一种基于UWB的高精度3D实时定位方法技术

本发明专利技术提出了一种基于UWB的高精度3D实时定位方法、系统及存储介质，该方法包括：基于UWB的脉冲信号计算第一、二、三定位基站及第四定位基站分别到目标对象的初始距离，第一、二、三定位基站位于同一平面XOY上，第四定位基站不位于平面XOY上；使用最小二乘法对第一、二、三定位基站之间的标准距离和测量距离进行拟合得到校准公式，使用校准公式对初始距离进行校准；基于校准后的初始距离和三个定位基站的坐标计算目标对象在平面XOY中的第一坐标和第二坐标；基于第四定位基站从第一、二坐标选择一个坐标作为目标坐标；基于目标坐标及第四定位基站的坐标确定目标对象的三维坐标，可以精确、实时地对目标对象进行定位。实时地对目标对象进行定位。实时地对目标对象进行定位。

【技术实现步骤摘要】
一种基于UWB的高精度3D实时定位方法


[0001]本专利技术涉及计算机数据处理
，具体涉及一种基于UWB的高精度3D实时定位方法。

技术介绍

[0002]现有技术中的三边测量法的原理为，以三个节点A、B、C为圆心作圆，坐标分别为(Xa，Ya)、(Xb，Yb)、(Xc，Yc)，这三个圆周相交于一点D，交点D即为移动节点A，也即待定位的目标对象，三边测量法的缺陷是：由于各个节点的硬件和功耗不尽相同，所测出的距离不可能是理想值，从而导致上面的三个圆未必刚好交于一点，在实际中，肯定是相交于一个小区域，因此利用此方法计算出来的(X,Y)坐标值存在一定的误差。
[0003]现有技术中的Z轴准确度比X轴Y轴要差一些，这是因为，假设A0/A1/A2为3个基站，T0为待定位的标签（目标对象携带该标签），LA0T0、LA1T0、LA2T0表示为每个基站到标签的距离，在测距完全准确的情况下，解算的Tag坐标应该在T0，但是，由于实际测量值LA0T0、LA1T0、LA2T0可能偏大，解算的位置在T0
’
。因为A0/A1/A2都在xoy平面，所以，测距的误差绝大多数会累加到z轴上，造成z轴数据的抖动。
[0004]现有技术中，由于使用的现场，环境都是不同的，受经纬度、空气质量、环境障碍物、海拔等等因素干扰，UWB模块测量值比实际距离要小，导致定位精度下降，且现有技术中，各节点之间的信道通信方式都是固定，导致刷新速率低，影响了定位实时性。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对上述现有技术中一个或多个技术缺陷，提出了如下技术方案。
[0006]一种基于UWB的高精度3D实时定位方法，该方法包括：初始化步骤，基于UWB的脉冲信号计算第一、二、三定位基站及第四定位基站分别到目标对象的初始距离，所述第一、二、三定位基站位于同一平面XOY上，所述第四定位基站不位于平面XOY上；校准步骤，测量所述第一、二、三定位基站的坐标计算出所述第一、二、三定位基站两两之间的标准距离，基于UWB的脉冲信号计算第一、二、三定位基站两两之间的测量距离，使用最小二乘法对所述标准距离和测量距离进行拟合得到校准公式，所述校准公式相关参数写入程序后，程序自动使用所述校准公式对初始距离进行校准得到校准后的初始距离；计算步骤，基于所述校准后的初始距离和三个定位基站的坐标计算所述目标对象在平面XOY中的第一坐标和第二坐标；优化步骤，基于三维空间中的第四定位基站从所述第一坐标和第二坐标选择一个坐标作为目标坐标；确定步骤，基于所述目标坐标及所述第四定位基站的坐标计算所述目标对象的Z轴坐标，基于所述目标坐标和所述Z轴坐标确定所述目标对象的三维坐标。
[0007]更进一步地，所述初始化步骤执行的操作为：使用双向飞行时间法基于UWB的脉冲
信号计算第一、二、三、四定位基站分别到目标对象的初始距离cd1、cd2、cd3和cd4，然后校准步骤中使用所述校准公式对初始距离进行校准得到校准后的初始距离d1、d2、d3和d4。
[0008]更进一步地，所述计算步骤执行的操作为：令第一、二、三、四定位基站 的坐标分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3,z3)和(x4，y4,z4)；以第任一定位基站为圆心的圆表达式表示为：对圆表达式处理可得：则i的取值为1、2、3，分别表示第一、二、三定位基站，N表示定位基站 的数目；使用矩阵表示上式为：其中：其中：代入N＝3，求解出两个解(Xa，Ya)，(Xb，Yb)作为所述目标对象在平面 XOY中的第一坐标和第二坐标。
[0009]更进一步地，所述优化步骤执行的操作为：以第四定位基站为圆心可得圆表达式为：（X
‑
X4）2+（Y
‑
Y4）2=d
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计算（Xa，Ya），（Xb，Yb）到上述圆的距离，距离最近作为目标坐标（X，Y）；在所述确定步骤中，以第四定位基站为球心可得球表达式为：（X
‑
X4）2+（Y
‑
Y4）2+（Z
‑
Z4）2=d
42
