基于UWB与Wifi结合高精度的室内等位方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及基于UWB与Wifi结合高精度的室内定位方法,包括：A、确认目标标签和不在同一直线上的四个基站；B、控制标签和每个基站进行多次通信并分别记录收发信号的本地时间；C、根据标签收发信号的本地以及每个基站收发信号的本地时间分别计算每个基站与标签之间的距离；D、根据计算的得到的距离利用牛顿迭代计算结果确定标签位置和系统时间误差。在不知道标签与四个基站的起始时钟的前提下可以准确地测量电磁波的传播时间，避免由时钟同步误差所引起的结果误差，使用WiFi辅助超宽带进行无线数据的收发，WiFi无线传输测量时间不与超宽带冲突，减少系统复杂度，通过牛顿迭代对测量距离进行空间位置估计，提高测量结果准确性。

【技术实现步骤摘要】
基于UWB与Wifi结合高精度的室内等位方法及系统
本专利技术属于无线电技术和室内定位技术的改进领域，尤其涉及一种基于UWB与Wifi结合高精度的室内等位方法及系统。
技术介绍
随着通信行业的快速发展以及物联网技术的逐渐成熟，人们希望能够实时掌握某一人或某一物体的具体位置，以获取其动态信息和提供服务。在室外环境，GPS、北斗等定位系统能提供位置信息服务，但在卫星信号较弱的建筑物内，往往无法接收卫星信号，不能获取当前所在的地理位置信息。室内环境的定位十分有必要，能够为人们提供更多的体验服务，是未来发展的趋势。室内定位与传统的卫星定位及蜂窝定位系统不同，室内定位的环境范围小、直达波路径严重缺失、信道非平稳。室内定位技术在定位精度、稳健性、安全性、方向判断、标示识别及复杂度等方面有着自己的特点。比如定位精度，定位精度是衡量一个定位系统的重要指标，特别是针对空间狭小的室内环境，几年前对室内定位的精度还没有明确的概念，像写字楼内的定位还只是要求精确到某个“房间”就可以了，但是近年来的电子技术飞速发展，特别是服务业的机器人和自动化机械装置都需要较高的定位精度。比如稳健性，在室内复杂多变的环境下，很难保证系统的稳定性，室内目标位置的变化幅度往往很大，这对系统适应环境的能力就有了更高的要求。室内定位在国内外民用、军用方面的运用目前处于起步阶段，但是每年的的需求处于爆发性的增长阶段，故开发高精度的室内定位是非常有现实意义和广阔的市场。目前常用的室内定位技术有红外线室内定位、超声波室内定位、蓝牙室内定位、RFID室内定位、WiFi室内定位、ZigBee室内定位、麦克风室内定位和超宽带(UltraWideBand，UWB)室内定位等。其中，WiFi室内定位、ZigBee室内定位精度较低，一般为3-20m，对于室内定位而言，这样的精度太低，不实用。RFID技术的定位精度可以达到1-2m，但是要求标签的密度必须足够大，铺设系统和管理都很麻烦，而且成本高。红外线室内定位由于光线不能穿过障碍物，使得红外射线仅能视距传播。直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使红外线室内定位的效果很差，红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性。蓝牙室内定位中蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大；超声波室内定位超声波受多径效应和非视距传播影响很大，同时需要大量的底层硬件设施投资，成本太高。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。而超宽带技术的定位精度可以达到厘米级，定位精度高，抗干扰能力强，并且不需布设大量节点，从而成为室内定位的热门技术。超宽带室内定位技术是到目前为止最适合应用于室内定位的无线通信技术。超宽带技术具有数据传输率高、功率小、隐蔽性好、保密性强、穿透能力强、多径分辨力强和抗干扰能力强等特点，在测距和定位应用上具有精度高、可靠性强的优点。而已有的超宽带室内定位系统一般采用估计信号到达时间的方式来完成测距，进一步计算出目标的坐标。由于各个节点间是独立的，因此在时间上是不同步的，即异步的，这给估计信号到达时间带来了麻烦，若采用数据线将各基站连接起来实现同步，则会增加系统的复杂度和成本。并且不同的节点，晶振的频率也有偏差，这也会降低估计信号到达时间的准确度，从而降低定位精度。UWB与WiFi结合的高精度室内定位系统采用双程测距估计信号到达时间的方法进行测距，减小了时钟不同步带来的误差，然后利用牛顿迭代解算目标点在空间坐标系中的坐标。利用WiFi可以辅助超宽带进行无线数据的收发，减小系统的复杂度和成本，进而提高系统的准确性和有效性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于UWB与Wifi结合高精度的室内定位方法，旨在解决上述的技术问题。本专利技术是这样实现的，一种基于UWB与Wifi结合高精度的室内定位方法，所述室内定位方法包括以下步骤：A、确认目标标签和不在同一直线上的四个基站；B、控制标签和每个基站进行多次通信并分别记录收发信号的本地时间；C、根据标签收发信号的本地以及每个基站收发信号的本地时间分别计算每个基站与标签之间的距离；D、根据计算的得到的距离利用牛顿迭代计算结果确定标签位置和系统时间误差；其公式为：其，(x(1)，y(1)，z(1))、(x(2)，y(2)，z(2))、(x(3)，y(3)，z(3))、(x(4)，y(4)，z(4))分别为基站的空间坐标，(x，y，z)为标签的空间坐标，每个基站与标签之间的距离分别为s1、s2、s3、s4，δtu为系统时间误差。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤A中还包括以下步骤：A1、调整标签的位置以使标签固定于待定位目标的顶部。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤B中还包括以下步骤：B1、控制标签发送第一信号至锚节点，并记录标签发送第一信号的标签本地时间为第一时间；B2、记录锚节点接收到第一信号的本地时间为第二时间，控制锚节点等待预设时间后发送第一反馈信号至标签，并记录锚节点发送第一反馈信号的本地时间为第三时间；B3、记录标签接收到第一反馈信号的本地时间为第四时间，等待预设时间后，控制标签发送第二信号至锚节点，并记录标签发送第二信号本地时间为第五时间；B4、记录锚节点接收到第二信号的本地时间为第六时间；B5、重复步骤B1-B4，分别记录每个锚节点发出信号和接收信号的锚节点本地时间。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤C中还包括以下步骤：C1、根据标签与每个锚节点对应的第一时间、第二时间、第三时间、第四时间、第五时间及第六时间计算信号在标签与锚节点之间单次传输所需的传输时间；C2、将传输时间乘以光速，获得每个锚节点与标签的距离。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤D中还包括以下步骤：D1、根据距离计算结果，获取四个基站与标签的距离分别为s1、s2、s3、s4；D2、建立空间坐标系，获取四个基站的位置，根据空间几何关系和牛顿迭代算法解算标签的空间坐标，确定标签位置，其公式为：其中，(x(1)，y(1)，z(1))、(x(2)，y(2)，z(2))、(x(3)，y(3)，z(3))、(x(4)，y(4)，z(4))分别为四个基站的空间坐标，(x，y，z)为标签的空间坐标，δtu为系统时间误差。本专利技术的另一目的在于提供一种基于UWB与Wifi结合高精度的室内定位系统，所述室内定位方法包括：确定模块，用于确认目标标签和不在同一直线上的四个基站；时间记录模块，控制标签和每个基站进行多次通信并分别记录收发信号的本地时间；距离计算模块，用于根据标签收发信号的本地以及每个基站收发信号的本地时间分别计算每个基站与标签之间的距离；位置确定模块，用于根据计算的得到的距离利用牛顿迭代计算结果确定标签位置和系统时间误差；其公式为：其，(x(1)，y(1)，z(1))、(x(2)，y(2)，z(2))、(x(3)，y(3)，z(3))、(x(4)，y(4)，z(4))分别为基站的空间坐标，(x，y，z)为标签的空间坐标，每个基站与标签之间的距离分别为s1、s本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于UWB与Wifi结合高精度的室内定位方法，其特征在于，所述室内定位方法包括以下步骤：A、确认目标标签和不在同一直线上的四个基站；B、控制标签和每个基站进行多次通信并分别记录收发信号的本地时间；C、根据标签收发信号的本地以及每个基站收发信号的本地时间分别计算每个基站与标签之间的距离；D、根据计算的得到的距离利用牛顿迭代计算结果确定标签位置和系统时间误差；其公式为：

