一种基于距离差分的非视距环境下室内UWB定位解算方法与流程

一种基于距离差分的非视距环境下室内uwb定位解算方法
技术领域
1.本发明涉及室内定位技术，具体涉及一种基于距离差分的非视距环境下室内uwb定位解算方法。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，精确的位置信息在军事民用各方面都发挥着不可替代的重要作用。卫星定位是一种获取有效位置信息的方式，但是由于卫星定位容易受到外界环境的影响，在通讯不佳的情况下，卫星无法实现精确定位。为了弥补卫星无法实现的定位情况，提供无缝的定位服务，利用无线传感器网络实现节点定位受到了广泛关注。利用无线传感器网络(wireless sensor network，wsn)实现定位可以降低成本以及功耗，可以弥补卫星定位的不足，实现无缝定位。目前，该定位方法主要有两种手段，基于测距信息和无需测距信息。基于测距信息的定位算法需要获得测量距离或者方位角等参数，并利用该参数计算节点位置，经典方法有三边测量法、三角测量法以及最小二乘法。经典的最小二乘法利用测量距离，通过线性化距离公式，估计得出节点位置的近似解，虽然计算复杂度低，但是计算结果不够准确。其中基于uwb的定位技术应用最为广泛，由于uwb定位采用超宽带技术，因此可以达到厘米级的定位精度。但是复杂环境下使用uwb定位会面临一个难题，即信号遮挡问题。通常情况下，uwb对常见的木质材料、塑料、玻璃等具有较强的穿透性，但对铁材料和结构复杂的混凝土墙壁穿透性却很弱，再加上人体本身对uwb信号的吸收，uwb技术在复杂环境下应用场景中效果并不佳。在这种情况下，就需要研究能够适用于复杂环境下的uwb定位方法，进而有效解决这一问题。


