一种基于UWB定位的三维定位系统

摘要

一种基于UWB定位的三维定位系统，包括UWB基站和移动UWB基站，包括以下步骤：(1)、搭建UWB基站，并分别计算两个UWB基站之间的距离；(2)、计算移动UWB基站到其他UWB基站的距离，计算出每个移动UWB基站的绝对位置；(3)、以移动UWB基站起始点，两个UWB基站分别为终止点，测量两个UWB基站与移动UWB基站的距离差，对移动UWB基站进行定位；(4)、选择其它UWB基站作为终止点，计算得到移动UWB基站的三维空间定位。本发明通过UWB定位达到三维空间实时定位，并且能够提高传感器的三维空间定位精度，形成多传感器的高效率监测；通过UWB基站与传感器在可移动装置上的配合使用，实现了实时监测数据传输和位置信息传输，提高了工程试验中的数据分析结果的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及三维定位的技术及传感器监测技术领域。

背景技术

在现有的监测实施工程中，需通过监测系统对于振动、噪声或者温度的数据进行实时监测，以便于我们对工程试验环节的数据分析与判断，但现有的监测系统在使用时存在下列问题：

(1)现有的监测系统只能放置单个或者较少的传感器，由于数量较少，导致监测系统与PC端之间传输的数据结果偏差或者不准确，且影响对于数据分析，对于试验判断的准确性；

(2)现有的监测系统结构复杂，不便于移动和大空间监测，多个使用又会出现无法定位、空间利用率低等缺点，导致对于测试环境体积面积等条件的要求较为苛刻；同时不便根据使用者的意愿进行实时监测使用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提出的一种基于UWB定位的多传感器监测三维定位系统。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于UWB定位的三维定位系统，包括UWB基站和移动UWB基站，定位方法包括以下步骤：

(1)、搭建UWB基站，并分别计算两个UWB基站之间的距离；

(2)、计算移动UWB基站到其他UWB基站的距离，从而计算出每个移动UWB基站的绝对位置；

(3)、以移动UWB基站起始点，两个UWB基站分别为终止点，将移动UWB基站放在起始点和终止点之间，测量两个UWB基站与移动UWB基站的距离差，对移动UWB基站进行定位；

(4)、继续选择其它UWB基站作为终止点，重复计算得到移动UWB基站的三维空间定位。

所述步骤1中：搭建第一UWB基站1、第二UWB基站2、第三UWB基站3和第四UWB基站4分别作为本地节点，利用TOA算法通过发送数据帧分别计算两个UWB基站之间的距离S1、S2、S3和S4，具体步骤如下：

步骤101、本地第一节点发送数据帧给本地第二节点，并收到本地第二节点的回复帧，分别记录下发送和接收时刻；

步骤102、利用发送和接收时刻，获取数据帧传输时间差T ToT与回复帧的传输时间差T TAT，T ToT为第二UWB基站2收到第一UWB基站1的数据帧之后，计算出的数据帧传输时间，T TAT为第一UWB基站1收到第二UWB基站2的回复帧之后，计算出的回复帧的传输时间；

步骤103、利用数据帧传输时间差T ToT与回复帧的传输时间差T TAT，计算无线电波在空气中的单向传输时间，单向传播时间T TOF的计算公式为：

T TOF＝(T ToT+T TAT)/2

步骤104、利用无线电波在空气中的单向传输时间计算两UWB基站之间的距离s，计算公式为：s＝c·T TOF；c为电磁波的传播速度，即光速。

所述步骤(2)中，任选一个移动UWB基站，利用TOA算法计算出移动UWB基站到其他UWB基站的距离，对移动UWB基站定位，取UWB基站对移动UWB基站定位点的交点的最小方差点分别为移动UWB基站的实际位置最接近的点，通过移动UWB基站的实际位置，结合与其他各个UWB基站的相对距离确定每个UWB基站在空间上的绝对位置。

所述步骤(3)中，利用TDOA算法测量出两个UWB基站与移动UWB基站的距离差，对移动UWB基站进行定位，具体步骤如下：

301、将移动UWB基站放在第一UWB基站1和第二UWB基站2之间，分别将移动UWB基站与两个UWB基站之间的距离作差，移动UWB基站的位置在以第一UWB基站1和第二UWB基站2为焦点与两个焦点的距离差恒为R

302、再次将该移动UWB基站放在第一UWB基站1和第三UWB基站3之间，利用TOA算法得到移动UWB基站的另一条位置双曲线；

303、该移动UWB基站的两条位置双曲线最多有两个交点，利用交点计算移动UWB基站的精确位置；

304、继续选择其它UWB基站作为终止点，重复计算每个UWB基站与该移动UWB基站的精确定位，从而得到该移动终端的三维空间定位。

所述移动UWB基站安装于移动监测装置上。

所述移动监测装置的底座10上安装架体18，架体18上通过搭载架连接机构13安装传感器搭载架12，传感器搭载架12上设有传感器放置孔16，传感器放置孔16内安装传感器。

所述底座10下部安装移动轮9和万向轮8。

所述传感器搭载架12端部通过活动连接机构17连接分支搭载架15，分支搭载架15上设有传感器放置孔16。

本发明的基于UWB定位的三维定位系统，与现有技术相比，有益效果是：

(1)通过UWB定位达到三维空间实时定位的目的，并且能够提高传感器的三维空间定位精度，形成多传感器的高效率监测；

(2)通过UWB基站与传感器在可移动装置上的配合使用，实现了实时监测数据传输和位置信息传输，大大的提高了工程试验中的数据分析结果的准确性。

附图说明

图1是本发明基于UWB定位的三维定位系统原理图。

图2是本发明基于UWB定位的三维定位方法流程图。

图3是本发明移动监测装置主视结构图。

图4是本发明移动监测装置的传感器搭载架部分结构图。

图中：1、第一UWB基站，2、第二UWB基站，3、第三UWB基站，4、第四UWB基站，5、第一移动监测装置，6、第二移动监测装置，7、第三移动监测装置，8、万向轮，9、移动轮，10、底座，11、加固板，12、传感器搭载架，13、搭载架连接结构，14、移动UWB基站，15、搭载架分支，16、传感器放置孔，17、活动连接机构，18、架体。

