一种基于无线时钟同步的uwb终端自主定位方法
技术领域
1.本发明属于无线定位领域，涉及一种基于无线时钟同步的uwb终端自主定位方法。
背景技术：2.近年来，随着煤矿智能化建设推进，人员定位系统作为智能化煤矿十大主要功能系统之一，在安全生产、人员管理、应急救援等方面起到重要作用。现阶段人员定位系统已经发展到第三代需实现煤矿井下人员精确定位，第一代以rfid技术为基础实现区域人员定位系统，第二代以rfid、wifi等技术实现低精度测距，从而建立煤矿井下一维定位系统，第三代是现阶段正在研发的以uwb技术作为主流技术通过高精度飞行时间测量实现煤矿井下高精度人员定位系统的建立。uwb系统可以在信噪比比较低的情况下工作，并且uwb系统发射的功率谱密度也非常低，传输时几乎被隐藏在各种电磁干扰和噪声中，故具有功耗低、系统复杂度低、隐秘性好、截获率低、保密性好等优点。
3.现阶段煤矿现场人员定位均采用基站或中心站定位引擎解算的方式进行定位，这种定位方式实现功能较简单，但无法进一步提高定位并发量，随着煤矿现场定位终端逐渐增加对定位并发量有了更高的要求。在煤矿现场采用类似gps定位原理实现终端定位，由于是各个定位终端进行独立坐标解算，理论上定位并发量无限，可满足煤矿现场日益增多的定位终端的定位需求。
技术实现要素：4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于无线时钟同步的uwb终端自主定位方法。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种基于无线时钟同步的uwb终端自主定位方法，包括以下步骤：
7.s1：对uwb基站进行分组，每组包含一个主基站和三个从基站，每组负责一块区域的定位；
8.s2：定位区域的主基站上电与从基站依次进行tof测距；
9.s3：中心站定位引擎对各个基站进行时序分配，各个基站根据时序依次进行信息帧广播；
10.s4：定位终端接收各个基站的信息帧并保存时间戳，从基站接收主基站发出的信息帧并保存时间戳，并将相关时间戳信息通过信息帧进行广播；
11.s5：当定位终端接收到最后一个序号的从基站信息帧后，将分析之前接收到的所有信息帧信息，筛选出同一区域的信息帧；
12.s6：将同一区域所有基站的发送时间戳都同步到定位终端同一时间起点上；
13.s7：定位终端求解出定位终端到达该区域任意两个基站的距离差，最后利用任意三组定位终端到基站的距离差数据并结合四个基站的安装坐标实现定位终端坐标解算；
14.s8：将该区域内四个基站随机组合求解出四组定位坐标，最后将四组定位坐标进
行滤波处理，将处理后的坐标作为定位坐标；
15.s9：通过无线通信将定位坐标上传到中心站定位引擎，中心站定位引擎进行坐标及轨迹显示。
16.进一步，所述定位终端包括主控mcu模块，与所述主控mcu模块连接的uwb模块、dc/dc模块、无线通信模块、flash模块、显示模块、实时时钟rtc模块、看门狗模块；所述主控mcu模块控制uwb模块实现uwb收发功能，并对接收信息帧进行分析，解算出定位终端定位坐标；所述dc/dc模块对锂电供电电压进行降压滤波处理；所述无线通信模块负责将主控mcu模块解算出的坐标进行上传以及相关配置下发；所述flash模块存储定位终端配置信息以及gis地图信息；显示模块用于显示定位信息；所述实时时钟rtc模块用于为主控mcu模块提供时间基准；所述看门狗模块用于对主控mcu模块进行监控复位。
17.进一步，定位区域主从基站根据信息帧广播时序依次进行信息帧广播，广播完第一轮信息帧后紧接着进行第二轮广播，并一直进行循环广播；
