一种基于DW1000的UWB超宽带定位系统

摘要

本发明属于UWB定位技术领域，具体公开了一种面向无人机的自动部署UWB惯性室内定位系统，包括：定位拓扑层，使用以DW1000芯片为收发媒介，STM32F103C8T6为计算中心的UWB定位组模组成，同时为提高精度，将中心处理层的结果送入拓扑算法进行最短距离计算和基站点位选取；本专利用多节点相对距离数据进行解算：其中空间中各节点数据初步选择测量范围内各点测量数据，从网络获得选定点两两之间测距信息，依据三点定位确定各组空间中相对位置，并将位置信息上传至网络中，根据项目设计的定位算法进行多次空间几何关系闭环运算，将三点定位获得位置关系信息元合成高精度的相对位置信息，实现多点空间坐标的厘米级定位。

说明书

技术领域

本发明涉及技术UWB定位领域，具体为一种基于DW1000的UWB超宽带定位系统。

背景技术

目前国内现有UWB超宽带定位系统在硬件方面包括UWB定位基站、定位标签、定位引擎和应用系统四部分，通过在固定基站和待定位终端之间发送无线脉冲来测量飞行时间进而测距。由于UWB所需要的频段是6G-9G，高频段会造成脉冲的穿透性下降，其精度容易受到室内遮挡因素的影响，室内定位UWB基站和定位标签之间存在障碍物，将阻碍信号直接被互相接收，从而影响定位；现有技术中基站处于固定状态，要实现更大范围的定位，需要进行多次计算以确定基站位置，基站位置的灵活度较低，一旦基站位置受到外界环境的影响发生改变，定位准确性便会受到影响；

当前应用UWB技术主要定位方式为在地面设置三个或以上确定位置的基站，进行tof原理测距，其测距精度依赖于信号频率，经过在时间上滤波得到距离存在10cm级别的误差，再依据三点定位算法解得空间位置信息，可以考虑在时间上进行滤波与平均，但仍存在如遮挡信号衍射造成的难以消除的误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于DW1000的UWB超宽带定位系统，以解决上述背景技术中所提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案一种面向无人机的自动部署UWB惯性室内定位系统，包括：

定位拓扑层，使用以DW1000芯片为收发媒介，STM32F103C8T6为计算中心的UWB定位组模组成，同时为提高精度，将中心处理层的结果送入拓扑算法进行最短距离计算和基站点位选取；

包括：

UWB定位组模，用于采用DW1000作为收发数据信号的UWB定位组模，UWB定位组模将多个运算处理层进行合并整合；

用于将UWB定位组模整合数据进行位置计算的中心处理层；

用于将中心处理层计算拓扑层后的结果数据进行整合汇总，并进行数据打包的数据整合层

用于进行无人机目标位置获取，实现定点巡航、路径规划的位置反馈层。

优选的，所述中心处理数据整合层利用DW1000模块高速信息传输功能实现物理层，基于IEEE 802.11的MAC协议或TCP/IP协议并在上层编写链接控制程序，实现节点之间寻址，数据链路的建立、维持和释放，实现无人机集群链路层；在链路层服务基础上采用现有网络协议，或依据本项目无人机运行方式与所需完成任务与要求实现功能的特质，编写网络层通讯协议，最终实现在无人机之间进行信息共享、决策和协同控制的自组织网络，可拓展图像传输与深度神经网络计算中间数据传输；编写控制程序框架，在STM32使用多任务程序架构；通过基于DW1000技术的UWB模块获取无人机间距离并发布到网络，设计基于相对距离信息的分布式节点的高精度位置定位算法，因此无人机可从网络调取距离数据进行空间建模与网络中各节点定位，并依据此精确位置信息实现如搭载于无人机集群的深度视觉环境建模系统、无人机精确控制等技术，实现两点间测距的功能是DW1000使用TOF的方式，依据数据帧收发时间戳，计算空中飞行时间与光速的乘积得到两点间距离，TOF属于双向测距技术，利用数据信号在一对收发机之间往返的飞行时间来测量两点间的距离，在惯性导航系统中，惯性测量单元是线性、旋转、磁性和气压传感器的组合，在一个包含x轴、y轴、z轴的笛卡尔坐标系中，传感器能够测量各轴方向的线性运动，以及围绕各轴的旋转运动，加速度计在惯性参照系中用于测量系统的线加速度，通过对加速度进行解算得出角速度，同时可以辅助陀螺仪进行角度解算；陀螺仪在惯性参照系中用于测量系统的角速率，对角速率进行积分，就可以得到系统的实时方向，但由于积分会出现累计误差，表现为角度会一直增加或减少；磁力计可以在水平位置确认朝向，通过磁力计与陀螺仪的相互校正，得到无人机实时姿态参数；气压传感器用于检测大气压强，可用作高度计，在惯导系统中增强z轴动态与精度。由惯导系统得到无人机实时姿态信息，利用UWB技术获取基站间相对位置以及无人机与基站距离，可在空间中建立位置坐标系，实现无人机定位。

