基于UWB的基站坐标自标定方法及系统、设备、介质和产品与流程

基于uwb的基站坐标自标定方法及系统、设备、介质和产品
技术领域
1.本发明涉及无线定位技术领域，尤其涉及基于uwb的基站坐标自标定方法及系统、设备、介质和产品。


背景技术：

2.在使用uwb定位系统时，需要知道基站的坐标才能给标签进行定位。基站坐标的获取方法一般是人为使用全站仪或者测量设备进行测量。例如：申请号为cn201610857267.1的中国专利，先使用测量设备人为测量出标签到各个基站之间的距离，然后通过距离来计算出各个基站的坐标。该方法需要人为的使用测量设备进行标签和各个基站之间的距离测量，在改动基站位置后需要再次重新进行测量，费时费力，效率低下。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于uwb的基站坐标自标定方法，解决了基站坐标标定使用全站仪等测绘仪器标定，效率低下，且每次改变基站位置时又需要重新进行测量的问题，实现基站坐标位置的自标定。
4.本发明提供基于uwb的基站坐标自标定方法，包括以下步骤：
5.发送测距指令，控制站在系统中广播带有当前基站信息的数据帧；
6.基站间测距，当前基站接收到所述数据帧后，连续与定位区域内下一个基站之间测距若干次，并在测距完成后，对所有的测距信息计算测距平均值后在预设时刻发送给标签模块，循环执行本步骤，所述当前基站依次与定位区域内再下一个基站测距；
7.循环测距，循环执行所述发送测距指令步骤，所述控制站在系统中广播带有下一基站信息的数据帧，循环执行所述基站间测距步骤，直至所有基站完成测距；
8.发送转换指令，所述控制站广播坐标转换指令；
9.坐标转换，所述标签模块接收到所述坐标转换指令后，将基站的测距平均值转换为每个基站的坐标；
10.发送广播指令，所述控制站发送广播坐标命令；
11.广播坐标信息，所述标签模块接收到所述广播坐标命令后，将所有的基站坐标信息进行广播；
12.记录坐标，基站接收到所述标签模块广播的自身基站数据后进行记录。
13.进一步地，所述坐标转换步骤中，通过两点间距离公式和基站的测距平均值计算出每个基站的坐标。
14.进一步地，所述坐标转换步骤中，建立以第一个基站为坐标原点，第一个基站与第二个基站连线为x轴正方向，过第一个基站做垂直于第一个基站和第二个基站为y轴的坐标系，并结合两点间距离公式和基站的测距平均值计算出每个基站的坐标。
15.进一步地，所述基站间测距步骤中，基站之间距离计算公式为：
16.((t
4-t1)-(t
3-t2))/2*c
17.其中，t
4-t1为发射端基站发出数据信号和接收到接收端基站应答信号的时间间隔，t
3-t2为接收端基站收到发射端基站的数据信号和发出应答信号的时间间隔。
18.一种电子设备，包括：处理器；
19.存储器；以及程序，其中所述程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由处理器执行，所述程序包括用于执行基于uwb的基站坐标自标定方法。
20.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行基于uwb的基站坐标自标定方法。
21.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现基于uwb的基站坐标自标定方法。
22.基于uwb的基站坐标自标定系统，包括控制站、标签模块，若干基站围成定位区域，所述标签模块位于所述定位区域内；所述控制站用于测距的起始启动指令的发布、命令所述标签模块进行距离到坐标的转换、命令所述标签模块将转换出的坐标进行广播；所述基站用于接收所述测距的起始启动指令，连续与所述定位区域内下一个基站之间测距若干次，并在测距完成后，对所有的测距信息计算测距平均值后在预设时刻发送给标签模块，并在接收到所述标签模块广播的自身基站数据后进行记录；所述标签模块接收到所述距离到坐标的转换命令后，将基站的测距平均值转换为每个基站的坐标，并在接收到所述将转换出的坐标进行广播的命令后，将所有的基站坐标信息进行广播。
23.进一步地，所述标签模块通过两点间距离公式和基站的测距平均值计算出每个基站的坐标。