18.tag为定位终端，其中manchor为该定位区域主基站，sanchor1～sanchorn为该定位区域内的从基站，tb1为manchor前一轮广播信息帧时间戳，tb2为本轮manchor广播信息帧时间戳，ta2和tc2分别表示tag和sanchor1接收到本轮manchor广播信息帧时刻的时间戳，tbc表示信息帧从manchor传输到sanchor1所需要的时间；manchor和sanchor1之间的距离d1在manchor上电时通过ds-twr测量得到，根据距离等于光速乘以时间求解出tbc的值；tc23为sanchor1接收manchor广播信息帧和sanchor1发送广播信息帧之间时间差，sanchor1在tc3时刻进行信息帧广播，并且在信息帧里面附带tbc和tc23两个时间间隔值，tag在ta3时刻接收到sanchor1广播的信息帧并记录时间戳；tag将sanchor1广播的信息帧等效为从tc4时刻发送，ta4时刻接收到信息帧，使得manchor和sanchor1各自广播信息帧处于同一时刻发送；δtbc表示manchor和sanchor1信息帧传递到tag的时间差，同理求得该区域任意两个anchor信息帧广播到tag的时间差；
19.tag和sanchor1之间的时间同步系数为：
20.ta2-ta1＝k(tc2-tc1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
21.时间同步后的时间差求解公式如下：
[0022][0023]
δtbc表示manchor和sanchor1传输到tag时间差；ta3表示tag接收sanchor1信息帧时间戳；tc3表示sanchor1广播信息帧时间戳；tc2表示sanchor1接收manchor信息帧时间戳；ta2表示tag接收manchor信息帧时间戳；d1表示manchor和sanchor之间距离；c表示光速；k表示tag和sanchor1之间时间同步系数。
[0024]
进一步，定位终端计算出任意两个anchor信息帧的接收时间差，满足该时间差的点集合得到一条双曲线，得到三条双曲线，其交汇点就是定位终端的坐标；
[0025]
令manchor、sanchor1、sanchor2三个基站的坐标分别是(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)，定位终端tag的坐标为(x,y)，利用三条双曲线相交得到以下公式：
[0026][0027]
式中：ta表示等效后manchor信息帧接收时间戳；tb表示等效后sanchor1信息帧接收时间戳；tc表示等效后sanchor2信息帧接收时间戳；
[0028]
对式(3)进行解算求得定位终端坐标(x,y)的具体值，一个定位区域由四个基站组成，随机选取三个基站数据进行求解，总共求解出四组坐标值，将四个坐标值进行卡尔曼滤波处理后，得到最终的定位终端坐标值。
[0029]
进一步，通过最小二乘法、三角质心法应对现实情况下存在的测量误差，对定位终端坐标进行最优估算。
[0030]
本发明的有益效果在于：
[0031]
1、同步时钟精度高：采用无线时钟同步方法进行时钟同步确保时钟精度；
[0032]
2、定位并发量无限：通过定位终端进行坐标结算，理论并发量无限；
[0033]
3、定位速度快：通过定位终端进行本地解算，无需将时间戳上传至中心站定位引擎解算。
[0034]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0035]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0036]
图1为本发明所述基于无线时钟同步的uwb终端自助定位方法流程图；
[0037]
图2为定位终端定位框图；
[0038]
图3为定位终端硬件框图；
[0039]
图4为定位终端定位时序图；
[0040]
图5为定位坐标解算示意图。
具体实施方式
[0041]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0042]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不
代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0043]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。
[0044]
