一种基于UWB技术的定位系统架构、定位方法与流程

一种基于uwb技术的定位系统架构、定位方法
技术领域
1.本发明涉及化工厂区定位技术领域，尤其是一种基于uwb技术的定位系统架构、定位方法。


背景技术：

2.在化工领域，其生产厂区一般面积较大，为了保障安全生产和监管需求，需要对特定设备或人员进行精确定位。通常，化工厂中按安全等级划分为多个区域，不同区域的安全防护等级不一样，对定位精度、安规要求也不一样。
3.现有的蓝牙定位技术，主要是采用基于rssi(接收信号强度指示)的定位方式，其最大的问题在于，室内环境复杂，而蓝牙作为2.4ghz高频信号，会受到很大的干扰。而与此同时，为了提高定位精度，就不得不对rssi值进行多次获取来获得平滑结果，这就意味着定位延时的增加。因此，蓝牙定位技术很难同时满足定位精度和及实时性的要求，在一些要求苛刻的化工场景难以获得满意效果。
4.还有一种uwb(ultra wide band)定位技术，中文称超宽带技术，是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有ghz量级的带宽。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。
5.现有的uwb技术采用图1所示的三层架构，自底向上分别为：定位标签、定位基站、定位引擎。该架构中定位基站既承担了定位通信功能，又承担了数据回传功能，因为定位数据量大、功耗较高，所以在实际应用中需要通过有线方式供电、供网，如图1所示定位基站1
‑
4均与定位引擎通过有线连接，这无形之中给工程应用带来极大的困扰。而针对化工场景，危险区域不便于布设电线，严重阻碍了uwb技术在化工领域的推广。
6.针对精度要求比较高的且安全等级比较苛刻的化工领域，亟需一种新的定位技术来满足定位精度和安全性的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种布设简单安全、定位精度高的基于uwb技术的定位系统架构。
8.本发明的目的是通过以下技术方案实现：
9.一种基于uwb技术的定位系统架构，用于化工厂区内目标的定位，包括：
10.uwb定位标签，设置于需要定位的所述目标上；
11.uwb定位信标，数量为多个，按照预设规律固定设置于所述化工厂区内，每个所述uwb定位信标均包括用于供电的电池，所述uwb定位标签与多个所述uwb定位信标采用uwb信号进行无线定位通信，以获取所述uwb定位标签相对多个所述uwb定位信标的位置信息；
12.通信基站，覆盖多个所述uwb定位信标的定位区域，用于无线接收覆盖区域内的多个所述uwb定位标签的所述位置信息；
13.定位引擎，与所述通信基站通信连接，用于接收各所述uwb定位标签的所述位置信息并对所述位置信息进行位置解算，以获得各所述uwb定位标签的位置坐标。
14.在其中一实施例中，至少3个所述uwb定位信标组成一个定位单元，所述定位单元中的其中一个所述uwb定位信标为定位主信标，其余的所述uwb定位信标为定位从信标，所述定位主信标用于定位通信的发起，所述定位从信标响应所述定位主信标的发起而启动定位通信，所述定位主信标和所述定位从信标共同确定所述uwb定位标签的所述位置信息。
15.在其中一实施例中，所述定位引擎根据所述uwb定位标签收到各所述uwb定位信标的所述uwb信号所花费的时间计算所述uwb定位标签相对各所述uwb定位信标的距离值，进而解算所述位置坐标；或，
16.所述定位引擎根据所述uwb定位标签收到两对所述uwb定位信标的所述uwb信号的时间差值计算所述uwb定位标签相对每对中两个所述uwb定位信标的距离差，进而解算所述位置坐标。
17.在其中一实施例中，所述uwb定位信标包括低功耗的休眠状态和进行定位通信的工作状态，所述定位主信标用于定期发送包含启动定位通信的开启信号，在定位通信结束后，所述定位主信标和所述定位从信标进入所述低功耗状态。
18.在其中一实施例中，所述uwb定位信标包括uwb信号发送芯片，用于发射含有所述uwb定位信标信息和对应发射时间戳的所述uwb信号；
19.所述uwb定位标签包括uwb信号接收芯片以及无线传输模块，所述无线传输模块与所述uwb信号接收芯片连接，所述uwb信号接收芯片用于接收所述uwb信号，所述无线传输模块用于将所述uwb信号接收芯片接收的所述uwb信号和各自收到所述uwb信号的时间戳发送到所述通信基站，所述通信基站回传到所述定位引擎。