24.进一步地，所述标签模块建立以第一个基站为坐标原点，第一个基站与第二个基站连线为x轴正方向，过第一个基站做垂直于第一个基站和第二个基站为y轴的坐标系，并结合两点间距离公式和基站的测距平均值计算出每个基站的坐标；
25.基站之间距离计算公式为：
26.((t
4-t1)-(t
3-t2))/2*c
27.其中，t
4-t1为发射端基站发出数据信号和接收到接收端基站应答信号的时间间隔，t
3-t2为接收端基站收到发射端基站的数据信号和发出应答信号的时间间隔。
28.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
29.本发明提供基于uwb的基站坐标自标定方法，通过添加控制站的方法，实现基站两两之间的测距交互流程，实现标签坐标转换并广播的流程，实现全自动的基站自动标定方法。同时在环境复杂，遮挡严重时，通过控制站的测距命令可以实现视距基站之间的测距，最后通过坐标系之间的装换关系达到全局基站坐标系的统一。
30.本发明实现全自动基站坐标自动标定，不需要人为借用测绘仪器进行标定；在环境复杂时，通过控制站发送基站两两之间的测距指令实现视距下的测距，从而提升自动基站坐标标定的精度，提升定位精度；在大范围环境复杂情况下进行基站布置时，通过控制站发送基站两两之间的测距指令实现视距下的测距，然后通过坐标系装换的关系实现基站坐标的统一，实现全局基站自动标定的可能性。
31.本发明解决了基站坐标标定使用全站仪等测绘仪器标定，效率低下，且每次改变基站位置时又需要重新进行测量的问题，使用全自动的方式，不需要任何人为的测量来实现基站坐标的标定，实现基站坐标位置的自标定，在实际工程中节约人力。
32.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
33.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
34.图1为本发明的基于uwb的基站坐标自标定方法测试时序一；
35.图2为本发明的基于uwb的基站坐标自标定方法测试时序二；
36.图3为本发明的基于uwb的基站坐标自标定方法测试时序三；
37.图4为本发明的tof测距流程图；
38.图5为本发明的坐标转换流程图；
39.图6为本发明的标签模块坐标广播流程图；
40.图7为本发明的基于uwb的基站坐标自标定系统布置框图。
具体实施方式
41.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
42.基于uwb的基站坐标自标定方法，包括以下步骤：
43.发送测距指令，控制站在系统中广播带有当前基站信息的数据帧。如图1所示，控制站w在系统中广播一帧带有基站a信息的数据。
44.基站间测距，当前基站接收到数据帧后，连续与定位区域内下一个基站之间测距若干次，并在测距完成后，对所有的测距信息计算测距平均值后在预设时刻发送给标签模块，循环执行本步骤，当前基站依次与定位区域内再下一个基站测距。如图1所示，基站a收到信号后，开始系统中的测距功能，通过图5的tof测距方法，基站a连续与基站b之间测距m次，在测距完成m次后，基站a将所有的测距信息通过计算平均值的方法，降低测距误差，将计算后的测距平均值在syn1时刻发送给标签模块m；然后，基站a连续与基站c之间测距m次，在测距完成m次后，基站a将所有的测距信息通过计算平均值的方法，降低测距误差，将计算后的测距平均值在syn2时刻发送给标签模块m；接下来，基站a连续与基站d之间测距m次，在测距完成m次后，基站d将所有的测距信息通过计算平均值的方法，降低测距误差，将计算后的测距平均值在syn3时刻发送给标签模块m。至此，基站a参与测距结束。
45.tof的测距原理如图4所示，由tof的测距原理可以知道，基站与标签之间的距离为[(t4-t1)-(t3-t2)]/2*c(c为光速)。优选的，基站之间距离计算公式为：
[0046]
((t
4-t1)-(t
3-t2))/2*c
[0047]
其中，t
4-t1为发射端基站发出数据信号和接收到接收端基站应答信号的时间间隔，t
