[发明专利]一种基于UWB设备的室内三维定位系统与方法

权利要求书

1.一种基于UWB设备的室内三维定位系统，其特征在于，包括与定位基站通讯的通讯模块；负责定位数据的解析、分析、过滤的数据解析模块；根据解析后的数据计算三维坐标的算法模块；用于构建三维场景的三维模块渲染模块和向第三方发布位置信息的物联网模块；所述通讯模块包括PoE交换机和路由器，所述数据解析模块包括一个时间同步节点和至少四个UWB基站，以及与所述UWB基站一一对应的定位标签，且所述UWB基站中任意三个基站不共线，任意四个基站不共面，所述UWB标签装设于定位对象，所述多个UWB基站均通过所述PoE交换机和所述路由器连接作为服务器的PC终端，所述定位标签通过无线通讯模块将UWB信号发送至所述UWB基站；还包括作为基站供电终端的电源分离器。

2.如权利要求1所述的一种基于UWB设备的室内三维定位系统，其特征在于，还包括用于信号增强的天线。

3.一种基于UWB设备的室内三维定位方法，使用如权利要求1或2所述的基于UWB设备的室内三维定位系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：UWB设备安装；将至少四个UWB基站安装于待定位的目标建筑的周边，并将定位标签放置于基站信号覆盖范围内，且UWB基站、时间同步节点和定位标签三者之间不能有墙体、金属、玻璃或者其他任何能够遮挡信号的建筑物；

步骤二：定位数据采集；自定义协议，根据该协议将原始定位数据在客户端进行组装然后发送至作为服务器的PC终端；

步骤三：定位数据解析与过滤；根据步骤二获取的消息，按自定义的格式进行解析，基于面向对象方式进行代码的编写，将解析的数据存于TagEntity类中，后续基于标签ID和数据序列的方式对数据进行分组存储；

步骤四：根据UWB算法计算三维坐标；具体包括：

1)利用TDOA方法即基于接收信号时间差方法进行定位；首先，选定基准基站，将基准基站设置为空间坐标系统的原点，其次，通过时间同步节点对所有基站进行时间同步，测出定位标签的信号到基准基站与到其他基站的时间差，最后，根据基站的固定坐标以及所求的TDOA值，联立方程组，即可求得定位标签的三维坐标，其双曲面数学模型为：假定标签坐标为Tag(x，y，z)，定位基站的坐标分别为S₁(x1，y1，z1)，S₂(x2，y2，z2)，S₃(x3，y3，z3)，S₄(x4，y4，z4)，则记定位标签发送定位信号的时间为Tstart，Ti为基站Si接收到信号的时间(i为1，2，3，4)，以编号为1的基站为基准基站，记第i个定位基站到基准基站的距离差为Di1(i为2，3，4)，根据以上信息，即可得双曲面方程组：

其中，c为信号在空气中的传播速度，一般取光速值，联立以上方程组，即可求得标签的三维坐标；

2)时钟同步；所述时间同步节点周期性地向所述至少四个UWB基站中的两个发送同步信息，不妨令两个基站分别为基站A和基站B，假定所述时间同步节点第一次发送同步消息的时间戳为Tx1，基站A接收到同步节点的时间戳为ARx1，基站B接收到同步节点的时间戳为BRx1，同步节点第二次发送同步消息的时间戳为Tx2，基站A接收到同步节点的时间戳为ARx2，基站B接收到同步节点的时间戳为BRx2，同时定位标签也周期性地向基站A和基站B发送定位信息，假设定位信号到达基站A的时间戳为Ta，到达基站B的时间戳为Tb，至此，可以获得发送时间差/时钟数量：Tx2-Tx1，基站A接收时间差/时钟数量：ARx2-ARx1，基站A接收到标签定位信号的时间与基站第一次收到同步信息的时间差为：Ta-ARx1；根据以上三个时间差，即可将标签定位信号映射到同步节点的时间上，以达到时间钟同步，则：

Ta’＝(ARx2-ARx1)/(Tx2-Tx1)*(Ta-ARx1)，

Tb’＝(BRx2-BRx1)/(Tx2-Tx1)*(Tb-BRx1)；

所有基站根据收到的时间戳，将信息统一整理，按顺序发送给上位机，上位机再进行统一的计算，最终求解出距离差；

3)利用TDOA算法和加权最小二乘法来实现精确定位求解；定位标签到第i个基站的距离为Di；根据几何原理，可得到如下表达式：

根据UWB硬件，可以得到第i个标签到基准基站的距离差Di1；即：

D_i1＝D_i-D₁ (2)

对(2)式进行变形，可得：

D_i1+D₁＝D_i (4)

联立(3)、(6)表达式，可得：

其中：

将i取值2，3，4分别代入(7)式，可得：

根据(8)式，可将x，y，z均用x，y，z的(1)式，即可求得D1的值，根据先验估计剔除非法值，进而可以求得x，y，z的解；

继续使用5基站或更多数量的基站来实现进行精确定位

一般采用加权最小二乘法来充分利用冗余的信息，具体的步骤如下：

令i＝1，代入(1)式，得：

用(1)式减(9)式，联立(6)式可得：

令为未知矢量，从(10)式建立以Za为变量的线性方程组：

h＝GaZa (11)

则MS的误差矢量为：ψ＝h-G_az′_a。其中，

对式(11)进行WLS计算，可得：

其中，φ＝c²BQB为误差矢量的协方差矩阵，c为光速，Q为TDOA协方差矩阵，B＝diag(D₁，D₂，...，D_M)，D₁，D₂，...，D_M为未知量，因此也为未知量，此时不能直接求出，用协方差矩阵Q近似代替，得：

此时，可得到关于za的第一次近似估计，利用此次估计，再次构造误差方程组进行WLS求解；因为za与x，y，z以及Di的相关性，则有：

z_a1＝x′+e₁；z_a2＝y′+e₂；z_a3＝z′+e₃；z_a4＝D′₁+e₄；

其中，e₁,e₂,e₃,e₄为z_a的估计误差

重新建立线性方程组如下：

其中计算方式与第一次WLS类似，最终结果如下：

根据先验信息，即可得到定位标签的位置；

步骤五：定位精度迭代优化；具体包括：

1)假定标签信息号到达各基站的时间戳为Ti(i为1，2，....N)；

2)根据步骤一，已知每个定位基站和同步基站的定位，根据空间两点距离公式：

可得每个定位基站到同步基站的距离差，记为R_i,s(i为1，2....N)；

3)已知硬件的时钟周期记为H_clock，一个时间周期信号的飞行距离：

D＝c*H_clock(C为光速)

4)联立步骤2，3的信息，可得到同步基站的信号到每个定位基站需要的时钟周期数：

T_is＝R_is/D(i＝1，2....N)

5)假定以基站1为基准基站，标签定位信号到达基准基站与其他基站的距离差为：

Dis_1i＝T₁+T_is-T_i(i＝2，3...N)

将此组Dis_1i代入步骤四的定位算法中，可以求得一个定位坐标；

6)以不同的基站为基准点，重复步骤5)可以得到N个定位坐标，进行均值滤波，最终得到更为精确的坐标；

步骤五：三维场景渲染与控制，采用开源的OpenSceneGraph三维渲染引擎，使用场景树的方式来管理三维场景，使用逻辑组来构建场景树，构建相应的三维场景。