20.在其中一实施例中，所述定位引擎包括toa定位模式和tdoa定位模式以及用于识别所述uwb定位标签的并发数量的识别模块，若所述uwb定位标签的并发数量小于预设阈值，所述定位引擎启动所述toa定位模式，若所述uwb定位标签的并发数量大于等于预设阈值，所述定位引擎启动所述tdoa定位模式
21.在其中一实施例中，所述无线传输模块包括wi
‑
fi模块或低功耗蓝牙模块或lora模块或zigbee模块。
22.本发明还提供了一种基于uwb技术的定位方法，所述方法包括：
23.s2：按照预设规律布设各uwb定位信标，建立定位区域的相对位置坐标系，测量并记录各所述uwb定位信标的坐标值；
24.s4：在需要定位的目标上设置uwb定位标签，每个所述uwb定位标签与uwb定位信标之间以uwb信号周期性地收发数据帧，同时所述uwb定位信标和所述uwb定位标签记录发送和接收所述数据帧的时间戳，以获取所述uwb定位标签相对多个所述uwb定位信标的位置信息；
25.s6：所述uwb定位标签将带有时间戳的所述数据帧回传至通信基站；
26.s8：所述通信基站接收所述uwb定位标签发送过来带有时间戳的所述数据帧，并将所述数据帧传送至定位引擎；
27.s10：定位引擎对每个所述uwb定位标签的所述位置信息进行位置解算，以获得所述uwb定位标签的位置坐标。
28.在其中一实施例中，在步骤s8中，所述定位引擎根据记录的时间戳确定所述uwb定位标签收到不同的所述uwb定位信标的所述数据帧之间的时间差，并利用预设定位算法计算所述uwb定位标签的位置坐标；或，在步骤s8中，所述定位引擎根据记录的所述uwb定位标签收到的各所述uwb定位信标的所述数据帧的时间戳，计算所述uwb定位标签相对各所述uwb定位信标的距离值，求解所述uwb定位标签的位置坐标。
29.在其中一实施例中，所述定位引擎包括toa定位模式和tdoa定位模式以及用于识别所述uwb定位标签的并发数量的识别模块；
30.在步骤s8中，所述定位引擎根据所述uwb定位标签的并发数量选择所述toa定位模式或者tdoa定位模式：若所述uwb定位标签的并发数量小于预设阈值，所述定位引擎启动所述toa定位模式，若所述uwb定位标签的并发数量大于等于预设阈值，所述定位引擎启动所述tdoa定位模式。
31.在其中一实施例中，所述uwb定位信标包括uwb信号发送芯片，所述uwb信号发送芯片周期性的发射含有所述uwb定位信标信息和对应发射时间戳的所述uwb信号的数据帧；
32.所述uwb定位标签包括uwb信号接收芯片以及无线传输模块，所述uwb信号接收芯片接收所述uwb信号，所述无线传输模块将所述uwb信号接收芯片接收的所述数据帧和各自收到所述数据帧的时间戳发送到所述通信基站，所述通信基站回传到所述定位引擎。
33.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明所提供的定位系统架构和定位方法，采用四层架构，定位厂区内采用有源的uwb定位信标，无需铺设电线，布设简单安全，适用于安全要求高的化工厂区场景，而且基于uwb技术的定位系统架构定位精度高、功耗低、复杂度低，易于操作、抗多径效果良好。
附图说明
34.图1是背景技术中uwb三层架构图。
35.图2是本发明一实施例提供的基于uwb技术的定位系统架构示意图。
36.图3是本发明一实施例提供的基于uwb技术的定位方法流程图。
具体实施方式
37.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图，对本技术的具体实施方式做详细的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本技术，而非对本技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本技术相关的部分而非全部结构。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
38.本技术中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
39.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包
含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