3-t2为接收端基站收到发射端基站的数据信号和发出应答信号的时间间隔。
[0048]
循环测距，循环执行发送测距指令步骤，控制站在系统中广播带有下一基站信息的数据帧，循环执行基站间测距步骤，直至所有基站完成测距。如图2所示，在基站a测距完
成并将所有的计算后的距离信息发送给标签模块后，控制站w在系统中广播一帧带有基站b信息的数据,开始和上述一样的过程实现基站b与基站c，基站b与基站d的测距流程，并将距离信息在syn4、syn5时刻发送给标签模块。
[0049]
如图3所示，以上述同样的方法，实现基站c与基站d之间的测距，在syn6时刻将距离信息发送给标签模块。
[0050]
发送转换指令，在标签收集到所有基站与标签之间的距离信息后，如图5所示，控制站广播坐标转换指令；
[0051]
坐标转换，标签模块接收到坐标转换指令后，将基站的测距平均值转换为每个基站的坐标；优选的，通过两点间距离公式和基站的测距平均值计算出每个基站的坐标。设基站a的坐标为(xa，ya)，基站b的坐标为(xb，yb)，基站c的坐标为(xc，yc)，基站d的坐标为(xd，yd)。通过上述步骤得到两两基站之间的平均距离，假设基站a与基站b之间的距离为ab，基站a与基站c之间的距离为ac，基站a与基站d之间的距离为ad，基站b与基站c之间的距离为bc,基站b与基站d之间的距离为bd,基站c与基站d之间的距离为cd。
[0052]
两点与距离之间的公式为：
[0053][0054]
由已知信息可得，
[0055][0056][0057][0058][0059][0060][0061]
在此计算过程中，为方便计算，建立以基站a为坐标原点，基站a与基站b连线为x轴正方向，过基站a做垂直于基站a、b为y轴的坐标系。因此基站a的坐标为(0，0)，基站b的坐标为(ab,0)。
[0062]
将上式进一步化简得：
[0063][0064][0065][0066]
[0067]
至此，在标签中，基站a、b、c、d的坐标经过计算得出。
[0068]
发送广播指令，在基站与标签测距流程结束后，如图6所示，控制站发送广播坐标命令；
[0069]
广播坐标信息，标签模块接收到广播坐标命令后，将所有的基站坐标信息进行广播；
[0070]
记录坐标，基站接收到标签模块广播的自身基站数据后进行记录。
[0071]
一种电子设备，包括：处理器；
[0072]
存储器；以及程序，其中程序被存储在存储器中，并且被配置成由处理器执行，程序包括用于执行基于uwb的基站坐标自标定方法。
[0073]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行基于uwb的基站坐标自标定方法。
[0074]
一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现基于uwb的基站坐标自标定方法。
[0075]
基于uwb的基站坐标自标定系统，如图7所示，包括控制站、标签模块(图6中的m)，若干基站围成定位区域，图7中基站a、b、c、d布置后围成一个任意的定位区域，标签模块m位于定位区域内，控制站w放在系统附近，满足系统内的模块信号可以相互接收即可。控制站用于测距的起始启动指令的发布、命令标签模块进行距离到坐标的转换、命令标签模块将转换出的坐标进行广播；基站用于接收测距的起始启动指令，连续与定位区域内下一个基站之间测距若干次，并在测距完成后，对所有的测距信息计算测距平均值后在预设时刻发送给标签模块，并在接收到标签模块广播的自身基站数据后进行记录；标签模块接收到距离到坐标的转换命令后，将基站的测距平均值转换为每个基站的坐标，并在接收到将转换出的坐标进行广播的命令后，将所有的基站坐标信息进行广播。
[0076]
在一实施例中，控制站在系统中广播带有当前基站信息的数据帧。如图1所示，控制站w在系统中广播一帧带有基站a信息的数据。
[0077]
