基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统及方法，由标签分系统、基站分系统、数据处理分系统组成。是一种基于UWB融合GPS与惯性导航捷联的室内外定位系统和定位方法，利用UWB技术和惯性导航实现目标用户在室内室外不同环境中的动态精确定位及完整数据采集。主要应用于物联网行业、旅游行业、商业场所、机场、消防、公安、军事、停车场、医院、机器人、无人机、隧道矿井等。

Indoor and Outdoor Positioning System and Method Based on UWB Fusion GPS and Inertial Navigation

The invention discloses an indoor and outdoor positioning system and method based on UWB fusion GPS and inertial navigation, which is composed of label subsystem, base station subsystem and data processing subsystem. It is a kind of indoor and outdoor positioning system and positioning method based on UWB fusion GPS and inertial navigation strapdown. It uses UWB technology and inertial navigation to achieve dynamic accurate positioning and complete data acquisition of target users in different indoor and outdoor environments. Mainly used in the Internet of Things industry, tourism industry, business places, airports, fire protection, public security, military, parking lots, hospitals, robots, UAVs, tunnels and mines.

【技术实现步骤摘要】
基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统及方法
本专利技术涉及一种基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统，属于电子信息

技术介绍
导航定位技术的应用已经渗透到国民经济和社会发展的各个领域。室外定位以全球导航卫星系统(GNSS)为代表，发展已经很成熟，具有无需布设传输线路且传输速度快，不受距离限制等优点，因此GNSS更适用于在相对空旷的地方进行定位。随着社会需要的发展，众多行业对室内定位技术也提出迫切的需求，例如物联网行业、旅游行业、商业场所、机场、消防、公安、军用、停车场、医院、机器人、无人机、隧道矿井等。而能同时在室内室外取得高精准度定位的产品寥寥无几，本专利技术就是要解决室内室外定位数据无缝衔接，精准无误的问题。目前关于室内定位虽然有多种解决方案，例如WIFI定位、超声波定位、蓝牙定位、地磁定位、卫星定位、射频识别、红外线定位、Zigbee定位等，但是由于技术局限以及成本问题，尚未有像GNSS定位技术一样让不同用户满意的成熟产品，这些技术要么定位精度无法满足要求，要么成本太高难以推广，因此室内定位技术已成为在人员管理、资产管理、公共安全、突发事件处理等方面的研究热点。UWB(UltraWideband)是一种无载通信技术，根据美国联邦通信委员会(FederalCommunicationsCommissionoftheUnitedStates)的标准，UWB的工作频段为3.1～10.6GHz，-10dB带宽与系统中心频率的比值大于20％，系统带宽至少为500MHz。利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，相较于传统的无线通讯方式，UWB有本质的区别。UWB定位过程中，先确定一个参照标签的具体位置，然后通过四周安装好的基站得出目标携带的UWB标签相对于参照标签的位置信息，最终传给远程主机。UWB技术在挑战性的应用环境中依然具有较高的定位精度和很好的稳定性，并且具有以下优点：高抗干扰能力、厘米级的定位精度、低能耗、收发器体积小等，使其能够满足高精度室内定位要求。并且我们结合惯性导航模块，对人员姿态数据进行采集，对于即将发生的危险进行预警告知，对已经发生的情况及时定位报警。当人员即将脱离UWB信号收发范围时，根据标签内部程序自动对UWB信号和GPS信号的定位方式进行切换，同时在切换过程中，通过惯导对切换期位置进行定位，达到位置信息不断线，行进数据不丢失。由于室内环境复杂多变，且无法接收GPS信号，使得目前室内定位有一定的困难。虽然UWB可以满足室内高精度定位的要求，但是在多数条件下人员无可避免的会在室外活动，而此时则需要使用GPS定位，若使用两套信号接收设备势必会增加使用人员的负担，同时提高定位成本。将室内高精度定位与室外定位集成在同一系统是当前的攻关难点，同时也是一次技术的革新。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统及方法，克服现有技术不能同时满足室内室外使用同一系统进行高精度定位、UWB与GPS切换以及UWB与GPS信号不能无缝衔接、位置数据不连贯不完整的问题。提供一种基于UWB融合GPS与惯性导航捷联的室内外定位系统和定位方法，利用UWB技术和惯性导航实现目标用户在室内室外不同环境中的动态精确定位及完整数据采集。