基于AlterDS-TWR的UWB跨区域实时定位系统技术方案

本发明专利技术公开基于Alter DS

UWB cross region real-time positioning system based on alterds TWR

【技术实现步骤摘要】
基于Alter DS
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TWR的UWB跨区域实时定位系统


[0001]本专利技术涉及室内定位技术，特别是公开基于Alter DS
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TWR(Alternative Double
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sided Two
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Way Ranging，交替双面双向测距)的UWB跨区域实时定位系统，主要应用于低成本、高精度、搭建灵活要求高但标签数量不多的场景，属于电通信


技术介绍

[0002]近年来，伴随着当今5G时代的快速发展，“万物互联”已逐渐深入人们的生活，改变着社会的方方面面。无线传感器网络作为物联网的重要组成部分，是一种重要的网络感知技术，推动了物联网多元化的发展。位置估计是无线传感器网络应用的重要组成部分，拥有位置感知能力的传感器有助于提高路由协议、目标跟踪、灾难响应系统等方面的性能。借助室内外连续、可靠的位置信息，物联网产品将大大提高其用户体验，为人们的工作生活提供更精准、便捷的服务。
[0003]目前，室外定位和位置服务已经相对成熟，全球定位系统(GPS，Global Positioning System)和北斗卫星导航系统(BDS，Beidou navigation System)由于其相对较高的精度和可靠方便而成为最广泛使用的定位和导航系统。然而室内存在复杂的非视距环境且卫星信号穿透能力差，在建筑物阻隔下，用户设备无法与信号发射卫星建立视距路径，卫星信号严重衰减，进而无法满足用户对于稳定、精准定位导航服务的需求。为了追求高精度位置服务体验，室内定位成为物联网领域里的“最后一公里”问题。
[0004]当前主流的室内定位技术主要是采用WiFi、蓝牙(iBeacon)、ZigBee、射频识别(RFID)、超宽带(UWB，Ultra Wide Band)等中短程无线通信技术。其中，UWB技术凭借自己独有的一些特性，最大程度地克服了复杂室内环境带来的影响，成为了高精度室内定位领域最火的应用对象。首先，UWB在超过500MHz的大带宽信道上传输时间分辨率小于1纳秒(ns)的超窄脉冲，代替了传统定位技术使用的正弦信号载波，使其在对抗复杂环境多径效应时准确识别主路径，这也让UWB在执行基于距离的定位方案时相比其它定位技术有更高的精度。相比于其它定位技术，UWB信号频率范围为3.1
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10.6GHz，覆盖的频段比GPS、PCS、蓝牙、WiFi等定位技术都宽，而且所在频段外界干扰信号少。根据香农公式可知，带宽越宽信道容量也越大，进而理论上可达到的传输速率越高，有利于近距离数据传输。此外，UWB采用非常低的占空比，功率谱密度与白噪声接近，这不仅降低了信号的发射功率，而且提高了UWB信号传输的安全性，同时也避免了对其它无线协议的干扰，使其不需要担心各个地区频谱分配问题。因此，UWB利用类似雷达的工作方式，很容易便实现厘米级精度的室内定位，成功填补了高精度定位领域下的技术空白。目前，随着UWB定位技术的发展，逐渐出现了多种解决方案和商用产品，并开始面向消费级应用普及。
[0005]对于日常工作生活的室内场景，节点间信号的传播多以直射波为主，并且基于测距的室内定位方案能更好地发挥UWB的性能，因此目前TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差)定位和Alter DS
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TWR(Alternative Double
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Sided Two
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way Ranging，交替双面双向测距)定位是UWB高精度室内定位系统常用的两种定位方案。在实际
应用中，受限于UWB信号传输距离以及室内墙体等障碍的影响，通常需要多个基站节点构建定位网络实现室内环境的全面覆盖，而且定位过程中需要不断切换基站对标签进行实时定位。然而，对于多区域复杂场景，目前大多数UWB室内定位系统都是基于TDOA实现的，为了解决时钟同步问题系统通常需要复杂的布线，此外还需研发复杂的位置求解算法才能实现Alter DS
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TWR方案最基础算法的定位精度，这都增加了系统搭建成本及复杂度。基于Alter DS
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TWR的UWB定位方案无需进行时钟同步，并且最大程度降低了硬件时钟漂移影响，通过多次通信提高了测距定位精度，但由于UWB传输距离有限，主次基站间通信限制了定位区域的扩展，目前大多仅限于单区域的应用场景。
[0006]因此，针对上述问题，有必要设计一种基于Alter DS
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TWR的UWB跨区域实时定位系统，以实现对多个区域内多个移动标签的实时跟踪定位，并保证区域间标签定位基站无缝切换。