40.请参阅图2所示，本发明一实施例提供了一种基于uwb技术的定位系统架构，该定位系统架构分为四层，自底向上分别为：uwb定位标签、uwb定位信标、通信基站和定位引擎。
41.本发明提供的定位系统架构应用于化工厂区内目标的定位，其中，目标可以是人，也可以是静止或移动的物体，移动物体例如自动机器人、移动小车等。
42.uwb定位标签设置在需要定位的目标上。具体而言，uwb定位标签内置供电电池，即采用无线方式供电，以便于携带和移动。uwb定位标签具有唯一对应目标的识别码，通过读取uwb定位标签的识别码可以唯一确定所对应的目标，因此可以通过确定uwb定位标签的位置坐标得出对应目标的位置坐标，实现对目标的定位和跟踪。
43.uwb定位信标的数量为多个，多个uwb定位信标按照预设规律固定设置于化工厂区内，每个uwb定位信标具有唯一对应化工厂区的位置坐标。具体的，每个uwb定位信标均包括用于供电的电池，因此，uwb定位信标的设置无需布线，即无需进行弱电施工，杜绝了因进行弱电施工而带来的安全隐患，这样不仅节约人力物力和空间，还适用于安全等级要求高不便于布线的化工生产厂区，提高了应用效率。
44.uwb定位标签与多个uwb定位信标采用uwb信号进行无线定位通信。由于多个uwb定位信标的位置坐标是已知的，uwb定位标签通过uwb信号与uwb定位信标进行无线定位通信，根据发出和接收到uwb信号的时间戳可以计算uwb定位标签相对多个uwb定位信标的位置信息，进而可以根据uwb定位标签相对多个uwb定位信标的位置信息解算uwb定位标签的位置坐标。具体的，uwb定位标签与uwb定位信标之间以uwb信号周期性地收发数据帧，同时uwb定位信标和uwb定位标签记录发送和接收数据帧的时间戳，带有时间戳的数据帧可以用于获得uwb定位标签相对各uwb定位信标的位置信息。这里，uwb定位标签相对各uwb定位信标的位置信息也可以是带有时间戳的数据帧或者经过数据处理之后的带有时间戳的数据帧。
45.一实施例中，uwb定位信标包括uwb信号发送芯片，用于发射含有uwb定位信标信息和对应发射时间戳的uwb信号。uwb定位标签包括uwb信号接收芯片以及无线传输模块，无线传输模块与uwb信号接收芯片连接，uwb信号接收芯片用于接收uwb定位信标发出的uwb信号，无线传输模块用于将uwb信号接收芯片接收的uwb信号和各自收到uwb信号的时间戳发送到通信基站，通信基站回传到定位引擎。其中，无线传输模块可以包括wi
‑
fi模块，当然也可以包括低功耗蓝牙模块、lora模块或zigbee模块。
46.在一具体实施例中，至少3个uwb定位信标组成一个定位单元，定位单元中的其中一个uwb定位信标为定位主信标，其余的uwb定位信标为定位从信标，定位主信标用于定位通信的发起，定位从信标响应定位主信标的发起而启动定位通信，定位主信标和定位从信标共同确定uwb定位标签的位置信息。在图2所示的实施例中，定位单元包括4个uwb定位信标，分别为uwb定位信标1
‑
4，其中一个为定位主信标，其余三个为定位从信标，示例性的，uwb定位信标1为定位主信标，uwb定位信标2
‑
4为定位从信标。定位单元是确定uwb定位标签位置坐标的最小信标组合，每一次对uwb定位标签的位置识别，都需要通过至少一个定位单元。其中，定位单元中所采用的定位主信标和定位从信标可以是变化的，其随着uwb定位标签的位置移动就近选择定位主信标和定位从信标。
47.通信基站，覆盖多个uwb定位信标的定位区域，与定位区域内的uwb定位标签无线通信，用于无线接收覆盖区域内的多个uwb定位标签的位置信息。通信基站的数量可以是一个，也可以是多个。一个通信基站能够覆盖n个uwb定位单元，其中，n为大于等于1的自然数，通信基站能够接收覆盖范围内的多个uwb定位标签的位置信息的回传。
48.定位引擎，与通信基站通信连接，通信基站接收的uwb定位标签的位置信息传送至定位引擎，定位引擎接收各uwb定位标签的位置信息并对位置信息进行位置解算，从而获得各uwb定位标签的位置坐标。
49.本发明所提供的基于uwb技术的定位系统架构，采用四层架构，定位厂区内采用有源的uwb定位信标，无需弱电施工铺设电线，布设简单安全，适用于安全要求高的化工厂区场景，利用uwb定位标签进行数据回传，保障uwb定位信标的较低的功耗，持续工作时间延长，而且基于uwb技术的定位系统架构定位精度高、功耗低、复杂度低，易于操作、抗多径效果良好。
50.下面具体介绍uwb定位技术的定位方式。
51.一实施例中采用toa(time
‑
of
‑