优选的，所述位置反馈层发出的数据信号可被除自身外的其他系统接收，包括GPS以及北斗卫星等等，不限于其他信号系统接收，接收系统进行一次延时处理，在延时中全部接受系统分别收到数据信号，结束延时后向发出系统返回一个数据信号值，经数据存储与处理，得到最终定位所需的距离值，将无人机本体与基站间距离及各基站间距离与无人机依姿态位置信息相结合，可确定无人机准确的位置信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本专利用多节点相对距离数据进行解算：其中空间中各节点数据初步选择测量范围内各点测量数据，从网络获得选定点两两之间测距信息，依据三点定位确定各组空间中相对位置，并将位置信息上传至网络中，根据项目设计的定位算法进行多次空间几何关系闭环运算，将三点定位获得位置关系信息元合成高精度的相对位置信息，实现多点空间坐标的厘米级定位。

附图说明

图1为发明UWB惯性室内定位系统示意图；

图2为发明系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种面向无人机的自动部署UWB惯性室内定位系统，包括：

定位拓扑层，使用以DW1000芯片为收发媒介，STM32F103C8T6为计算中心的UWB定位组模组成，同时为提高精度，将中心处理层的结果送入拓扑算法进行最短距离计算和基站点位选取；

包括：

UWB定位组模，用于采用DW1000作为收发数据信号的UWB定位组模，UWB定位组模将多个运算处理层进行合并整合；

用于将UWB定位组模整合数据进行位置计算的中心处理层；

用于将中心处理层计算拓扑层后的结果数据进行整合汇总，并进行数据打包的数据整合层

用于进行无人机目标位置获取，实现定点巡航、路径规划的位置反馈层；

进一步的，利用DW1000模块高速信息传输功能实现物理层，基于IEEE802.11的MAC协议或TCP/IP协议并在上层编写链接控制程序，实现节点之间寻址，数据链路的建立、维持和释放，实现无人机集群链路层，在链路层服务基础上采用现有网络协议，或依据本项目无人机本体运行方式与所需完成任务与要求实现功能的特质，编写网络层通讯协议，最终实现在无人机本体之间进行信息共享、决策和协同控制的自组织网络，可拓展图像传输与深度神经网络计算中间数据传输；编写控制程序框架，在STM32使用多任务程序架构；通过基于DW1000技术的UWB模块获取无人机本体间距离并发布到网络，设计基于相对距离信息的分布式节点的高精度位置定位算法，因此无人机本体可从网络调取距离数据进行空间建模与网络中各节点定位，并依据此精确位置信息实现如搭载于无人机集群的深度视觉环境建模系统、无人机本体精确控制等技术，实现两点间测距的功能是DW1000使用TOF的方式，依据数据帧收发时间戳，计算空中飞行时间与光速的乘积得到两点间距离，TOF属于双向测距技术，利用数据信号在一对收发机之间往返的飞行时间来测量两点间的距离，在惯性导航系统中，惯性测量单元是线性、旋转、磁性和气压传感器的组合，在一个包含x轴、y轴、z轴的笛卡尔坐标系中，传感器能够测量各轴方向的线性运动，以及围绕各轴的旋转运动，加速度计在惯性参照系中用于测量系统的线加速度，通过对加速度进行解算得出角速度，同时可以辅助陀螺仪进行角度解算；陀螺仪在惯性参照系中用于测量系统的角速率，对角速率进行积分，就可以得到系统的实时方向，但由于积分会出现累计误差，表现为角度会一直增加或减少；磁力计可以在水平位置确认朝向，通过磁力计与陀螺仪的相互校正，得到无人机本体实时姿态参数；气压传感器用于检测大气压强，可用作高度计，在惯导系统中增强z轴动态与精度。由惯导系统得到无人机本体实时姿态信息，利用UWB技术获取基站间相对位置以及无人机与基站距离，可在空间中建立位置坐标系，实现无人机定位。

进一步的，在使用时，基站的位置可任意摆放与移动，当基站与无人机本体上的UWB模块都处于工作状态时，发出的数据信号可被除自身外的其他系统接收，包括GPS以及北斗卫星等等，不限于其他信号系统接收，接收系统进行一次延时处理，在延时中全部接受系统分别收到数据信号，结束延时后向发出系统返回一个数据信号值，经数据存储与处理，得到最终定位所需的距离值，将无人机本体与基站间距离及各基站间距离与无人机依姿态位置信息相结合，可确定无人机本体准确的位置信息。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。