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专利号: 2019111411927
申请人: 重庆邮电大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.基于UWB和气压计的室内高精度三维定位方法,其特征在于,基于超宽带和气压计的室内高精度三维定位系统中,在基站之间存在视距通信和非视距通信的混合环境下,通过以下步骤进行定位,包括:

S1、定位之前对定位系统进行校正;

S2、采用差分气压法求得主基站节点与标签节点之间的高度差,并将该高度差作为高度参考值;

S3、采用对称双边双向测距算法实时计算待测标签节点与四个基站节点间的距离,同时在测距周期的最后多个时隙中实时计算基站节点间的距离值;

S4、将基站进行分组,每组取3个基站,一共有 组,N为基站的个数,C表示组合数运算;

S5、通过由欧拉四面体体积公式和三菱锥的体积公式计算每个分组的实时测量高度;

S6、从每个分组的实时测量高度中筛选出与高度参考值最接近的值,将该值对应的三个基站作为测量待测标签节点的参考基站;

S7、获取三个参考基站与标签节点计算的距离值、基站节点间的距离值;

S8、采用增强型伪距差分方法对测量值进行实时校正;

S9、将校正后的测量值通过主基站节点上的WIFI模块采用UDP协议将数据传输到上位机定位终端;

S10、根据获取到的距离测量值并结合气压计测量的高度值,将三维坐标降成二维坐标进行解算,此时再采用经典的加权最小二乘定位算法对待测标签节点进行实时位置估计。

2.根据权利要求1所述的基于UWB和气压计的室内高精度三维定位方法,其特征在于,定位之前对定位系统进行校正包括:S11、确认标签节点与四个基站节点不能处于同一水平面上,四个基站节点必须处于同一水平面上,且基站节点的布置高度需要在1.5米以上;

S12、对标签节点与四个基站节点的气压计模块进行气压校准;

S13、标签节点与主基站节点需要实时的读取各自的气压计模块的气压值,利用卡尔曼滤波对气压值进行平滑处理。

3.根据权利要求1所述的基于UWB和气压计的室内高精度三维定位方法,其特征在于,对标签节点与四个基站节点的气压计模块进行气压校准包括:将主基站节点和标签节点放置在同一环境下的同一高度,同时采集主基站节点和标签节点在10s时间内的气压值数据,计算主基站节点和标签节点气压的算术平均之差作为偏差值,以该偏差值来对标签节点的气压计模块进行校准,即将实时测量到的气压值加上该偏差值作为校准过后的气压值,主基站节点和标签节点气压的偏差值表示为:其中,Δh表示两者间的算术平均气压误差值,N1和N2分别表示主基站节点和标签节点上的气压计模块在该段时间内分别采集到的数据个数,PA(i)和PT(j)分别表示主基站节点和标签节点分别在第i时刻和第j时刻采集到的气压值。

4.根据权利要求2所述的基于UWB和气压计的室内高精度三维定位方法,其特征在于,采用差分气压法求得主基站节点与标签节点之间的高度差包括:其中,H为标签节点此时测量的高度,H1为主基站节点此时测量的高度,T为主基站节点与标签节点间的平均温度,p1为主基站节点测得的气压值,p为标签节点测得的气压值,ΔH为主基站节点与标签节点之间的高度差。

5.根据权利要求1所述的基于UWB和气压计的室内高精度三维定位方法,其特征在于,步骤S3具体包括:

S31、标签节点在T1时刻发送第一消息到基站节点,基站节点在T2时刻接收到该消息;

S32、基站节点在T3时刻发送第二消息返回给标签节点,标签节点在T4时刻接收到此消息;

S33、标签节点在T5时刻发送第三消息给基站节点,基站节点在T6时刻接收到此消息;

S34、根据以上获得的时间信息计算标签节点到基站节点间的飞行时间TOF以及标签节点到基站节点间的距离,表示为:

S=c×TOF;

其中,Ra为标签节点开始发送第一消息到接收到第二消息间花费的总时间;Rb为基站节点开始发送第二消息到接收到第三消息花费的总时间;Da为基站节点接收到第一消息到发出第二消息花费的总时间;Db为标签节点接收到第二消息到发出第三消息花费的总时间;c为电磁波的传播速度。

6.根据权利要求1所述的基于UWB和气压计的室内高精度三维定位方法,其特征在于,步骤S5中第i个分组的实时测量高度表示为:其中,d01,d02,d12分别是三个基站之间形成的三角形的长度,0、1、2分别表示三个基站;

r0,r1,r2分别是三个基站与标签节点的连线的长度;D为中间参数,表示为 E为中间参数,表示为 F为中间参数,表示为 S为三个基站构成的三角形平面的面积。

7.根据权利要求1所述的基于UWB和气压计的室内高精度三维定位方法,其特征在于,采用增强型伪距差分方法对测量值进行实时校正包括:S81、若基站i与基站j间的真实距离为dij,并且采用对称双边双向测距算法实时的计算基站i与基站j间的距离测量值

S82、计算基站与基站节点间的偏移量,表示为:S83 、分 别对两个 基站 节点间的 偏移 量进行 k次迭 代 ,分 别取k 组S84、最后对所有的偏移量求均值,表示为S85、使用 对标签节点到基站节点的距离进行实时修正:c

其中,ri为修正后的标签节点到基站节点间的距离值,ri为修正前的标签节点到基站节点间的距离测量值;N为基站的个数, 为N个基站间的距离总数, 第n种基站与基站间的距离测量值,dijn第n种基站与基站间的真实距离;Δdnk表示第n种类型偏移量取k个;

表示k个偏移量求平均值。

8.根据权利要求1所述的基于UWB和气压计的室内高精度三维定位方法,其特征在于,步骤S10具体包括以下步骤:

S101、若标签节点到基站节点间的距离为ri,则其投影到平面上的水平距离li表示为:S102、使用二维的加权最小二乘定位算法建立标签的二维坐标方程,表示为:S103、根据加权最小二乘算法得到待测标签的二维坐标,采用经典的加权最小二乘定位算法对待测标签节点进行实时位置估计,表示为:其中,(x.y)表示标签节点的位置坐标;(x0,y0)、(x1,y1)、(x2,y2)为三个辅基站的坐标,z1为主基站的高度值,ΔH为实时测量的高度差。