全文摘要
本实用新型公开了一种隧道UWB定位系统，包括安装在人体或设备上的定位标签和安装在隧道隧道内壁上的定位基站，定位标签用于发送脉冲信号并接收定位基站发回的响应信号，定位基站用于接收定位标签发送的脉冲信号并反馈响应信号，定位标签包括第一UWB模块、第一MCU、传感器模块和第一供电模块，第一UWB模块与第一MCU相连以用于收发UWB脉冲信号，传感器模块与第一MCU相连以用于发送姿态信息进行误差补偿；定位基站包括第二UWB模块、第二MCU和第二供电模块，第二UWB模块与第二MCU相连以用于收发UWB脉冲信号。本装置在隧道内等多径环境中能够精确定位、并且电路简单、成本低、易用性好、可靠性高,保障隧道内作业人员和车辆设备的安全性和测量数据的准确性。
主设计要求
1.一种隧道UWB定位系统，其特征在于，包括：安装在人体或设备上的定位标签(1)和安装在隧道内壁上的定位基站(2)，所述定位标签(1)用于发送脉冲信号并接收定位基站(2)发回的响应信号，所述定位基站(2)用于接收定位标签(1)发送的脉冲信号并反馈响应信号，所述定位标签(1)包括第一UWB模块(11)、第一MCU(12)、传感器模块(13)和第一供电模块(14)，所述第一UWB模块(11)与第一MCU(12)相连以用于收发UWB脉冲信号，所述传感器模块(13)与第一MCU(12)相连以用于发送姿态信息进行误差补偿，所述第一供电模块(14)分别与第一UWB模块(11)、第一MCU(12)、传感器模块(13)相连以用于供电；所述定位基站(2)包括第二UWB模块(21)、第二MCU(22)和第二供电模块(23)，所述第二UWB模块(21)与第二MCU(22)相连以用于收发UWB脉冲信号，所述第二供电模块(23)分别与第二MCU(22)、第二UWB模块(21)相连以用于供电。
设计方案
1.一种隧道UWB定位系统，其特征在于，包括：安装在人体或设备上的定位标签(1)和安装在隧道内壁上的定位基站(2)，所述定位标签(1)用于发送脉冲信号并接收定位基站(2)发回的响应信号，所述定位基站(2)用于接收定位标签(1)发送的脉冲信号并反馈响应信号，所述定位标签(1)包括第一UWB模块(11)、第一MCU(12)、传感器模块(13)和第一供电模块(14)，所述第一UWB模块(11)与第一MCU(12)相连以用于收发UWB脉冲信号，所述传感器模块(13)与第一MCU(12)相连以用于发送姿态信息进行误差补偿，所述第一供电模块(14)分别与第一UWB模块(11)、第一MCU(12)、传感器模块(13)相连以用于供电；所述定位基站(2)包括第二UWB模块(21)、第二MCU(22)和第二供电模块(23)，所述第二UWB模块(21)与第二MCU(22)相连以用于收发UWB脉冲信号，所述第二供电模块(23)分别与第二MCU(22)、第二UWB模块(21)相连以用于供电。
2.根据权利要求1所述的隧道UWB定位系统，其特征在于：所述传感器模块(13)包括九轴惯性传感器U3和气压计U4，所述气压计U4的SDO引脚与九轴惯性传感器U3的SDO引脚相连，气压计U4的SDI引脚与九轴惯性传感器U3的SDI引脚相连，气压计U4的SCK引脚与九轴惯性传感器U3的SCK引脚相连，以用于发送气压信息给九轴惯性传感器U3；所述九轴惯性传感器U3的CS引脚与MCU的IO引脚相连以用于发送运动惯性数据，气压计U4的CS引脚、SDO引脚、SDA引脚、SCK引脚分别与第一MCU对应的IO引脚相连以用于发送气压数据。
3.根据权利要求1所述的隧道UWB定位系统，其特征在于：所述第一\/第二MCU包括时钟芯片U2A、晶振X1、处理器芯片U2B，所述晶振X1的两端分别与时钟芯片U2A的OSC_IN和OSC_OUT引脚相连，所述时钟芯片U2A用于提供时钟信号，所述处理器芯片U2B用于连接第一\/第二UWB模块和传感器模块进行数据处理。
4.根据权利要求3所述的隧道UWB定位系统，其特征在于：所述第一\/第二UWB模块的CS引脚、SDI引脚、SDO引脚、SCK引脚、IRQ引脚、EXT引脚、WAK引脚、RST引脚分别与第一\/第二MCU对应的IO引脚相连。
5.根据权利要求3所述的隧道UWB定位系统，其特征在于：所述定位标签(1)\/定位基站(2)还包括与处理器芯片U2B相连的按键K1。
6.根据权利要求3所述的隧道UWB定位系统，其特征在于：所述定位标签(1)\/定位基站(2)还包括与处理器芯片U2B相连的RGB指示灯D2。
7.根据权利要求3所述的隧道UWB定位系统，其特征在于：所述定位标签(1)\/定位基站(2)还包括与处理器芯片U2B相连的光纤接口。