具体实施方式

为了解决对于工程实验中传感器数量较少和空间定位困难以及不准确性的问题，提出一种基于UWB定位的多传感器监测三维定位系统，包括本地基站、可移动检测装置、多传感器，如图1所示。

通过搭建不同的UWB基站，并在各UWB基站公共的覆盖范围内放置一个移动终端，利用TOA(Time of Arrival，到达时间算法)或者TDOA，到达时间差算法)计算各基站与移动终端的精准定位；在一定范围内实现基站之间的相互通讯。利用TOA两个基站发送数据帧并进行回复，从而得到两个基站间的距离；利用TDOA算法，通过测量出两个不同基站与移动终端的传输时延差来进行定位。然后，将移动终端设置在可移动装置上，让基站来确定其位置。进一步通过搭建多个UWB基站，利用多个基站的数据对可移动装置进行实时三维空间定位，基站数目越多，可移动装置定位精度越高。最后，利用定位数据进行多个可移动装置的实时三维空间定位；实时传输传感器数据和三维空间位置信息。

固定UWB基站，负责利用TOA算法(Time of Arrival，到达时间算法)通过发送数据帧分别计算两UWB基站之间的距离针对可移动装置上n个随机的UWB基站，任选一个UWB基站a

可移动监测装置，负责选择第一基站1和第二基站2分别为终止点，将移动终端放在起始点和终止点之间，利用TDOA(Time Difference of Arrival)测量出两个UWB基站与移动终端的距离差，进而对移动终端进行定位；继续选择其它UWB基站作为终止点，重复计算每个UWB基站与该移动终端的精确定位,从而得到该移动终端的三维空间定位，对所监测的数据信息进行传输，并将实时位置信息传输给总控制端。

通过移动UWB基站与UWB基站之间的信息传输，实时三维空间定位，加强移动UWB基站与UWB基站之间的信息传输速度，实现了移动UWB基站群的实时三维空间监测和数据传输，基于UWB定位的多传感器监测三维定位方法包括以下步骤，如图2所示：

(1)、搭建四个不同的UWB基站，第一UWB基站1、第二UWB基站2、第三UWB基站3和第四UWB基站4，分别作为本地第一节点、本地第二节点、本地第三节点和本地第四节点，利用TOA算法通过发送数据帧分别计算两UWB基站之间的距离S1、S2、S3和S4；具体为(以第一节点和第二节点为例)：

步骤101、本地节点1发送数据帧给本地节点2，并收到本地节点2的回复帧，分别记录下发送和接收时刻；

具体为：第一UWB基站1发送数据帧给第二UWB基站2，第二UWB基站2收到数据帧之后发送回复帧给第一UWB基站1，第一UWB基站1记录数据帧的发送时刻和回复帧的接收时刻，第二UWB基站2记录数据帧的接收时刻和回复帧的发送时刻，并将记录的四个时刻发送到总控制端；

步骤102、利用发送和接收时刻，获取数据帧传输时间差T ToT与回复帧的传输时间差T TAT，T ToT为UWB基站2收到UWB基站1的数据帧之后，计算出的数据帧传输时间，TTAT为UWB基站1收到UWB基站2的回复帧之后，计算出的回复帧的传输时间；

步骤103、利用数据帧传输时间差T ToT与回复帧的传输时间差T TAT，计算无线电波在空气中的单向传输时间；单向传播时间T TOF的计算公式为：

T TOF＝(T ToT+T TAT)/2

步骤104、利用无线电波在空气中的单向传输时间计算两UWB基站之间的距离s；

计算公式为：s＝c·T TOF；c为电磁波的传播速度，即光速。

(2)、针对第一可移动监测装置5、第二可移动监测装置6、第三可移动监测装置7上n个随机的UWB基站，任选一个移动UWB基站a

(3)、分别以UWB基站a

具体步骤如下(以其中一个可移动装置为例)：

首先、将移动终端放在第一UWB基站1和第二UWB基站2之间，分别将移动终端与两个UWB基站之间的距离作差，计算如下：(X

(4)、继续选择其它UWB基站作为终止点，重复计算每个UWB基站与该移动终端的精确定位，从而得到该移动终端的三维空间定位；

(5)、将该移动终端搭载到携带多传感器的可移动监测装置上，实时空间三维定位；

(6)、重复步骤(3)到步骤(5)逐个增加可移动装置，并计算各自的最空间三维，最终形成多传感器的高效率监测。

可移动监测装置包括多个移动UWB基站模块和多个传感器模块，移动UWB基站模块负责实时的进行三维空间位置数据侦测并传输到总控制端，传感器模块负责监测范围内的的监测数据传输，例如振动、噪声、温度等。具体结构如图3和图4所示，底座10下部安装移动轮9和万向轮8，移动监测装置的底座10上安装架体18，架体18四个端面固定有T型连接装置13，T型连接装置13设有装配移动UWB基站和传感器的由矩形管支撑的传感器搭载架12，架体18的顶端设有移动UWB基站。传感器搭载架12端部通过活动连接机构17连接分支搭载架15，分支搭载架15可以转动调节，传感器搭载架12和分支搭载架15上设有传感器放置孔16，传感器放置孔16内安装传感器。转向轮8设有自锁固定功能，移动轮9的移动是单向的。

本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。