[发明专利]一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统

权利要求书

1.一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统，其特征在于，包括UWB定位标签模块、UWB探测模块、LoRa无线通信模块、处理终端和电源模块；

UWB定位标签模块置于待测目标上，用于发送UWB信号；

UWB探测模块集成于单基站上，用于接收UWB定位标签模块发送的UWB信号，再利用AOA/PDOA或AOA/TOF算法计算出待测目标的位置坐标信息；

LoRa无线通信模块集成于单基站上，用于长远距离的无线数据传输，将UWB定位位置数据通过LoRa自组网无线传输到处理终端进行处理，整个自组网网络结构分为LoRa采集单元、LoRa中继单元和LoRa终端单元；

处理终端用于解析、计算、处理UWB探测模块通过LoRa无线通信模块发送的位置信息数据，其中，利用修正的卡尔曼滤波算法对数据进行滤波处理，实现实时滤除异常位置坐标点，提取有效数据，再利用处理后的数据进行可视化显示设置；

所述修正的卡尔曼滤波算法为：

（1）对多个位置信息数据求取平均值，进行平均处理；

（2）定义模型参数，初始化输入数据值s(k)=[z(0) 0]，实际测量值d=z(0)，测量时间间隔dt，状态转移矩阵初始化，噪声耦合矩阵初始化，激励噪声w(k)对应的协方差矩阵，测量噪声对应的协方差矩阵，状态协方差矩阵，，其中q=10，r=10；

（3）由上一时刻状态值s对下一时刻状态值S_prediction进行预测更新，计算状态协方差矩阵；

（4）计算卡尔曼增益，校准误差，式中Z_measure指实际测量值；测量值校正目标的最优估计，更新状态协方差矩阵，式中I为单位矩阵；

（5）间断式采用卡尔曼滤波算法进行数据处理，设置时间间隔为t min，对卡尔曼滤波算法进行刷新处理，即每间隔t min初始化与卡尔曼滤波算法相关的矩阵，从而消除因迭代次数的累计而带来的误差，有效地提高定位精度；

电源模块，为各模块供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统，其特征在于，所述UWB探测模块设置双天线或多天线，利用所述双天线或多天线的细波束来区分多径信号，并选取两条能量最强的信号来获取相位信息；再利用AOA算法计算UWB信号的到达角度，以及PDOA或TOF算法计算出待测目标与基站的距离，最终得到待测目标的位置坐标信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统，其特征在于，所述LoRa无线通信模块采用自组网通信模式，用于实现UWB探测模块与处理终端的长远距离数据通信；

所述LoRa采集单元，置于单基站上，用于接收UWB探测模块发送的待测目标位置信息；

所述LoRa中继单元为多个，置于单基站上或直接单独置于LoRa采集单元与LoRa终端单元之间，用于长远距离无线数据传输；

所述LoRa终端单元，与处理终端相连接，用于接收中继单元传输的位置数据并上传至处理终端处理。

4.根据权利要求1所述的一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统，其特征在于，所述处理终端用于数据的处理和可视化显示，包括：

根据UWB指定的上报命令协议，提取、解析、计算有效位置信息数据；

利用修正的卡尔曼滤波算法对数据进行滤波处理，实现实时滤除异常坐标点；

在处理后的数据的基础上，设计开发可视化交互界面。

5.根据权利要求4所述的一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统，其特征在于，所述可视化交互界面，包括：对定位目标位置坐标的实时显示；对定位目标进行分类管理；用户可自定义设置危险区域范围；通过输入时间节点，查询历史轨迹。