8.根据权利要求3所述的隧道UWB定位系统，其特征在于：所述定位标签(1)\/定位基站(2)还包括与处理器芯片U2B相连的MicroUSB接口。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及隧道内定位领域，具体的涉及一种隧道UWB定位系统。
背景技术
传统的定位装置通常采用GPS、北斗等卫星定位模块来实现，然而传统的定制装置应用于室内、隧道等高度多径和高度反射的环境时定位精度低，难以发挥作用，无法为隧道内作业的人员和车辆设备提供精确的定位、测距和碰撞规避功能；而使用载波通信等室内的跟踪方式需要额外安装中频系统，设备复杂，集成程度地，成本高。
实用新型内容
为了解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种能够应用于多径环境中并且精度高、成本低的隧道UWB定位系统。
本实用新型采用的技术方案是：
一种隧道UWB定位系统，包括：安装在人体或设备上的定位标签和安装在隧道隧道内壁上的定位基站，所述定位标签用于发送脉冲信号并接收定位基站发回的响应信号，所述定位基站用于接收定位标签发送的脉冲信号并反馈响应信号，所述定位标签包括第一UWB模块、第一MCU、传感器模块和第一供电模块，所述第一UWB模块与第一MCU相连以用于收发UWB脉冲信号，所述传感器模块与第一MCU相连以用于发送姿态信息进行误差补偿，所述供电模块分别与第一UWB模块、第一MCU、传感器模块相连以用于供电；所述定位基站包括第二UWB模块、第二MCU和第二供电模块，所述第二UWB模块与第二MCU相连以用于收发UWB脉冲信号，所述第二供电模块分别与、第二MCU、第二UWB模块相连以用于供电。
进一步的，所述传感器模块包括九轴惯性传感器U3和气压计U4，所述气压计U4的SDO引脚与九轴惯性传感器U3的SDO引脚相连，气压计U4的SDI引脚与九轴惯性传感器U3的SDI引脚相连，气压计U4的SCK引脚与九轴惯性传感器U3的SCK引脚相连，以用于发送气压信息给九轴惯性传感器U3；所述九轴惯性传感器U3的CS引脚与MCU的IO引脚相连以用于发送运动惯性数据，气压计U4的CS引脚、SDO引脚、SDA引脚、SCK引脚分别与第一MCU对应的IO引脚相连以用于发送气压数据。
进一步的，所述第一\/第二MCU包括时钟芯片U2A、晶振X1、处理器芯片U2B，所述晶振X1的两端分别与时钟芯片U2A的OSC_IN和OSC_OUT引脚相连，所述时钟芯片U2A用于提供时钟信号，所述处理器芯片U2B用于连接第一\/第二UWB模块和传感器模块进行数据处理。
进一步的，所述第一\/第二UWB模块的CS引脚、SDI引脚、SDO引脚、SCK引脚、IRQ引脚、EXT引脚、WAK引脚、RST引脚分别与MCU对应的IO引脚相连。
进一步的，所述定位标签\/定位基站还包括与处理器芯片U2B相连的按键K1。
进一步的，所述定位标签\/定位基站还包括与处理器芯片U2B相连的RGB指示灯D2。
进一步的，所述定位标签\/定位基站还包括与处理器芯片U2B相连的光纤接口。
进一步的，所述定位标签\/定位基站还包括与处理器芯片U2B相连的MicroUSB接口。
本实用新型的有益效果在于：
本实用新型通过定位标签向定位基站发送UWB脉冲信号，定位基站收到信号后反馈响应信号，第一MCU通过计算脉冲信号在两个模块间的飞行时间从而确定飞行距离，第一MCU通过计算UWB脉冲信号到达不同定位基站的时间差，以及传感器发送的姿态信息进行位移补偿后计算出定位标签的实时位置。
本实用新型采用独特的超宽带脉冲射频信号机制进行双向飞行时间测距和通信,即使在高度多径和高度反射的环境下,点对点测距精度也可高达2厘米，并且电路结构简单，省去了传统通信设备中的中频级系统，极大地降低了设备复杂性，成本低、易用性好、可靠性高，能够为隧道内人员和车辆设备提供碰撞规避,实时定位跟踪和通信测距功能,保障隧道内作业人员和车辆设备的安全性和测量数据的准确性。
附图说明
图1为本实用新型隧道UWB定位系统的原理框图；
图2为本实用新型MCU的电路原理图；
图3为本实用新型气压计和九轴惯性传感器的电路原理图；
图4为本实用新型UWB模块的电路原理图。
具体实施方式
为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
