一种基于相对气压和UWB融合的室内定位方法

技术领域

本发明涉及一种室内定位方法，特别涉及一种基于相对气压和UWB融合的室内定位方法。

背景技术

目前，随着万物互联互通等新技术的不断发展完善，人们对位置感知的认识越来越深刻，对基于位置感知的服务需求也与日俱增，随着现代科技发展，基于位置的服务作为一种生活方式已逐渐渗透到人类生活的方方面面。准确的位置信息是开展基于位置的服务的前提。尤其是室内定位准确度的需求更加迫切，但现有的技术对于室内定位存在精度较低、距离较短、成本较高的问题，精度方面，尤其是三维高度的精度更低，不能满足一些高精度室内定位场景的应用。

在一些比较复杂的场景中，现有的技术都存在一些不足之处，比如红外线技术传输距离较短，不能穿过障碍物；超声波定位技术检测角度小、探测距离短，无法精确描述障碍物的位置且抗干扰能力差。

因此，如何以较低成本提高室内定位的精度和距离，使室内定位技术得到推广，真正应用到工业、生活等各个场景下，使人们在室内也可以享受到定位服务带来的便利成为了本发明的出发点。

基于上述原因，本发明提出了一种基于相对气压和UWB融合的室内定位方法，通过相对气压所得到的高程差和UWB得到的定位值进行融合，提高UWB定位技术在高程上的准确度，从而进一步提高室内定位的精度和距离，以此来推进室内定位技术在各个领域下的应用规模。

在已有的研究中，只是单纯的使用相对气压值作为高程值，结合UWB的二维坐标值得到定位坐标，在高程的精度方面达到了区分楼层的程度，而本发明对气压值进行滤波处理得到准确的气压值，从而得到准确相对气压，通过适配高程差的改进算法将其与UWB进行深度融合，从而大幅降低了DOP对UWB定位精度的影响，使得室内定位精度得到有效提高。

本发明不仅在定位精度上得到有效提高，在定位距离上也得到了很大提高，UWB本身的定位极限能达到200米，而相对气压值可通过WIFI传输，其定位距离取决于网络状态，解决了现有技术定位距离、传输距离较短的不足。

发明内容

本发明的主要目的是为了解决现有的室内定位方法中普遍存在的精度较低、距离较短以及成本较高的诸多问题，而提供的一种基于相对气压和UWB融合的室内定位方法。

本发明提供的基于相对气压和UWB融合的室内定位方法，其方法包括的步骤如下：

步骤一、通过气压传感器获取气压数值，并对其进行卡尔曼滤波处理，通过两个或者数个气压传感器进行卡尔曼滤波处理后计算相对气压；

步骤二、采用步骤一中经过滤波处理的相对气压值和UWB的原始测量的高度值进行融合；

步骤三、以从机作为定位节点，主机作为锚点基站，并由锚点基站向服务器上传数据的定位框架；

步骤四、利用基于卡尔曼滤波算法和适配高程差的改进算法构成的协同算法计算出待测节点的三维坐标，并进行三维定位系统的构建。

步骤一中对得到的气压值进行滤波处理，具体过程如下：

设待定位点X(x,y,z)，坐标未知，四个锚点A

将方程组(1)中的前三个方程分别减去第四个方程，经过移项、整理后获得如下形式的线性方程组：

AX＝B (2)

其中

则，由此次测量确定的待定位点的坐标估计值如下：

步骤二中由UWB测得的原始坐标会受到DOP的影响，在高度的测量上误差较大，因此采用经过滤波处理的相对气压值和原始测量的高度值进行融合，具体如下：

假设UWB测得的第三维坐标

k值的确定要保证变量

要使得D(z

因为

根据方差的性质得：

令R＝[0 01]

整理得

其中

C

[M

步骤四中的三维定位系统系统包括有数据采集系统和接收系统，数据采集系统能够把采集的数据通过数据通信实时传输给接收系统，其中数据采集系统包括有气压传感器、UWB模块、WIFI模块、串口模块和STM32嵌入式模块，气压传感器、UWB模块、WIFI模块和串口模块均与STM32嵌入式模块相连接，气压传感器和UWB模块能够把采集的数据实时传输给STM32嵌入式模块，STM32嵌入式模块通过WIFI模块和串口模块把处理后的数据实时传输给接收系统，接收系统为能够接收数据的移动终端，接收系统内装配有相配套的软件程序用于数据的接收和处理，具体流程如下：

气压传感器获取气压数值并进行滤波处理，气压数值通过网关传回，将气压数值与UWB模块传回的定位数值进行融合，得到准确的三维定位数值，并且通过设定的软件程序获取定位坐标，由此得到作为接收系统的移动终端的准确三维位置。

