[发明专利]一种舞台追光灯自动控制系统及方法

权利要求书

1.一种舞台追光灯自动控制系统，其特征在于，包括一个以上的追光灯控制装置、一个以上的UWB定位标签、八个UWB定位锚点、定位服务器以及控制终端；

所述八个UWB定位锚点分别设置在舞台边缘的八个顶点上；

每个追光灯控制装置均包括第一UWB定位模块、LED聚光灯、2.4G通信模块、与LED聚光灯配设的云台以及追光灯控制器，用以根据定位服务器发送的指令控制LED聚光灯追踪目标转动；

每个UWB定位标签均包括第二UWB定位模块、IMU模块、微处理器及电源模块，所述UWB定位标签设置在目标上并跟随目标移动；

所述定位服务器与UWB定位标签、追光灯控制装置通信相连，根据目标的位置控制追光灯控制装置实现追光。

2.根据权利要求1所述的一种舞台追光灯自动控制系统，其特征在于，还包括协调器，所述协调器是定位服务器控制和收发数据的接口；协调器的USB接口与定位服务器连接；协调器的2.4Ghz无线接口与UWB定位标签、追光灯控制装置进行通信。

3.一种基于权利要求1所述舞台追光灯自动控制系统的方法，其特征在于：所述八个UWB定位锚点与一个以上的UWB定位标签构成三维定位系统，所述UWB定位标签内的微处理器采用UWB与IMU传感器的融合定位算法，计算自己的空间坐标，并将获得的坐标发送至定位服务器；所述追关灯控制装置定位将自己的空间坐标也发送给定位服务器；所述定位服务器通过协调器接收汇总UWB定位标签坐标和追光灯控制装置的定位坐标，并计算出由追光灯控制装置指向指定目标的方向信息；定位服务器将计算得到的方向信息发送给追光灯控制装置，追光灯控制装置通过转动云台把LED聚光灯光投向目标。

4.根据权利要求3所述的一种舞台追光灯自动控制系统的方法，其特征在于：所述UWB与IMU传感器的融合定位算法具体为：所述的八个UWB定位锚点AN₀-AN₇分配8个时隙并进行时隙同步，每个锚点分别在自己对应的时隙向外广播定位数据包；在时隙n，所述UWB定位标签计算自己与AN_n、AN_n-1锚点之间TDOA值Δt_n，并计算定位标签与AN_n、AN_n-1基站的距离差值，称为TDOA测量值：

d_n＝Δt_n*c；

式中，c是电磁波在真空中的传播速度；

设需要估计的状态量为待定位的UWB定位标签在x、y、z三个方向上t_n时刻的位置与速度，分别用列向量p_n＝(p_x，p_y，p_z)^T和v_n＝(v_x，v_y，v_z)^T表示，并设三个方向上的加速度a_n＝(a_x，a_y，a_z)^T在极小的时间间隔[t_n-1，t_n]保持不变，则UWB测量方程为：

d_n＝||p_n-p_a1||-||p_n-p_a0||+ε_n；

式中，d_n是时隙n时测量得到的TDOA测量值，p_a1＝(x_a1，y_a1，z_a1)、p_a0＝(x_a0，y_a0，z_a0)分别表示在时隙n时与定位标签测量TDOA值的两个定位锚点的位置坐标，||*||表示矩阵的二范数；ε_n是方差为R的UWB子系统的传感器带来的测量噪声；

将定位标签的状态空间方程表示为：

令则把状态方程和测量方程分别表示为：

式中，I是3×3的单位矩阵，σ_x²、σ_y²、σ_z²为三轴方向上加速度的方差，w_n-1表示IMU惯性测量单元带来的测量误差，E表示求均值；

根据上述状态方程和预测方程，得到以下预测过程：

更新过程为：

P_n←(I-G_nH_n)P_n；

式中，P_n表示后验估计误差协方差矩阵，度量估计值的精确程度，由状态方程导出。G_n表示卡尔曼增益，H_n表示测量方程的Jacobian矩阵。