将目标坐标（X，Y）代入所述球表达式中计算出所述目标对象的Z坐标，将（X，Y，Z）作为所述目标对象的三维坐标。
[0010]更进一步地，该方法还包括在初始化步骤之前执行的模式选择步骤，所述模式选择步骤包括：根据待测目标对象的个数动态分配定位基站的通信的引导码时间、休眠时间及工作时间，在只有3个对象时缩减引导码时间、休眠时间及工作时间从而达到提升刷新的频率。
[0011]本专利技术的技术效果在于：本专利技术的一种基于UWB的高精度3D实时定位方法，该方法包括：初始化步骤S101，基于UWB的脉冲信号计算第一、二、三、四定位基站分别到目标对象的初始距离，所述第一、二、三定位基站位于同一平面XOY上，所述第四定位基站不位于平面XOY上；校准步骤S102，测量所述第一、二、三定位基站的坐标计算出所述第一、二、三定位基站两两之间的标准距离，基于UWB的脉冲信号计算第一、二、三定位基站两两之间的测量距离，使用最小二乘法对所述标准距离和测量距离进行拟合得到校准公式，所述校准公式相关参数写入程序后，程序自动使用所述校准公式对初始距离进行校准得到校准后的初始距离；计算步骤S103，基于所述校准后的初始距离和三个定位基站的坐标计算所述目标对象在平面XOY中的第一坐标和第二坐标；优化步骤S104，基于三维空间中的第四定位基站从所述第一坐标和第二坐标选择一个坐标作为目标坐标；确定步骤S105，基于所述目标坐标及所述第四定位基站的坐标计算所述目标对象的Z轴坐标，基于所述目标坐标和所述Z轴坐标确定所述目标对象的三维坐标。本专利技术中，对现有技术的三边测量方法进行了改进，解决了现有就是的中的三边测量方法实际上无法求出一个准确的定位基点的技术缺陷，且通过定位基站之间的实际距离与测量距离构建校准公式，本专利技术的关键点是使得至少三个定位基站在一个平面内，还有一个基站的Z轴坐标较小，即该基站的高度稍微高于该平面，从而使得在后续的定位更加准确；本专利技术中，对现有技术的三边测量方法进行了改进，解决了现有就是的中的三边测量方法实际上无法求出一个准确的定位基点的技术缺陷，且通过定位基站之间的实际距离与测量距离构建校准公式，本专利技术的关键点是使得至少三个定位基站在一个平面内，还有一个基站的Z轴坐标较小，即该基站的高度稍微高于该平面，从而使得在后续的定位更加准确；本专利技术中，由于各个节点（基站、目标对象）的硬件和功耗不尽相同，所测出的距离不可能是理想值，从而导致上面的常规的三边测量方法中的三个圆未必刚好交于一点，即相交于一个小区域，即现有技术中的三边测量方法的误差较大，本专利技术中，假设目标对象的Z坐标值较小，即Z坐标值远小于目标对象与基站的距离，因此，可以采用上述方法求出两个坐标，这两个坐标必有一个是最接近目标对象在平面XOY的坐标，即目标对象的坐标中的X、Y值；本专利技术中，先校准获得校准公式，然后对基站与目标对象的距离进行校准，使用校准距离计算两个坐标点后通过到第四定位基站的距离取一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于UWB的高精度3D实时定位方法，其特征在于，该方法包括：初始化步骤，基于UWB的脉冲信号计算第一、二、三定位基站及第四定位基站分别到目标对象的初始距离，所述第一、二、三定位基站位于同一平面XOY上，所述第四定位基站不位于平面XOY上；校准步骤，测量所述第一、二、三定位基站的坐标计算出所述第一、二、三定位基站两两之间的标准距离，基于UWB的脉冲信号计算第一、二、三定位基站两两之间的测量距离，使用最小二乘法对所述标准距离和测量距离进行拟合得到校准公式，所述校准公式相关参数写入程序后，程序自动使用所述校准公式对初始距离进行校准得到校准后的初始距离；计算步骤，基于所述校准后的初始距离和三个定位基站的坐标计算所述目标对象在平面XOY中的第一坐标和第二坐标；优化步骤，基于三维空间中的第四定位基站从所述第一坐标和第二坐标选择一个坐标作为目标坐标；确定步骤，基于所述目标坐标及所述第四定位基站的坐标计算所述目标对象的Z轴坐标，基于所述目标坐标和所述Z轴坐标确定所述目标对象的三维坐标。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始化步骤执行的操作为：使用双向飞行时间法基于UWB的脉冲信号计算第一、二、三、四定位基站分别到目标对象的初始距离cd1、cd2、cd3和cd4，然后校准步骤中使用所述校准公式对初始距离进行校准得到校准后的初始距离d1、d2、d3和d4。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算步骤执行的操作为：令第一、二、三、四定位基站的坐标分别为(x1，y1，z1)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪珂，王立新，李储军，高升，
申请(专利权)人：中铁第一勘察设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：