arrival)定位模式，即基于到达时间，通过计算一个定位单元内各个uwb定位信标与uwb定位标签之间的距离值求出uwb定位标签的位置坐标。具体而言，定位引擎根据uwb定位标签接收一个定位单元内各个uwb定位信标的uwb信号所花费的时间计算uwb定位标签与各uwb定位信标之间的距离值，根据uwb定位标签与至少3个不同的uwb定位信标的距离值，确定uwb定位标签的位置坐标。
52.另一实施例中采用tdoa(time different of arrival)定位模式，即基于到达时间差，计算一个定位单元内任意两对uwb定位信标与uwb定位标签之间的距离差，求出uwb定位标签的位置坐标。具体的，定位引擎根据uwb定位标签收到两对uwb定位信标的uwb信号的时间差值计算uwb定位标签相对每对中两个uwb定位信标的距离差，根据距离差做双曲线，双曲线的交点即为uwb定位标签的位置坐标。tdoa定位模式不必要进行uwb定位信标和移动终端之间的同步，而只需要uwb定位信标之间进行同步。因为uwb定位信标的位置是固定的，uwb定位信标之间进行同步与uwb定位信标和移动终端之间进行同步要容易实现得多，因此tdoa定位模式实现起来更加简单。
53.可以理解的，由于采用电池供电，uwb定位信标的功耗不能太高，否则电池无法满足uwb定位信标对功率的要求，同时uwb定位信标的持续使用寿命降低，带来换电的麻烦。一实施例中，为了降低uwb定位信标的能耗，uwb定位信标包括低功耗的休眠状态和进行定位通信的工作状态，定位主信标用于定期发送包含启动定位通信的开启信号，在定位通信结束后，定位主信标和定位从信标进入低功耗状态。
54.在采用toa定位模式的实施例中，定位主信标作为定位通信的发起者。其基本步骤包括：
55.1)定位主信标定期广播低功耗蓝牙同步帧，同步帧的内容主要包括开启uwb信号接收的时刻t，当到t时刻定位主信标开启uwb接收，应答uwb定位标签的测距请求，其余时间均处于低功耗状态。
56.2)定位从信标接收到定位主信标的蓝牙同步帧，获取开启uwb接收的时刻t，当定位从信标的时间到达t时刻开启uwb接收，应答uwb定位标签的测距请求，其余时间均处于低功耗状态。
57.3)uwb定位标签接收到定位主信标的蓝牙同步帧，获取开启uwb接收的时刻t，当uwb定位标签的时间到达t时刻，发起测距请求，记录测距请求的时间戳，发送完成后打开uwb接收。
58.4)定位主信标和定位从信标分别接收到uwb定位标签的测距请求，顺序发送uwb应答信号，发送完成后立即进入超低功耗状态。
59.5)uwb定位标签顺序接收到uwb定位信标的应答，保存对应的接收时间戳，从而计算uwb定位标签与各uwb定位信标的距离值。
60.6)定位引擎通过uwb定位标签与uwb定位信标的各距离值求解出uwb定位标签的位置坐标。
61.toa定位模式是通过低功耗蓝牙控制uwb定位信标开启uwb的收发时刻，但是在面对uwb定位标签并发量较大的情况，不仅需要辅助射频蓝牙复杂的时隙分配，同时还会增加定位信标的收发时间，必定会带来高功耗，无形之中uwb定位信标的待机降低，不满足用户需求。因此，该定位方式适合少并发的应用场景。
62.在tdoa定位模式的实施例中。定位主信标作为定位通信的发起者，其基本步骤包括：
63.1、定位主信标定期发送时钟校准帧，记录定位主信标发送的时间戳t0。
64.2、定位从信标和定位标签记录接收到时钟校准帧的时间戳，记录下接收的时间戳分别为t
01
、t
02
、t
03
、t
04
。也就是说，定位从信标和定位标签的总数量为4个，记为i，i为1～4。
65.3、延迟较短时间，定位主信标再次发送时钟校准帧，记录定位主信标发送的时间戳t1。
66.4、定位从信标和uwb定位标签再次记录接收到时钟校准帧的时间戳，记录下接收的时间戳分别为t
11
、t
12
、t
13
、t
14
。
67.5、延迟较短时间，定位主信标和定位从信标分别发送blink帧至uwb定位标签端，记录各自发送的时间戳tx0、tx1、tx2、tx3，uwb定位标签顺序接收blink帧，记录接收到blink帧的时间戳分别为rx0、rx1、rx2、rx3。
68.6、实现uwb定位信标和uwb定位标签之间同步，即统一各设备的时间轴。
69.具体而言，首先求出定位主信标和各定位从信标以及uwb定位标签的相对频偏因子：k
0i
＝(t
1i
‑
t
0i
)/(t1‑
t0)+e，i表示定位从信标序号以定位标签序号，e表示相对频偏因子的量测方差，服从卡方分布。