如图1所示，本发明提供一种基于无线时钟同步的uwb终端自主定位方法，定位前对uwb基站进行分组，每个分组包含一个主基站和三个从基站，每组四个基站负责一块区域的定位，该组的主基站同时还可以是其它组的主基站或从基站，同理该组的从基站也可以是其它组的主基站或从基站。每个定位区域的主基站上电后会主动与从基站依次进行tof测距，由于采用tof测距中的ds-twr方式进行测距，可最大程度降低两个基站由于晶振时钟不匹配导致的测距误差，同时将多次测距距离进行滤波处理后的结果作为主从基站间距。中心站定位引擎对基站进行时序分配，主从基站根据时序依次进行信息帧广播，定位终端会接收所有信息帧的信息并保存时间戳，从基站也会接收主基站发出的信息帧并保存时间戳，并将相关时间戳信息通过信息帧进行广播，当定位终端接收到最后一个序号的从基站信息帧后，将分析之前接收到的所有信息帧信息，将该区域所有基站的发送时间戳都同步到定位终端同一时间起点上，这样定位终端可求解出定位终端到达该区域任意两个基站的距离差，最后利用任意三组定位终端到基站的距离差数据并结合四个基站的安装坐标即可实现定位终端坐标解算。将四个基站随机组合可求解出四组定位坐标，最后将四组定位坐标进行滤波处理，处理后的坐标作为定位坐标，并通过4g、wifi等无线通讯技术进行定位坐标上传，中心站定位引擎接收到坐标数据后进行坐标以及轨迹显示。定位框图如图2所示。
[0045]
如图3所示，定位终端由主控mcu、uwb模块、dc/dc、wifi/4g、flash、lcd显示模块等部件组成。主控mcu采用超低功耗待机的mcu，主控mcu控制uwb模块实现uwb收发功能，并对接收信息帧进行分析，解算出定位终端定位坐标，并结合gis地图进行实时坐标显示，dc/dc模块对锂电供电电压进行降压滤波处理、wifi/4g模块负责将定位终端解算出的坐标进行上传以及相关配置下发，flash存储定位终端配置信息以及gis地图信息，lcd屏幕负责显示定位终端的定位信息。
[0046]
如图4所示，定位区域主从基站根据信息帧广播时序依次进行信息帧广播，广播完第一轮信息帧后紧接着进行第二轮广播，并一直进行循环广播。如下图所示，tag为定位终端，其中manchor为该定位区域主基站，sanchorn为对应的从基站，tb1为manchor前一轮广播信息帧时间戳，tb2为本轮manchor广播信息帧时间戳，ta2和tc2分别表示tag和sanchor1接收到本轮manchor广播信息帧时刻的时间戳，tbc表示信息帧从manchor传输到sanchor1所需要的时间，由于manchor和sanchor1之间的距离d1在manchor上电时已经通过ds-twr进行测量出来了，那么根据公式距离等于光速乘以时间就可以求解出tbc的值。tc23为sanchor1接收manchor广播信息帧和sanchor1发送广播信息帧之间时间差，sanchor1在tc3时刻进行信息帧广播，并且在信息帧里面附带了tbc和tc23两个时间间隔值，tag在ta3时刻接收到sanchor1广播的信息帧并记录时间戳。
[0047]
由于sanchor1广播信息帧里面附带了tbc和tc23的时间间隔值，那么tag可以将sanchor1广播的信息帧等效为从tc4时刻发送，ta4时刻接收到信息帧，这样就使得manchor和sanchor1各自广播信息帧处于同一时刻发送。δtbc就可表示manchor和sanchor1信息帧传递到tag的时间差，同理tag也可将sanchor2、sanchor3以及sanchorn的广播信息帧接收时间戳进行等效，这样tag就可以求得该区域任意两个anchor信息帧广播到tag的时间差。
[0048]
上述讲解中tag将接收到的sanchor1信息帧时间戳等效为ta4，这个等效的前提是tag与sanchor1的时钟是完全同步的，在实际应用场景中是不满足条件的，那么需要对tag和sanchor1进行时钟同步。上图中manchor进行上轮信息帧广播和本轮信息帧广播的时间间隔是固定的，那么tag和sanchor1接收这两条信息帧的间隔应该相同，因此可以得到tag和sanchor1之间的时间同步系数，公式如下所示。
[0049]