技术实现要素：

3.本技术的目的在于提供一种基于距离差分的非视距环境下室内uwb定位解算方法，能够进一步提高uwb定位精度。
4.为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：一种动态情况下基于mems的姿态解算方法，其步骤包括：一种基于距离差分的非视距环境下室内uwb定位解算方法，其包括如下步骤：获取多个基站坐标到标签的距离信息；将当前时刻标签到各个基站的距离和前一时刻标签到各个基站之间的距离差分处理；分别将标签到各个基站之间的距离差分值和阈值门限进行对比判断，将不满足要求的距离信息剔除；剔除误差较大的距离信息后，计算剩下的各个基站到标签的距离的方差信息。
5.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明引入uwb距离差分信息，建立了基于uwb测距差分计算模型。减少了非视距环境下uwb定位误差的影响。将方差处理技术应用到uwb测距信息中，实现了距离误差的预处理，通过设置合理的权重信息进一步提高定位精度。提出一种加权最小二乘方法，并将该方法应用于uwb定位系统中，进一步提高了复杂环境下uwb定位的可靠性。
具体实施方式
6.下面将结本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
7.本发明为一种基于距离差分的非视距环境下室内uwb定位解算方法，其特征为：
8.步骤1：获取多个基站坐标到标签的距离信息。
9.测量得到的n个基站坐标信息：(a
x1
，a
y1
，a
z1
)、(a
x2
，a
y2
，a
z2
)、(a
x3
，a
y3
，a
z3
)、(a
x3
，a
y3
，a
z3
)、...、(a
xn
，a
yn
，a
zn
)。其中，a
x1
，a
y1
，a
z1
分别表示基站1的x，y，z三个坐标值。同理，a
x2
，a
y2
，a
z2
分别表示基站2的x，y，z三个坐标值。
10.测量得到的n个基站到标签之间的距离信息：d1、d2·
d3…dn
。其中，d1表示基站1到标签的距离。d2表示基站2到标签的距离。
11.测量得到t时刻n个基站到标签之间的距离信息：其中，表示t时刻基站1到标签的距离。表示t时刻基站2到标签的距离。同时记录上一时刻(t-1时刻)n个基站到标签之间的距离信息：其中，表示t-1时刻基站1到标签的距离。表示t-1时刻基站2到标签的距离。
12.步骤2：将当前时刻标签到各个基站的距离和前一时刻标签到各个基站之间的距离差分处理。
13.具体如下：
[0014][0015]
其中，表示标签和基站1之间的距离差分(t时刻和t-1时刻的距离差值)；表示标签和基站2之间的距离差分(t时刻和t-1时刻的距离差值)；表示标签和基站3之间的距离差分(t时刻和t-1时刻的距离差值)；表示标签和基站n之间的距离差分(t时刻和t-1时刻的距离差值)；
[0016]
步骤3：分别将标签到各个基站之间的距离差分值和阈值门限进行对比判断，将不满足要求的距离信息剔除。
[0017]
具体的，由于人在正常行走/工作状态下其位置和速度不会发生较大变化。因此根据此假设，设置阈值门限f，用来判断有障碍物突然遮挡情况下的检测。
[0018]
具体如下：
[0019][0020]
其中，阈值门限f＝50cm，
[0021]
分别将标签到各个基站之间的距离差分值和阈值门限f进行对比判断。将不满足要求的距离信息剔除，假设剔除后的距离信息为：
[0022][0023]
步骤4：计算剔除误差较大的距离信息后，计算剩下的各个基站到标签的距离的方差信息。
[0024]
具体的，
[0025][0026][0027][0028]
…
[0029][0030]
其中，l表示计算方差时所使用的数据长度，通过滑动窗实现。这里l＝10。表示基站1到标签的10次测量的距离平均值。表示基站2到标签的10次测量的距离平均值。表示基站3到标签的10次测量的距离平均值。表示基站m到标签的10次测量的距离平均值。表示基站1到标签的距离方差信息。表示基站2到标签的距离方差信息。表示基站3到标签的距离方差信息。表示基站m到标签的距离方差信息。
[0031]
步骤5：通过距离方差信息这里引入加权最小二乘法估计定位结果。
[0032]
通过距离方差信息这里引入加权最小二乘法。首先根据距离方差信息计算权重w。
[0033][0034][0035][0036]
w＝diag{w1，w2，w3，
…
wm}
[0037]
将基于加权最小二乘法的uwb定位解算公式书写如下：
[0038]
[0039]
其中矩阵表示如下：
[0040][0041][0042][0043]
尽管已经示出和描述了本技术的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本技术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，本技术的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种基于距离差分的非视距环境下室内uwb定位解算方法，其特征在于：其包括如下步骤：步骤1：获取多个基站坐标到标签的距离信息；步骤2：将当前时刻标签到各个基站的距离和前一时刻标签到各个基站之间的距离差分处理；步骤3：分别将标签到各个基站之间的距离差分值和阈值门限进行对比判断，将不满足要求的距离信息剔除；步骤4：剔除误差较大的距离信息后，计算剩下的各个基站到标签的距离的方差信息；步骤5：通过距离方差信息这里引入加权最小二乘法估计定位结果。2.如权利要求1所述的基于距离差分的非视距环境下室内uwb定位解算方法，其特征在于：上述步骤2中，测量得到t时刻n个基站到标签之间的距离信息：其中，中，中，中，中，其中，表示标签和基站n之间的距离差分。3.如权利要求2所述的基于距离差分的非视距环境下室内uwb定位解算方法，其特征在于：上述步骤4中，其中，l表示计算方差时所使用的数据长度，通过滑动窗实现；表示基站m到标签的10次测量的距离平均值；表示基站m到标签的距离方差信息。4.如权利要求3所述的基于距离差分的非视距环境下室内uwb定位解算方法，其特征在于：上述步骤5中，根据距离方差信息计算权重w，于：上述步骤5中，根据距离方差信息计算权重w，于：上述步骤5中，根据距离方差信息计算权重w，w＝diag{w1，w2，w3，
…
w
m
}将基于加权最小二乘法的uwb定位解算方式：
其中矩阵表示如下：其中矩阵表示如下：其中矩阵表示如下：

技术总结
本申请公开了一种基于距离差分的非视距环境下室内UWB定位解算方法，其包括如下步骤：获取多个基站坐标到标签的距离信息；将当前时刻标签到各个基站的距离和前一时刻标签到各个基站之间的距离差分处理；分别将标签到各个基站之间的距离差分值和阈值门限进行对比判断，将不满足要求的距离信息剔除；剔除误差较大的距离信息后，计算剩下的各个基站到标签的距离的方差信息。减少了非视距环境下UWB定位误差的影响，实现了距离误差的预处理，通过设置合理的权重信息进一步提高定位精度，提高复杂环境下UWB定位的可靠性。杂环境下UWB定位的可靠性。


技术研发人员：夏荣斌
受保护的技术使用者：无锡惠眼物联科技有限公司
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2023/7/13