70.7、根据相对频偏因子将各uwb定位信标和uwb定位标签的时间轴都统一到定位主信标上，求出定位从信标统一后blink发送时刻。
71.发送时刻为：
72.tx
i’＝(tx
i
‑
t
0i
+m
0i
)/k
oi
+t0，i为1～3，
73.其中m
0i
为定位主信标到定位从信标i的传输时间。
74.8、求出定位从信标与定位主信标的发送blink的时间差δt
i
＝tx
i
’‑
tx0。
75.9、根据相对频偏因子求出uwb定位标签接收到的定位从信标与定位主信标blink的时间差tdoa
i
＝δt
i
’‑
δt
i
，其中δt
i’＝(tx
i
‑
tx0)/k
04
。
76.10、最后根据各定位从信标与定位主信标的时间差求解出uwb定位标签的位置坐标。
77.可见tdoa定位模式下，uwb定位标签只需要接收定位主、从信标的时钟校准同步帧和blink帧，定位系统的并发有显著提高，高并发时定位主信标和定位从信标发送的信号是一样的，所以也不会影响uwb定位信标的待机时间。
78.由于toa和tdoa定位模式各有优缺点，适用于不同的定位场景。在一实施例中，定位系统架构兼具有上述两定位模式的硬件配置，并且定位系统架构包括识别模块，用于识别uwb定位标签的并发数量，若并发数量小于预设阈值，则启动toa定位模式，当uwb定位标签的并发数量大于等于预设阈值，则启动tdoa定位模式，如此，能够定位系统架构满足定位需求的前提下保障定位精度。可以理解的，上述定位模式的选择条件，也可以采用uwb定位标签并发数量小于等于预设阈值时启动toa定位模式，在uwb定位标签并发数量大于预设阈值的情况下，启动tdoa定位模式，均应包含在本发明的保护范围内。
79.本发明还提供了一种基于uwb技术的定位方法，请参见图3，该定位方法用于上述实施例提供的定位系统架构，其中相同的部件采用相同的命名，并不再赘述。该方法包括以下步骤：
80.s2：按照预设规律布设各uwb定位信标，建立定位区域的相对位置坐标系，测量并记录各uwb定位信标的坐标值；
81.s4：在需要定位的目标上设置uwb定位标签，每个uwb定位标签与uwb定位信标之间以uwb信号周期性地收发数据帧，同时uwb定位信标和uwb定位标签记录发送和接收数据帧的时间戳，以获取uwb定位标签相对多个uwb定位信标的位置信息；
82.s6：uwb定位标签将带有时间戳的数据帧回传至通信基站；
83.s8：通信基站接收uwb定位标签发送过来带有时间戳的数据帧，并将数据帧传送至定位引擎；
84.s10：定位引擎对每个uwb定位标签的位置信息进行位置解算，以获得uwb定位标签的位置坐标。
85.在一实施例中，在步骤s8中，定位引擎根据记录的时间戳确定uwb定位标签收到不同的uwb定位信标的数据帧之间的时间差，并利用预设定位算法计算uwb定位标签的位置坐标。其中，预设定位算法为tdoa模式下的位置坐标的计算方法，请参见上实施例关于tdoa模式的相关内容，在此不再赘述。
86.在另一实施例中，步骤s8中，通信基站根据记录的uwb定位标签收到的各uwb定位信标的数据帧的时间戳，计算uwb定位标签相对各uwb定位信标的距离值，求解uwb定位标签的位置坐标。本实施例采用toa定位模式，请参见上实施例关于toa模式的相关内容，在此不再赘述。
87.具体的，uwb定位信标包括uwb信号发送芯片，uwb信号发送芯片周期性的发射含有uwb定位信标信息和对应发射时间戳的所述uwb信号的数据帧。uwb定位标签包括uwb信号接收芯片以及无线传输模块，uwb信号接收芯片接收uwb信号，无线传输模块将uwb信号接收芯片接收的数据帧和各自收到数据帧的时间戳发送到通信基站，通信基站回传到定位引擎。定位引擎基于根据接收的带有时间戳的数据帧解算uwb定位标签的位置坐标。
88.在一实施例中，在步骤s8中，定位引擎根据uwb定位标签的并发数量选择toa或者tdoa定位模式：若uwb定位标签的并发数量小于预设阈值，定位引擎启动toa定位模式，若uwb定位标签的并发数量大于等于预设阈值，定位引擎启动tdoa定位模式。
89.关于上述定位方法的具体限定可以参见上文中对于定位系统架构的限定，在此不再赘述。上述定位方法中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
90.以上所述仅为本技术的实施方式，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。