技术实现思路

[0007]本专利技术的专利技术目的是针对上述
技术介绍
的不足，提供基于Alter DS
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TWR的UWB跨区域实时定位系统的设计方案，解决现有的基于Alter DS
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TWR定位系统局限于单区域不能实现区域扩展的技术问题，通过搭建全无线、搭建更便捷的高精度室内定位系统实现基于Alter DS
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TWR的UWB跨区实时定位的专利技术目的。
[0008]本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：
[0009]本专利技术提供的一种基于Alter DS
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TWR的UWB跨区域实时定位系统，根据实际定位环境以及UWB设备信号传输距离，将整个定位区域划分为多个定位子区域，定位系统包括：
[0010]至少两个定位子区域，每个定位子区域都布局有搭载WiFi模块的主基站、至少三个与主基站UWB通信的次基站、置于被定位物体上的UWB标签，所述主基站接收到总服务器发送的MODBUS数据帧后对所属定位子区域内的被测UWB标签进行定位，主基站在定位失败时反馈包含测距信息的MODBUS数据帧至总服务器，主基站在定位成功时反馈包含测距信息及定位结果的MODBUS数据帧至总服务器；及，
[0011]总服务器，与各定位子区域内的WiFi模块联入同一互联网，向当前所选定位子区域的主基站发送MODBUS数据帧，接收所选定位子区域主基站反馈的包含测距信息及定位结果的MODBUS数据帧，在所选定位子区域定位失败时向另一个定位子区域的主基站发送MODBUS数据帧，在所选定位子区域定位成功时记录定位结果。
[0012]在上述的基于Alter DS
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TWR的UWB跨区域实时定位系统，定位系统整体流程为：
[0013]S201、服务器通过WiFi网络发送MODBUS数据帧对每个区域主基站进行初始化配置，包括区域ID、主基站及所有次基站位置坐标、被测标签数量及ID列表等；
[0014]S202、通过发送MODBUS数据帧修改第一个区域主基站寄存器定位标志位，以及标签数量和标签ID列表，即开启对所有被测标签的定位工作；
[0015]S203、第一个区域的主基站接收到命令后开始控制整个区域的所有基站对标签进行测距定位，然后将定位结果再按MODBUS协议借助WiFi本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于Alter DS
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TWR的UWB跨区域实时定位系统，其特征在于，包括：至少两个定位子区域，每个定位子区域都布局有搭载WiFi模块的主基站、至少三个与主基站UWB通信的次基站、置于被定位物体上的UWB标签，所述主基站接收到总服务器发送的MODBUS数据帧后对所属定位子区域内的被测UWB标签进行定位，主基站在定位失败时反馈包含测距信息的MODBUS数据帧至总服务器，主基站在定位成功时反馈包含测距信息及定位结果的MODBUS数据帧至总服务器；及，总服务器，与各定位子区域内的WiFi模块联入同一互联网，向当前所选定位子区域的主基站发送MODBUS数据帧，接收所选定位子区域主基站反馈的包含测距信息及定位结果的MODBUS数据帧，在所选定位子区域定位失败时向另一个定位子区域的主基站发送MODBUS数据帧，在所选定位子区域定位成功时记录定位结果。2.根据权利要求1所述基于Alter DS
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TWR的UWB跨区域实时定位系统，其特征在于，所述每个定位子区域内的主基站和次基站，每三个基站呈等边三角形布置，所述主基站和次基站的无线通信模块均为UWB模块，UWB模块外接180
°
定向天线。3.根据权利要求1所述基于Alter DS
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TWR的UWB跨区域实时定位系统，其特征在于，所述UWB标签的硬件结构与主次基站相同且外接360
°
全向天线，UWB标签的OLED显示屏实时显示定位结果。4.根据权利要求1所述基于Alter DS
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TWR的UWB跨区域实时定位系统，其特征在于，所述总服务器通过多线程控制各定位子区域对被测UWB标签的定位，总服务器传输定位结果至上位机界面。5.根据权利要求1所述基于Alter DS
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TWR的UWB跨区域实时定位系统，其特征在于，所述总服务器向当前所选定位子区域的主基站发送MODBUS数据帧包括：定位子区域ID、主基站及所有次基站的位置坐标、被测标签数量及ID列表。6.根据权利要求1所述基于Alter DS
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TWR的UWB跨区域实时定位系统，其特征在于，所述总服务器在所选定位子区域定位成功时采用基于历史坐标的区域判定方法判断是否切换定位子区域，在定位子区域切换次数超出切换阈值时，发送MODBUS数据帧至当前定位子区域的主基站及目标切换定位子区域的主基站，删除当前定位子区域主基站中该被测UWB标签的信息，增加目标切换定位子区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋锐，徐加轩，徐友云，李大鹏，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：