基于数字孪生的UWB定位系统与方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113993205A(43)申请公布日2022.01.28(21)申请号202111191539.6(22)申请日2021.10.13(71)申请人武汉理工大学地址430070湖北省武汉市洪山区珞狮路122号(72)发明人娄平赵琪曾宇航(74)专利代理机构武汉开元知识产权代理有限公司42104代理人李满(51)Int.Cl.H04W64/00(2009.01)H04W4/33(2018.01)G06T17/00(2006.01)权利要求书5页说明书8页附图2页(54)发明名称基于数字孪生的UWB定位系统与方法(57)摘要本发明公开了基于数字孪生的UWB定位系统，它包括室内环境的数字化建模模块、最佳锚点位置选择模块、定位系统校正模块和标签定位误差消除处理模块，本发明结合数字孪生技术，解决了基站布置不合理、数据抖动、非视距误差大、可视化程度低等问题，增强了定位系统的稳定性，提高了定位精度以及定位目标显示的灵活性和有效性，扩大了室内定位系统的应用场景。CN113993205ACN113993205A权利要求书1/5页1.一种基于数字孪生的UWB定位系统，其特征在于：它包括室内环境的数字化建模模块(1)、最佳锚点位置选择模块(2)、定位系统校正模块(3)和标签定位误差消除处理模块(4)，其中，室内环境的数字化建模模块(1)用于利用BIM技术在数字空间确定室内建筑的几何模型、障碍物材料参数和UWB信道特性，并构建数字空间定位模型；最佳锚点位置选择模块(2)用于在数字空间定位模型内利用多目标优化算法对各个UWB基站的空间不同位置UWB信号强度分布和测距误差进行计算，从而确定各个UWB基站最佳安装位置，各个UWB基站的最佳安装位置使得数字空间中UWB的信号强度最高，测距误差最小；以各个UWB基站最佳安装位置为基础指导物理空间中实际的UWB基站安装，再根据物理空间中各个UWB基站实际安装位置修正数字空间中对应UWB基站的位置信息，重构数字空间定位模型；定位系统校正模块(3)用于根据数字空间定位模型计算得到空间不同位置的测距误差，形成预测误差分布模型，在物理空间中等间隔均匀设置标定点，根据各个标定点的UWB测量坐标与真实坐标差值计算UWB测量误差，从而得到测量误差分布模型；测量误差分布模型与预测误差分布模型做差得到环境噪声分布模型；预测误差分布模型与环境噪声分布模型求和得到总体误差分布模型；标签定位误差消除处理模块(4)用于在数字空间内利用机器学习算法对UWB定位标签和各个UWB基站的测距值进行分类从而确定UWB定位标签的运动状态，根据UWB定位标签运动速度动态计算平滑滤波窗口大小，从而确定平滑滤波器，利用平滑滤波器抑制UWB定位标签和各个UWB基站的测距值的数据抖动；对抑制抖动后的UWB定位标签的测量坐标按照总体误差分布模型进行补偿，并结合各个UWB基站坐标，得到UWB定位标签定位结果。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的UWB定位系统，其特征在于：所述障碍物材料参数用于表示不同障碍物的材质和厚度对于UWB信号的强度和测距误差的影响，UWB基站的UWB信道特征表示UWB基站发出的UWB信号强度随空间距离的衰减特性；所述测距误差表示UWB信号被障碍物遮挡以后，造成测距值增加。3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的UWB定位系统，其特征在于：所述定位系统校正模块(3)还用于在物理空间中障碍物位置发生改变时，根据数字空间定位模型重新计算预测误差分布模型，重新计算的预测误差分布模型与环境噪声分布模型求和得到总体误差分布模型。4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的UWB定位系统，其特征在于：所述室内环境的数字化建模模块(1)构建数字空间定位模型的具体过程为：首先，对建筑物的空间结构进行扫描，使用BIM技术在数字空间构建室内建筑的几何模型、障碍物材料参数和UWB信道特性，并使用建模软件进行建模，构建三维空间模型；然后，根据障碍物材料参数和UWB信道特性构建UWB信号强度衰减模型和非视距误差模型，三维空间模型、UWB信号强度衰减模型和非视距误差模型形成数字空间定位模型。5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的UWB定位系统，其特征在于：所述UWB信号强度衰减模型的构建方法为根据自由空间传输模型，确定UWB接收信号功率：2CN113993205A权利要求书2/5页其中，PR表示UWB接收信号功率，PT表示UWB发射信号功率，GT表示UWB发射信号增益，GR表示UWB接收信号增益，λ表示UWB信号波长，d表示UWB接收设备与UWB发射设备之间的距离，k表示信号损耗因子；UWB信号强度衰减模型为：其中P(d)表示距离为实际距离d时的接收信号功率，P(d0)表示距离为参考距离d0时的接收