ta2-ta1＝k(tc2-tc1)
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(1)
[0050]
时间同步后的时间差求解公式如下：
[0051][0052]
式中：δtbc表示manchor和sanchor1传输到tag时间差；ta3表示tag接收sanchor1信息帧时间戳；tc3表示sanchor1广播信息帧时间戳；tc2表示sanchor1接收manchor信息帧时间戳；ta2表示tag接收manchor信息帧时间戳；d1表示manchor和sanchor之间距离；c表示光速；k表示tag和sanchor1之间时间同步系数。
[0053]
如图5所示，定位终端计算出任意两个anchor信息帧的接收时间差，满足该时间差的点集合起来就是一条双曲线，实现定位坐标解算至少需要三条双曲线，三条双曲线的交汇点就是定位终端的坐标。
[0054]
manchor、sanchor1、sanchor2三个基站的坐标分别是(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)，定位终端tag的坐标为(x,y)，利用三条双曲线相交可以得到以下公式。
[0055][0056]
式中：c表示光速；ta表示等效后manchor信息帧接收时间戳；tb表示等效后sanchor1信息帧接收时间戳；tc表示等效后sanchor2信息帧接收时间戳。
[0057]
对上述公式进行解算可求得定位终端坐标(x,y)的具体值，一个定位区域由四个基站组成，那么可随机选取三个基站数据进行求解，总共可求解出四组坐标值，将四个坐标值进行卡尔曼滤波处理后可以得到更准确标识卡坐标值。但现场环境复杂，信号干扰以及非视距等原因都会导致每个基站距离测量误差不同，上述公式就会出现无解的情况，需要通过最小二乘法、三角质心法等算法应对现实情况下存在的测量误差，对定位终端坐标进行最优估算。
[0058]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
技术特征：1.一种基于无线时钟同步的uwb终端自主定位方法，其特征在于：包括以下步骤：s1：对uwb基站进行分组，每组包含一个主基站和三个从基站，每组负责一块区域的定位；s2：定位区域的主基站上电与从基站依次进行tof测距；s3：中心站定位引擎对各个基站进行时序分配，各个基站根据时序依次进行信息帧广播；s4：定位终端接收各个基站的信息帧并保存时间戳，从基站接收主基站发出的信息帧并保存时间戳，并将相关时间戳信息通过信息帧进行广播；s5：当定位终端接收到最后一个序号的从基站信息帧后，将分析之前接收到的所有信息帧信息，筛选出同一区域的信息帧；s6：将同一区域所有基站的发送时间戳都同步到定位终端同一时间起点上；s7：定位终端求解出定位终端到达该区域任意两个基站的距离差，最后利用任意三组定位终端到基站的距离差数据并结合四个基站的安装坐标实现定位终端坐标解算；s8：将该区域内四个基站随机组合求解出四组定位坐标，最后将四组定位坐标进行滤波处理，将处理后的坐标作为定位坐标；s9：通过无线通信将定位坐标上传到中心站定位引擎，中心站定位引擎进行坐标及轨迹显示。2.根据权利要求1所述的基于无线时钟同步的uwb终端自主定位方法，其特征在于：所述定位终端包括主控mcu模块，与所述主控mcu模块连接的uwb模块、dc/dc模块、无线通信模块、flash模块、显示模块、实时时钟rtc模块、看门狗模块；所述主控mcu模块控制uwb模块实现uwb收发功能，并对接收信息帧进行分析，解算出定位终端定位坐标；所述dc/dc模块对锂电供电电压进行降压滤波处理；所述无线通信模块负责将主控mcu模块解算出的坐标进行上传以及相关配置下发；所述flash模块存储定位终端配置信息以及gis地图信息；显示模块用于显示定位信息；所述实时时钟rtc模块用于为主控mcu模块提供时间基准；所述看门狗模块用于对主控mcu模块进行监控复位。3.