本专利技术的目的通过以下技术方案予以实现：一种基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统，包括基站分系统、标签分系统、数据处理分系统；所述基站分系统由若干基站组成，基站固定在室内不同位置，每个独立室内目标区域至少需要固定四个基站；所述标签分系统由若干可移动的标签组成，标签设置于每个目标用户上；所述基站包括Cortex-M4芯片、基站DWM1000模块、基站串口模块、LED指示灯、以太网模块；基站DWM1000模块、以太网模块、基站串口模块、LED指示灯均与Cortex-M4芯片相连；所述标签包括Cortex-M3芯片、标签DWM1000模块、标签串口模块、GPS模块、GPRS模块、惯性导航模块、电源模块、LED指示灯；标签DWM1000模块、标签串口模块、GPS模块、GPRS模块、惯性导航模块、电源模块、LED指示灯均与Cortex-M3芯片相连；所述Cortex-M4芯片为STM32F4系列，用于执行基站DWM1000模块定位的相关代码及数据的储存收发；所述Cortex-M3芯片为STM32F10x系列，用于执行标签DWM1000模块定位的相关代码及数据的储存收发；所述DWM1000模块用于对室内目标距离数据的测量收发，并通过多基站对标签不同距离数据解算出目标精确位置信息；所述GPS模块对室外目标位置进行定位，所述GPRS模块将定位信息发送至解算服务器；所述基站串口模块采用USB虚拟串口输出与UART4输出，用于外接电源、数据传输和调试；所述标签串口模块采用UART4输出，用于调试；所述惯性导航模块检测GPS模块与标签DWM1000模块在空间中的姿态来消除误差，同时在GPS信号与UWB信号进行切换产生盲区时，依据上一位置数据提供目标的可靠位置信息；进一步的，当室内UWB信号产生遮蔽或无法接收时，启动惯导继续定位并产生位置信息；所述以太网模块用于基站和数据处理分系统之间的位置数据传输；所述数据处理分系统由解算服务器和上位机软件组成，用于对接收的位置数据进行结算存储；所述上位机软件可适用于PC端和移动端，采用BS模式或CS模式。本专利技术的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：前述基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统，基站控制方法为：当基站上电后，程序开启定时器，若定时器走完没有被中断，则代表基站注册表为空，基站进入BLK_WAIT状态，等待接收标签广播的blk消息，若收到blk消息，则构造标签的结构体将其依次放入基站注册表中并中断定时器，开启定时器进入RNG_SEND状态，若基站没有收到blk消息，则程序回到等待接收blk信息状态；若定时器被打断，则基站进入RNG_SEND状态，按照注册表中标签顺序对该顺序标签发送range_init消息，之后进入FINAL_WAIT状态，基站打开接收程序，若收到标签发来的final消息，则解析final消息包，获取标签的range_init接收时戳和final发送时戳，根据range_init接收时戳和final发送时戳的时间差乘以光速计算基站和标签的距离，并将距离上报服务器，之后清空该标签在注册表位置，待定时器中断跳出循环回到RANGE_SEND状态，若基站没有接收到final消息，则程序将该标签随机插到注册表其他位置，对注册表下一个标签发送range_init消息。前述基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统，标签控制方法为：当标签上电之后，首先进入BLK-SEND状态，以广播的方式向周围基站发送bLk消息，发送后进入接收RNG_WAIT状态；当标签收到基站发送的rangr_init消息后，进入FINAL_SEND状态，向基站点对点发送final消息；若标签未收到range_init消息，则进入休眠状态。前述基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统，室内定位的方法为：室内定位时，将基站固定于室内不同位置，其位置需通过其他方法测量，输入到系统中作为参考点；标签本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统，其特征在于，包括基站分系统、标签分系统、数据处理分系统；所述基站分系统由若干基站组成，基站固定在室内不同位置，每个独立室内目标区域至少需要固定四个基站；所述标签分系统由若干可移动的标签组成，标签设置于每个目标用户上；所述基站包括Cortex‑M4芯片、基站DWM1000模块、基站串口模块、LED指示灯、以太网模块；基站DWM1000模块、以太网模块、基站串口模块、LED指示灯均与Cortex‑M4芯片相连；所述标签包括Cortex‑M3芯片、标签DWM1000模块、标签串口模块、GPS模块、GPRS模块、惯性导航模块、电源模块、LED指示灯；标签DWM1000模块、标签串口模块、GPS模块、GPRS模块、惯性导航模块、电源模块、LED指示灯均与Cortex‑M3芯片相连；所述Cortex‑M4芯片为STM32F4系列，用于执行基站DWM1000模块定位的相关代码及数据的储存收发；所述Cortex‑M3芯片为STM32F10x系列，用于执行标签DWM1000模块定位的相关代码及数据的储存收发；所述DWM1000模块用于对室内目标距离数据的测量收发，并通过多基站对标签不同距离数据解算出目标精确位置信息；所述GPS模块对室外目标位置进行定位，所述GPRS模块将定位信息发送至解算服务器；所述基站串口模块采用USB虚拟串口输出与UART4输出，用于外接电源、数据传输和调试；所述标签串口模块采用UART4输出，用于调试；所述惯性导航模块检测GPS模块与标签DWM1000模块在空间中的姿态来消除误差，同时在GPS信号与UWB信号进行切换产生盲区时，依据上一位置数据提供目标的可靠位置信息；进一步的，当室内UWB信号产生遮蔽或无法接收时，启动惯导继续定位并产生位置信息；所述以太网模块用于基站和数据处理分系统之间的位置数据传输；所述数据处理分系统由解算服务器和上位机软件组成，用于对接收的位置数据进行结算存储；所述上位机软件可适用于PC端和移动端，采用BS模式或CS模式。...