如图1所示为本实用新型的一种隧道UWB定位系统，包括：安装在人体或设备上的定位标签1和安装在隧道内壁上的定位基站2，定位标签1用于发送脉冲信号并接收定位基站2发回的响应信号，定位基站2用于接收定位标签1发送的脉冲信号并反馈响应信号，定位标签1包括第一UWB模块11、第一MCU12、传感器模块13和第一供电模块14，第一UWB模块11与第一MCU12相连以用于收发UWB脉冲信号，传感器模块13与第一MCU12相连以用于发送姿态信息进行误差补偿，第一供电模块14分别与第一UWB模块11、第一MCU12、传感器模块13相连以用于供电；定位基站2包括第二UWB模块21、第二MCU22和第二供电模块23，第二UWB模块21与第二MCU22相连以用于收发UWB脉冲信号，第二供电模块23分别与第二MCU22、第二UWB模块21相连以用于供电。
如图3所示，传感器模块13包括九轴惯性传感器U3和气压计U4，气压计U4的SDO引脚与九轴惯性传感器U3的SDO引脚相连，气压计U4的SDI引脚与九轴惯性传感器U3的SDI引脚相连，气压计U4的SCK引脚与九轴惯性传感器U3的SCK引脚相连，以用于发送气压信息给九轴惯性传感器U3；九轴惯性传感器U3的CS引脚与MCU的IO引脚相连以用于发送运动惯性数据，气压计U4的CS引脚、SDO引脚、SDA引脚、SCK引脚分别与第一MCU对应的IO引脚相连以用于发送气压数据。
如图2所示，第一\/第二MCU包括时钟芯片U2A、晶振X1、处理器芯片U2B，晶振X1的两端分别与时钟芯片U2A的OSC_IN和OSC_OUT引脚相连，时钟芯片U2A用于提供时钟信号，处理器芯片U2B用于连接第一\/第二UWB模块和传感器模块进行数据处理。
如图4所示，第一\/第二UWB模块的CS引脚、SDI引脚、SDO引脚、SCK引脚、IRQ引脚、EXT引脚、WAK引脚、RST引脚分别与第一\/第二MCU对应的IO引脚相连。
优选的，为了实现本地设参和启动，定位标签1\/定位基站2还包括与处理器芯片U2B相连的按键K1。为了显示设备的运行状态，还包括与处理器芯片U2B相连的RGB指示灯D2，为了与其他设备通讯以及实施反馈定位数据，还包括与处理器芯片U2B相连的光纤接口和MicroUSB接口。
本实用新型的工作流程为：
(1)定位标签以UWB脉冲重复不间断发送数据帧，UWB模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳，定位标签的在其时间戳上的Ta1发射请求性质的脉冲信号；
(2)定位基站在其时间戳上的Tb1接收到该信号，测量每个定位标签的数据帧到达接收器天线的时间，定位基站在Tb2时刻发射一个响应性质的信号；
(3)定位标签在自己的时间戳Ta2时刻接收，由此可以计算出脉冲信号在两个定位标签和定位基站之间的飞行时间，从而确定飞行距离；
(4)MCU通过九轴惯性传感器、气压计对飞行距离数据进行位移补偿，确定标签达到不同定位基站之间的时间差，并利用三点定位方法计算定位标签位置，其中三点定位方法利用常规的软件算法实现。
综上所述，本实用新型通过定位标签1向定位基站2发送UWB脉冲信号，定位基站2收到信号后反馈响应信号，第一MCU12通过计算脉冲信号在两个模块间的飞行时间从而确定飞行距离，第一MCU12通过计算UWB脉冲信号到达不同定位基站2的时间差，以及传感器发送的姿态信息进行位移补偿后计算出定位标签1的实时位置。
本实用新型采用独特的超宽带脉冲射频信号机制进行双向飞行时间测距和通信,即使在高度多径和高度反射的环境下,点对点测距精度也可高达2厘米，并且电路结构简单，省去了传统通信设备中的中频级系统，极大地降低了设备复杂性，成本低、易用性好、可靠性高，能够为隧道内人员和车辆设备提供碰撞规避,实时定位跟踪和通信测距功能,保障隧道内作业人员和车辆设备的安全性和测量数据的准确性。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920089451.5
申请日:2019-01-18
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:43(湖南)
授权编号:CN209299529U
授权时间:20190823
主分类号:H04W 4/02
专利分类号:H04W4/02;H04W64/00;G01S5/06
范畴分类:39C;
申请人:长沙兴特通用电气有限公司
第一申请人:长沙兴特通用电气有限公司
申请人地址:410000 湖南省长沙市高新开发区文轩路27号麓谷钰园创业大厦N单元8层807号
发明人:唐思亮;王珏;王世明
第一发明人:唐思亮
当前权利人:长沙兴特通用电气有限公司
代理人:伍传松
代理机构:44205
代理机构编号:广州嘉权专利商标事务所有限公司
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计