当前基站接收到数据帧后，连续与定位区域内下一个基站之间测距若干次，并在测距完成后，对所有的测距信息计算测距平均值后在预设时刻发送给标签模块，循环执行本步骤，当前基站依次与定位区域内再下一个基站测距。如图1所示，基站a收到信号后，开始系统中的测距功能，通过图5的tof测距方法，基站a连续与基站b之间测距m次，在测距完成m次后，基站a将所有的测距信息通过计算平均值的方法，降低测距误差，将计算后的测距平均值在syn1时刻发送给标签模块m；然后，基站a连续与基站c之间测距m次，在测距完成m次后，基站a将所有的测距信息通过计算平均值的方法，降低测距误差，将计算后的测距平均值在syn2时刻发送给标签模块m；接下来，基站a连续与基站d之间测距m次，在测距完成m次后，基站d将所有的测距信息通过计算平均值的方法，降低测距误差，将计算后的测距平均值在syn3时刻发送给标签模块m。至此，基站a参与测距结束。
[0078]
tof的测距原理如图4所示，由tof的测距原理可以知道，基站与标签之间的距离为[(t4-t1)-(t3-t2)]/2*c(c为光速)。优选的，基站之间距离计算公式为：
[0079]
((t
4-t1)-(t
3-t2))/2*c
[0080]
其中，t
4-t1为发射端基站发出数据信号和接收到接收端基站应答信号的时间间隔，t
3-t2为接收端基站收到发射端基站的数据信号和发出应答信号的时间间隔。
[0081]
循环执行发送测距指令步骤，控制站在系统中广播带有下一基站信息的数据帧，循环执行基站间测距步骤，直至所有基站完成测距。如图2所示，在基站a测距完成并将所有的计算后的距离信息发送给标签模块后，控制站w在系统中广播一帧带有基站b信息的数据,开始和上述一样的过程实现基站b与基站c，基站b与基站d的测距流程，并将距离信息在syn4、syn5时刻发送给标签模块。
[0082]
如图3所示，以上述同样的方法，实现基站c与基站d之间的测距，在syn6时刻将距离信息发送给标签模块。
[0083]
在标签收集到所有基站与标签之间的距离信息后，如图5所示，控制站广播坐标转换指令；
[0084]
标签模块接收到坐标转换指令后，将基站的测距平均值转换为每个基站的坐标；优选的，通过两点间距离公式和基站的测距平均值计算出每个基站的坐标。设基站a的坐标为(xa，ya)，基站b的坐标为(xb，yb)，基站c的坐标为(xc，yc)，基站d的坐标为(xd，yd)。通过上述步骤得到两两基站之间的平均距离，假设基站a与基站b之间的距离为ab，基站a与基站c之间的距离为ac，基站a与基站d之间的距离为ad，基站b与基站c之间的距离为bc,基站b与基站d之间的距离为bd,基站c与基站d之间的距离为cd。
[0085]
两点与距离之间的公式为：
[0086][0087]
由已知信息可得，
[0088][0089][0090][0091][0092][0093][0094]
在此计算过程中，为方便计算，建立以基站a为坐标原点，基站a与基站b连线为x轴正方向，过基站a做垂直于基站a、b为y轴的坐标系。因此基站a的坐标为(0，0)，基站b的坐标为(ab,0)。
[0095]
将上式进一步化简得：
[0096][0097][0098]
[0099][0100]
至此，在标签中，基站a、b、c、d的坐标经过计算得出。
[0101]
在基站与标签测距流程结束后，如图6所示，控制站发送广播坐标命令；
[0102]
标签模块接收到广播坐标命令后，将所有的基站坐标信息进行广播；
[0103]
基站接收到标签模块广播的自身基站数据后进行记录。
[0104]
常见的基站两两之间的测距方法一般是通过基站自身作为测距的启始端，在系统基站布置多且环境复杂，比如有遮挡时，基站自身难以区分此时的基站测距值是否有效。通过在系统中添加控制站的方法，告诉系统哪些基站之间是视距的，是可以对测距值进行信任，这样大大减少了系统对非视距的判断，同时提升坐标解算精度，从而提升标签的定位精度。
[0105]
本发明提供基于uwb的基站坐标自标定方法，解决了基站坐标标定使用全站仪等测绘仪器标定，效率低下，且每次改变基站位置时又需要重新进行测量的问题，使用全自动的方式，不需要任何人为的测量来实现基站坐标的标定，实现基站坐标位置的自标定，在实际工程中节约人力。
[0106]
以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。