一种基于UWB的三维定位方法技术

本发明专利技术提供一种基于UWB的三维定位方法，包括以下步骤：将三个基站分别放在正方体的上三个顶点构建三维三基站定位配置；构建三标签列阵；将三个标签分别设置于等边三角形的三个顶点，将其中点坐标设置为待测目标的位置坐标；收集距离数据并进行卡尔曼滤波处理；根据chan算法将每个标签滤波后的数据处理得到三维估计坐标；得到三个标签的估计后，取中点作为待测目标的位置。本发明专利技术提供的一种基于UWB的三基站定位方法，特有的基站布局既节约了硬件资源又节约了空间资源。在完成三维定位的基础上，比传统方法节省了一个基站，在实际推广应用中可以减少使用成本。结合卡尔曼滤波以及三标签定位法精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于UWB的三维定位方法
本专利技术涉及三维定位方法的
，具体而言，尤其涉及一种基于UWB的三维定位方法。
技术介绍
随着科技的迅猛发展，智能手机和移动互联网已经在我们的生活中无处不在，社交网络，移动搜索，物体识别等都离不开位置感知服务。用于户外精准定位和位置导航的技术已经成熟，人们习惯在室外使用GPS获得位置导航，无论是在路上驾车，还是在街上行走，基于GPS和地图的位置服务都起着举足轻重的作用，并已经成为移动端使用量最多的应用之一。但是室内空间布局复杂多变，使得停车场找车，寻找丢失的家人，发现特定的店面等变得异常的困难，对于一天中有70％-80％的时光呆在室内的情况，室内定位会改变他们的生活方式。室内定位是指利用无线通信技术、基站定位、惯性导航等多种技术形成的室内位置定位系统，实现了人员，物体等在室内环境中的定位和实时监控。室内定位技术在消防、大型商场、养老院行业、安全监控、个人服务等方面都起着越来越重要的作用，例如：用户可以使用移动设备，结合设备屏幕上的提示在商店里寻找想要的商品；对医院的医疗设备，医护人员和特殊病人实时定位跟踪；对火灾现场的消防员和等待救援的人员的定位；如果将医院，商业建筑，学校等考虑进来，基于室内定位的位置服务能产生比室外定位更多的商业价值，发展前景更好。常见的室内定位技术手段有：红外线、超声波、RFID定位等，但由于受环境因素影响，都存在局限性，例如：硬件设备成本高，功耗高，定位精度低等问题，超宽带(UWB)技术不使用载波对数据进行调制，使用纳秒级的窄脉冲进行数据传输，拥有3.1GHz～10.6GHz量级的带宽范围，美日加等发达国家都在研究这项技术，超宽带(UWB)应用于室内定位有非常好的发展前景，超宽带(UWB)系统具有传输速率高，多径分辨率高，成本低，保密性好等优点，在室内静止或者移动的物体以及人的定位跟踪与导航的应用上有很大的优势，通过超宽带(UWB)技术对室内进行定位，在理想环境下定位精度较高，UWB信号发射功率极低，不会对其他通信系统造成干扰，由于存在诸多优点，UWB定位技术可以广泛应用于各种军用和民用场合。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于UWB的三维定位系统。本专利技术主要利一种基于UWB的三维定位方法，包括以下步骤：步骤S1：将三个基站分别放在正方体的上三个顶点构建三维三基站定位配置；步骤S2：构建三标签列阵；将三个标签分别设置于等边三角形的三个顶点，将其中点坐标设置为待测目标的位置坐标；步骤S3：收集距离数据并进行卡尔曼滤波处理；在相同时间T内，测量M次待测目标到3个基站的2组到达时间差测量值，时间差乘以光速得到距离差，在T时间内得到M组测量值Z(k)；对距离差的测量值Z(k)进行卡尔曼滤波，得到距离差的估计值，剔除偏差较大的数据，取均值为距离差的最优值；步骤S4：根据chan算法将每个标签滤波后的数据处理得到三维估计坐标；步骤S5：得到三个标签的估计后，取中点作为待测目标的位置；在得到三个标签的坐标MS1(xa，ya，za)，MS1(xb，yb，zb)，MS3(xc，yc，zc)后，假设其中点坐标为MS(x，y，z)，根据几何关系可以得到：进一步地，所述卡尔曼滤波的具体步骤为：测得的距离差的系统状态方程和参数方程分别为：X(k)＝X(k-1)Z(k)＝X(k)+n(k)其中，X(k)表示k时刻的Ri，1表示真实值，Z(k)表示k时刻Ri，1的观测值；状态的进一步预测为：状态估计为：滤波增益为：K(k)＝p(k，k-1)[p(k，k-1)+σ2]-1；预测误差协方差为：p(k，k-1)＝p(k)；估计误差协方差：p(k)＝[1-K(k)]p(k，k-1)。更进一步地，对三个基站进行二维定位，得到物体在XY面的投影坐标：由所述步骤S3得到两个信号的到达时间差的估计值r21，r31，假设基站的位置已知，BS1(x1，y1，z)，BS2(x2，y2，z)，BS3(x3，y3，z)，待测目标MS(x，y，z)，则：假设r1已知，可得：带入上式，则：r12＝(x1-x)2+(y1-y)2；可得到以r1为未知数的非线性方程组：ar12+br1+c＝0对式进行求解，得到关于r1的2个解，带回到下式，求得待测目标xy的作标；将其中一个解代入下式获得的值与r21，r31进行比较，如果相等，则取这个解为最终xy估计坐标，如果不相等，则取另一组解为最终xy估计坐标；根据三角关系得到z轴坐标：较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术提供的一种基于UWB的三基站定位方法，特有的基站布局既节约了硬件资源又节约了空间资源。在完成三维定位的基础上，比传统方法节省了一个基站，在实际推广应用中可以减少使用成本。结合卡尔曼滤波以及三标签定位法精度。2、本专利技术提供的定位方法采用了一种三标签协同定位法，该方法可以大幅度提高定位的精准程度以及系统的稳定性，此外多标签定位系统还带来了一些附加的功能。例如，单标签定位系统无法获得标签目前的运动姿态，而标签协同定位可以计算当前的运动状态，如运动朝向，倾角等。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术基站配置示意图。图2为本专利技术标签列阵示意图。图3为本专利技术实施例的整体流程示意图。图4为本专利技术定位算法RMSE对比图。图5为本专利技术定位算法定位点对比图。图6为本专利技术的整体流程示意图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本专利技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，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、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于UWB的三维定位方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：将三个基站分别放在正方体的上三个顶点构建三维三基站定位配置；/nS2：构建三标签列阵；将三个标签分别设置于等边三角形的三个顶点，将其中点坐标设置为待测目标的位置坐标；/nS3：收集距离数据并进行卡尔曼滤波处理；在相同时间T内，测量M次待测目标到3个基站的2组到达时间差测量值，时间差乘以光速得到距离差，在T时间内得到M组测量值Z(k)；对距离差的测量值Z(k)进行卡尔曼滤波，得到距离差的估计值，剔除偏差较大的数据，取均值为距离差的最优值；/nS4：根据chan算法将每个标签滤波后的数据处理得到三维估计坐标；/nS5：得到三个标签的估计后，取中点作为待测目标的位置；/n在得到三个标签的坐标MS