气压传感器的型号为BMP390L；UWB模块的型号为DWM1000；WIFI模块的型号为ESP8266；STM32嵌入式模块的型号为STM32F4系统板。

本发明的有益效果：

本发明提供的基于相对气压和UWB融合的室内定位方法通过适配高程差的改进算法将相对气压所得到的高程差和UWB得到的定位值进行融合，提高UWB定位技术在高程上的准确度，从而进一步提高室内定位的精度，以此来推进室内定位技术在各个领域下的应用规模。本发明中的气压滤波算法，通过卡尔曼滤波算法，在滤除部分噪声的前提下，提高相对气压采集的实时性，进一步提高相对气压的准确度，从而使其与UWB融合的高度值更加准确，进而得到高精度、低延时的定位值。本发明提供的技术方案受距离影响较小，能够实现远距离室内定位，有助于室内定位技术的推广和应用。

附图说明

图1为本发明所述的室内定位方法流程示意图。

图2为本发明所述的三维定位系统系统结构示意图。

图3为本发明所述的实现方式模型示意图。

图4为本发明所述的三维测距模型示意图。

图5为本发明所述的仿真场景示意图。

图6为本发明所述的仿真场景为(5,5,5)处的仿真结果示意图。

图7为本发明所述的仿真场景为(4.56,3.17,1.88)处仿真结果示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图7所示：

本发明提供的基于相对气压和UWB融合的室内定位方法，其方法包括的步骤如下：

步骤一、通过气压传感器获取气压数值，并对其进行卡尔曼滤波处理，通过两个或者数个气压传感器进行卡尔曼滤波处理后计算相对气压；

步骤二、采用步骤一中经过滤波处理的相对气压值和UWB的原始测量的高度值进行融合；

步骤三、以从机作为定位节点，主机作为锚点基站，并由锚点基站向服务器上传数据的定位框架；

步骤四、利用基于卡尔曼滤波算法和适配高程差的改进算法构成的协同算法计算出待测节点的三维坐标，并进行三维定位系统的构建。

步骤一中对得到的气压值进行滤波处理，具体过程如下：

设待定位点X(x,y,z)，坐标未知，四个锚点A

将方程组(1)中的前三个方程分别减去第四个方程，经过移项、整理后获得如下形式的线性方程组：

AX＝B (2)

其中

则，由此次测量确定的待定位点的坐标估计值如下：

步骤二中由UWB测得的原始坐标会受到DOP的影响，在高度的测量上误差较大，因此采用经过滤波处理的相对气压值和原始测量的高度值进行融合，具体如下：

假设UWB测得的第三维坐标

k值的确定要保证变量

要使得D(z

因为

根据方差的性质得：

令R＝[0 01]

整理得

其中

C

[M

步骤四中的三维定位系统系统包括有数据采集系统和接收系统，数据采集系统能够把采集的数据通过数据通信实时传输给接收系统，其中数据采集系统包括有气压传感器、UWB模块、WIFI模块、串口模块和STM32嵌入式模块，气压传感器、UWB模块、WIFI模块和串口模块均与STM32嵌入式模块相连接，气压传感器和UWB模块能够把采集的数据实时传输给STM32嵌入式模块，STM32嵌入式模块通过WIFI模块和串口模块把处理后的数据实时传输给接收系统，接收系统为能够接收数据的移动终端，接收系统内装配有相配套的软件程序用于数据的接收和处理，具体流程如下：

气压传感器获取气压数值并进行滤波处理，气压数值通过网关传回，将气压数值与UWB模块传回的定位数值进行融合，得到准确的三维定位数值，并且通过设定的软件程序获取定位坐标，由此得到作为接收系统的移动终端的准确三维位置。

气压传感器的型号为BMP390L；UWB模块的型号为DWM1000；WIFI模块的型号为ESP8266；STM32嵌入式模块的型号为STM32F4系统板。

依照上述的定位模型，进行了仿真实验，该实验选择了4个UWB节点作为锚点，锚点坐标如图5所示，4个锚点坐标分别为(7.5，7.5，7.5)、(7.5，2.5，7.5)、(2.5，7.5，7.5)、(2.5，2.5，2.5)。

对于仿真场景，取测试定位节点坐标为(5,5,5)以及(4.56,3.17,1.88)。仿真中进行了数组实验，将UWB与气压计融合定位方法的定位误差与UWB定位误差以及气压计高程定位误差进行了对比，各次定位误差分布如图6、图7所示。由图6、图7的仿真结果可见，定位节点在室内典型位置的情况下，本发明所搭建的模型均能在一定程度上减小定位误差。

本发明设计的相对气压和UWB融合的室内定位算法，提高了室内三维定位的精确度，使室内定位能够得到实际应用。

在上述实施例中，通过UWB和气压传感器等核心模块来实现，能够通过单片机来驱动这两个模块，使用WIFI等传输方式传送气压数据到接收端，根据卡尔曼滤波算法和适配高程的改进算法编写相应的代码程序来进行数据处理，总体上可行性可操作性较高。