[发明专利]低成本室内狭长环境二维UWB系统定位方法

摘要

本发明公开了低成本室内狭长环境二维UWB系统定位方法，该方法首先利用两个最远的基站确定长轴，然后结合中点基站的信息解出标签的较准确的位置，之后以此为初值，使用牛顿迭代法解算出高精度的二维定位信息，最后使用Delphi、MySQL、Nodejs在Windows平台上搭建服务器进行显示。当测距误差扩大到数十厘米时，传统定位模型误差扩大到米级，而本定位方法表现出更强的稳健性，在宽轴的定位精度上提高了一到两个数量级。本发明在走廊、过道、矿道、隧道等狭长且信道环境恶劣的条件下相对于传统的基于到达时间测距定位算法都有较大优势，更低的成本在科研和工程中也有巨大的实际意义。

主权项

1.低成本室内狭长环境二维UWB系统定位方法，本方法把长轴设为X轴，短轴设为Y轴，取最低需求的三个基站，分别为A1(x₁,y₁)，A2(x₂,y₂)，A3(x₃,y₃)，未知标签为T(x₀,y₀)，定位时将两个基站A1、A3分别布置在X轴两端尽头的同一侧，A2布置在X轴中间Y轴的另一侧，时间测距方法接收的标签到三个基站的距离分别为r₁、r₂、r₃，最后在PC上实现可视化监控；其特征在于：该方法需要经过如下流程，(1)粗定位，确定位置标签的第一个估计位置，首先利用A1和A3求解x₀，在两种典型有测量误差的模型下都适用，作为牛顿迭代法的X轴初始估计值，初值公式如下：在有x₀的估计位置后将其代入下式解算出y₀(x₂‑x₀)²+(y₂‑y₀)²＝r₂²        (2)解得针对Y轴的初值估计能够分为三种情况，一种是x₀与以A2为圆心，r₂为半径的圆R2相交，且交点在走廊中的情况，一种是交点全不在走廊的情况，还有一种是不相交的情况；当y₀无解时，设y₀＝y₂，x₀落在圆R2与走廊的交点上；当y₀有解时，若有在走廊中的解，取走廊中的解；若无走廊中的解，取y₂另一侧走廊的值作为估计值；(2)精定位，使用牛顿迭代法对初值进行迭代，得到厘米级的定位精度；为了推导牛顿迭代法，能够先构造函数其中r_2,1＝r₂‑r₁，r_3,1＝r₃‑r₁，对(4)在F＝0上进行泰勒展开，只保留二阶以内的线性项则有其中J为函数F的雅克比矩阵，F_(k)为函数在(x₀,y₀)上的值，K为迭代次数，初始为0，整理可得适用于二维定位的牛顿迭代法公式当式(5)的小于一个阈值，或不收敛时，停止迭代，得到最终的估计位置；(3)硬件准备定位模块由控制运算单元即单片机STM32、通信单元即SIM808、UWB单元即UK100以及供电单元即电源组成；运算单元；STM32系列单片机能够实现对各个单元的数据读取，并处理运算以及实现数据的通信，选用STM32F103；通信单元；SIM808模块能够和单片机通过串口进行连接，单片机能够通过AT指令来对SIM808进行控制，实现对数据的获取、处理以及和服务器进行通信功能；室内无线定位单元；室内超宽带UWB采用的UK‑100UWB定位套件，在硬件级实现双向测距，标签接收基站信息，通过串口将数据发送到单片机，单片机通过对数据的迭代计算，计算出相对坐标；电源；供电单元采用3.7V2000mah的锂电池；(4)服务器搭建服务器在一台带有显示器的计算机上搭建，服务器监控程序使用Delphi，采用Delphi编写服务器应用程序，创建socket服务器与定位模块进行通信，通过ODBC驱动连接并管理MySQL数据库；采用MySQL作为数据库。