计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设计的原理，在不脱离本设计精神和范围的前提下，本实用新型创造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设计范围内。本实用新型创造要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。