【技术特征摘要】
1.一种基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统，其特征在于，包括基站分系统、标签分系统、数据处理分系统；所述基站分系统由若干基站组成，基站固定在室内不同位置，每个独立室内目标区域至少需要固定四个基站；所述标签分系统由若干可移动的标签组成，标签设置于每个目标用户上；所述基站包括Cortex-M4芯片、基站DWM1000模块、基站串口模块、LED指示灯、以太网模块；基站DWM1000模块、以太网模块、基站串口模块、LED指示灯均与Cortex-M4芯片相连；所述标签包括Cortex-M3芯片、标签DWM1000模块、标签串口模块、GPS模块、GPRS模块、惯性导航模块、电源模块、LED指示灯；标签DWM1000模块、标签串口模块、GPS模块、GPRS模块、惯性导航模块、电源模块、LED指示灯均与Cortex-M3芯片相连；所述Cortex-M4芯片为STM32F4系列，用于执行基站DWM1000模块定位的相关代码及数据的储存收发；所述Cortex-M3芯片为STM32F10x系列，用于执行标签DWM1000模块定位的相关代码及数据的储存收发；所述DWM1000模块用于对室内目标距离数据的测量收发，并通过多基站对标签不同距离数据解算出目标精确位置信息；所述GPS模块对室外目标位置进行定位，所述GPRS模块将定位信息发送至解算服务器；所述基站串口模块采用USB虚拟串口输出与UART4输出，用于外接电源、数据传输和调试；所述标签串口模块采用UART4输出，用于调试；所述惯性导航模块检测GPS模块与标签DWM1000模块在空间中的姿态来消除误差，同时在GPS信号与UWB信号进行切换产生盲区时，依据上一位置数据提供目标的可靠位置信息；进一步的，当室内UWB信号产生遮蔽或无法接收时，启动惯导继续定位并产生位置信息；所述以太网模块用于基站和数据处理分系统之间的位置数据传输；所述数据处理分系统由解算服务器和上位机软件组成，用于对接收的位置数据进行结算存储；所述上位机软件可适用于PC端和移动端，采用BS模式或CS模式。2.如权利要求1所述的基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统的基站控制方法，其特征在于，当基站上电后，程序开启定时器，若定时器走完没有被中断，则代表基站注册表为空，基站进入BLK_WAIT状态，等待接收标签广播的blk消息，若收到blk消息，则构造标签的结构体将其依次放入基站注册表中并中断定时器，开启定时器进入RNG_SEND状态，若基站没有收到blk消息，则程序回到等待接收blk信息状态；若定时器被打断，则基站进入RNG_SEND状态，按照注册表中标签顺序对该顺序标签发送range_init消息，之后进入FINAL_WAIT状态，基站打开接收程序，若收到标签发来的final消息，则解析final消息包，获取标签的range_init接收时戳和final发送时戳，根据range_init接收时戳和final发送时戳的时间差乘以光速计算基站和标签的距离，并将距离上报服务器，之后清空该标签在注册表位置，待定时器中断跳出循环回到RANGE_SEND状态，若基站没有接收到final消息，则程序将该标签随机插到注册表其他位置，对注册表下一个标签发送range_init消息。3.如权利要求1所述的基于UWB融合GPS与惯性导航的室内外定位系统的标签控制方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙海渤，阮爱民，黄涛，胡航，唐健，魏刚，王智睿，姜福康，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司镇江供电分公司，杭州宜清自动化控制技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32