【技术特征摘要】
1.一种基于UWB与Wifi结合高精度的室内定位方法，其特征在于，所述室内定位方法包括以下步骤：A、确认目标标签和不在同一直线上的四个基站；B、控制标签和每个基站进行多次通信并分别记录收发信号的本地时间；C、根据标签收发信号的本地以及每个基站收发信号的本地时间分别计算每个基站与标签之间的距离；D、根据计算的得到的距离利用牛顿迭代计算结果确定标签位置和系统时间误差；其公式为：其，(x(1)，y(1)，z(1))、(x(2)，y(2)，z(2))、(x(3)，y(3)，z(3))、(x(4)，y(4)，z（4））分别为基站的空间坐标，(x，y，z)为标签的空间坐标，每个基站与标签之间的距离分别为s1、s2、s3、s4，δtu为系统时间误差。2.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，所述步骤A中还包括以下步骤：A1、调整标签的位置以使标签固定于待定位目标的顶部。3.根据权利要求2所述的室内定位方法，其特征在于，所述步骤B中还包括以下步骤：B1、控制标签发送第一信号至锚节点，并记录标签发送第一信号的标签本地时间为第一时间；B2、记录锚节点接收到第一信号的本地时间为第二时间，控制锚节点等待预设时间后发送第一反馈信号至标签，并记录锚节点发送第一反馈信号的本地时间为第三时间；B3、记录标签接收到第一反馈信号的本地时间为第四时间，等待预设时间后，控制标签发送第二信号至锚节点，并记录标签发送第二信号本地时间为第五时间；B4、记录锚节点接收到第二信号的本地时间为第六时间；B5、重复步骤B1-B4，分别记录每个锚节点发出信号和接收信号的锚节点本地时间。4.根据权利要求3所述的室内定位方法，其特征在于，所述步骤C中还包括以下步骤：C1、根据标签与每个锚节点对应的第一时间、第二时间、第三时间、第四时间、第五时间及第六时间计算信号在标签与锚节点之间单次传输所需的传输时间；C2、将传输时间乘以光速，获得每个锚节点与标签的距离。5.根据权利要求4所述的室内定位方法，其特征在于，所述步骤D中还包括以下步骤：D1、根据距离计算结果，获取四个基站与标签的距离分别为s1、s2、s3、s4；D2、建立空间坐标系，获取四个基站的位置，根据空间几何关系和牛顿迭代算法解算标签的空间坐标，确定标签位置，其公式为：其中，(x(1)，y(1)，z(1))、(x(2)，y(2)，z(2))、(x(3)，y(3)，z（3））、(x(4)，y(4)，z（4））分别为四个基站的空间坐标，(x，y，z)为标签的空间坐标，δtu为系统时间误差。6.一种基于UWB与Wifi结合高精度的室内定位系统，其特征在于，所述室内定位方法包...

【专利技术属性】
技术研发人员：张沛昌，黄磊，李强，李冠群，林康成，裴灿，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44