根据权利要求1所述的基于无线时钟同步的uwb终端自主定位方法，其特征在于：定位区域主从基站根据信息帧广播时序依次进行信息帧广播，广播完第一轮信息帧后紧接着进行第二轮广播，并一直进行循环广播；tag为定位终端，其中manchor为该定位区域主基站，sanchor1～sanchorn为该定位区域内的从基站，tb1为manchor前一轮广播信息帧时间戳，tb2为本轮manchor广播信息帧时间戳，ta2和tc2分别表示tag和sanchor1接收到本轮manchor广播信息帧时刻的时间戳，tbc表示信息帧从manchor传输到sanchor1所需要的时间；manchor和sanchor1之间的距离d1在manchor上电时通过ds-twr测量得到，根据距离等于光速乘以时间求解出tbc的值；tc23为sanchor1接收manchor广播信息帧和sanchor1发送广播信息帧之间时间差，sanchor1在tc3时刻进行信息帧广播，并且在信息帧里面附带tbc和tc23两个时间间隔值，tag在ta3时刻接收到sanchor1广播的信息帧并记录时间戳；tag将sanchor1广播的信息帧等效为从tc4时刻发送，ta4时刻接收到信息帧，使得manchor和sanchor1各自广播信息帧处于同一时刻发送；δtbc表示manchor和sanchor1信息帧传递到tag的时间差，同理求得该区域任意两个anchor信息帧广播到tag的时间差；
tag和sanchor1之间的时间同步系数为：ta2-ta1＝k(tc2-tc1)
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(1)时间同步后的时间差求解公式如下：δtbc表示manchor和sanchor1传输到tag时间差；ta3表示tag接收sanchor1信息帧时间戳；tc3表示sanchor1广播信息帧时间戳；tc2表示sanchor1接收manchor信息帧时间戳；ta2表示tag接收manchor信息帧时间戳；d1表示manchor和sanchor之间距离；c表示光速；k表示tag和sanchor1之间时间同步系数。4.根据权利要求1所述的基于无线时钟同步的uwb终端自主定位方法，其特征在于：定位终端计算出任意两个anchor信息帧的接收时间差，满足该时间差的点集合得到一条双曲线，得到三条双曲线，其交汇点就是定位终端的坐标；令manchor、sanchor1、sanchor2三个基站的坐标分别是(x
a
,y
a
)、(x
b
,y
b
)、(x
c
,y
c
)，定位终端tag的坐标为(x,y)，利用三条双曲线相交得到以下公式：式中：t
a
表示等效后manchor信息帧接收时间戳；t
b
表示等效后sanchor1信息帧接收时间戳；t
c
表示等效后sanchor2信息帧接收时间戳；对式(3)进行解算求得定位终端坐标(x,y)的具体值，一个定位区域由四个基站组成，随机选取三个基站数据进行求解，总共求解出四组坐标值，将四个坐标值进行卡尔曼滤波处理后，得到最终的定位终端坐标值。5.根据权利要求1所述的基于无线时钟同步的uwb终端自主定位方法，其特征在于：通过最小二乘法、三角质心法应对现实情况下存在的测量误差，对定位终端坐标进行最优估算。
技术总结本发明涉及一种基于无线时钟同步的UWB终端自主定位方法，属于无线定位领域，包括以下步骤：对UWB基站进行分组，主基站与从基站进行TOF测距；中心站对基站进行时序分配，基站根据时序依次进行信息帧广播；S4：定位终端接收各基站的信息帧并保存时间戳，从基站接收主基站发出的信息帧并保存时间戳，并将相关时间戳信息通过信息帧进行广播；定位终端筛选出同一区域的信息帧；将同一区域所有基站的发送时间戳都同步到定位终端同一时间起点上；定位终端实现坐标解算；通过无线通信将定位坐标上传到中心站定位引擎，中心站定位引擎进行坐标及轨迹显示。显示。显示。
技术研发人员：温贤培 胡宇 刘亚辉 胡亮 槐利 张鹏 戴剑波 周代勇 田军 王飞 任高建 何青松 张加易 王斌 刘慧洁 邵严 段明 胡英杰 赵光绪
受保护的技术使用者：中煤科工集团重庆研究院有限公司
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/1