【技术特征摘要】
1.一种基于UWB的三维定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将三个基站分别放在正方体的上三个顶点构建三维三基站定位配置；
S2：构建三标签列阵；将三个标签分别设置于等边三角形的三个顶点，将其中点坐标设置为待测目标的位置坐标；
S3：收集距离数据并进行卡尔曼滤波处理；在相同时间T内，测量M次待测目标到3个基站的2组到达时间差测量值，时间差乘以光速得到距离差，在T时间内得到M组测量值Z(k)；对距离差的测量值Z(k)进行卡尔曼滤波，得到距离差的估计值，剔除偏差较大的数据，取均值为距离差的最优值；
S4：根据chan算法将每个标签滤波后的数据处理得到三维估计坐标；
S5：得到三个标签的估计后，取中点作为待测目标的位置；
在得到三个标签的坐标MS1(xa,ya,za),MS1(xb,yb,zb)，MS3(xc,yc,zc)后，假设其中点坐标为MS(x,y,z)，根据几何关系可以得到：





2.根据权利要求1所述的一种基于UWB的三维定位方法，其特征还在于：
所述卡尔曼滤波的具体步骤为：
测得的距离差的系统状态方程和参数方程分别为：
X(k)＝X(k-1)
Z(k)＝X(k)+n(k)
其中，X(k)表示k时刻的Ri,1表示真实值，Z(k)表示k时刻Ri,1的观测值；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘君兰，高庆龙，迟森，刘英楠，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21