[发明专利]一种基于UWB和IMU的抗NLOS的室内定位系统及其定位方法

权利要求书

1.一种基于UWB和IMU的抗NLOS的室内定位系统的定位方法，其特征在于，基于UWB和IMU的抗NLOS的室内定位系统，包括3个位于同一室内的定位基站和一个设置在定位目标上的定位节点，其特征在于：系统根据NLOS识别算法自动识别遮挡物，当至少有一个定位基站未被遮挡时，定位节点接受来自定位基站的UWB信号实现定位，定位节点根据UWB的定位结果进行初始化和融合位置计算，并不断更新位置，实时获得定位节点的位置信息；

所述定位节点包括UWB标签模块、IMU模块、第一MCU、第一Debug调试接口和第一USB接口；UWB标签模块通过SPI总线与第一MCU相连接；IMU模块通过IIC总线与第一MCU连接；第一Debug调试接口和第一USB接口分别通过IO口与第一MCU相连接；定位节点通过第一MCU控制UWB标签模块接收和发送UWB信号；利用第一USB接口供电，通过第一Debug调试接口与上位机连接进行系统调试；

定位基站包括天线接口、UWB芯片、第二MCU、第二Debug调试接口和第二USB接口；天线接口通过阻抗匹配走线与UWB芯片连接；UWB芯片通过SPI总线与第二MCU连接，第二Debug调试接口和第二USB接口分别通过IO口与第二MCU相连接；定位基站通过第二MCU控制UWB芯片通过天线接口发送和接收UWB信号，利用第二USB接口供电，通过第二Debug调试接口与上位机连接进行系统调试，

定位方法步骤如下：

步骤1、定位节点上电后，UWB标签模块一直发送轮询数据帧，第一MCU记录下当前时刻T_1i，当定位基站收到轮询帧后第二MCU记录下T_2i时刻，第二MCU发送一个返回帧并记录下时刻T_3i；

步骤2、当定位节点收到返回帧后记录下T_4i时刻，第一MCU发送一个确认帧并记录下发送确认帧的时刻T_5i，并通过NLOS识别算法识别遮挡物，若存在遮挡物，进行IUM与UWB的融合位置输出更高精度的位置信息给上位机，若不存在遮挡物，直接输出位置给上位机；

步骤3、当定位基站收到确认帧后，第二MCU记录下收到确认帧的时刻T_6i；

步骤4、上位机根据这6个时间计算出UWB信号在定位节点和定位基站之间的平均飞行时间在结合飞行速度，计算出定位节点和定位基站的距离；

上述各个数据帧中包括了上一数据帧的相应时间信息和信号强度信息，由定位节点发送的数据帧还包括IMU模块的数据，以便随时准备融合；

飞行速度为光速，定位基站序号i＝0,1,2；

NLOS识别算法步骤如下：

第一MCU根据下式识别遮挡物：

其中P_DP、P_RX是直接路径信号的强度和接收处理的信号的强度，F₁、F₂、F₃分别是UWB信号接收机在接收到UWB信号时的3个不同位置的采样值，N和λ为实验常量参数；

当系统识别到出现NLOS时，第一MCU开启IMU与UWB的融合位置输出，IMU测量输出加速率和角速率到第一MCU，第一MCU进行惯导解算得出位置、速度、欧拉角，并与UWB测量结果进行扩展卡尔曼滤波融合，融合后输出位置。

2.根据权利要求1所述的基于UWB和IMU的抗NLOS的室内定位系统的定位方法，其特征在于：当P_DP、P_RX的差值大于7dB的时候即认为出现遮挡物。