基于UWB 技術(shù)的定位算法設(shè)計

黃佳鑫，王民慧

（貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽 550025）

0 引言

隨著科技的高速發(fā)展，各類定位技術(shù)手段層出不窮，但有些方法在不同條件下會受到不同的影響。例如衛(wèi)星信號，這種信號在室內(nèi)會受到嚴(yán)重影響，從而導(dǎo)致GPS 或是北斗無法發(fā)送定位。因此，室內(nèi)定位主要采用無線通訊、基站定位、慣導(dǎo)定位等多種技術(shù)集成，形成一套室內(nèi)位置定位體系，從而實(shí)現(xiàn)人員、物體等在室內(nèi)空間中的位置監(jiān)控。除通訊網(wǎng)絡(luò)的蜂窩定位技術(shù)外，常見的室內(nèi)無線定位技術(shù)還有：Wi-Fi、藍(lán)牙、紅外線、超寬帶、RFID、ZigBee 和超聲波等。近年來，由于超帶寬（UWB）技術(shù)的成熟，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如移動機(jī)器人定位，煤礦人員定位等［1］。2019 年9 月，蘋果的iPhone11 系列的創(chuàng)新之一是首發(fā)了UWB 技術(shù)，用于精準(zhǔn)的室內(nèi)定位和導(dǎo)航。此外，恩智浦也推出了UWB 芯片。今后UWB 在汽車、智能家居、工業(yè)等將會有更加廣泛的應(yīng)用。

多年前UWB 僅僅是一種通信協(xié)議，著重于高速數(shù)據(jù)的短距離傳輸。經(jīng)過十多年的發(fā)展，相對于Wi-Fi 定位、藍(lán)牙定位等其它現(xiàn)有技術(shù)，UWB 具有穿透力強(qiáng)、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)勢。除此之外，UWB 技術(shù)解決了困擾傳統(tǒng)無線通信技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題，具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、截獲率低、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點(diǎn)。

在智能家居逐漸進(jìn)入人們生活的同時，市場對于UWB 定位技術(shù)的需求也隨之增加。在日常智能生活使用中，可以通過UWB，擁有某個人的精準(zhǔn)定位信息，能夠更加個性化地控制智能家居的功能。例如戴兒童手表的孩子，走丟時可以給父母打電話，在短距離的情況下通過手機(jī)或手表內(nèi)的UWB，精準(zhǔn)定位小孩的位置［2］。

UWB 技術(shù)提供精確、安全、實(shí)時的定位功能，主要針對的是人員與設(shè)備之間，這是其它無線技術(shù)（如Wi-Fi、藍(lán)牙和GPS）無法比擬的。其最大的優(yōu)勢在于它是基于到達(dá)時間差原理進(jìn)行定位。不同于場強(qiáng)原理，因此抗干擾及多徑能力更強(qiáng)，不存在累計誤差、偏差小、精度更高，可廣泛應(yīng)用于消防搶險、物流跟蹤、機(jī)器人、監(jiān)獄管理、醫(yī)療設(shè)備管控、可穿戴設(shè)備等。

本設(shè)計是基于STM32 單片機(jī)為主控芯片，通過DW1000 芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，利用TWR 原理，通過時間差算出標(biāo)簽與基站之間的距離［3］。利用三邊測量算法，在固定好基站坐標(biāo)的情況下，求得標(biāo)簽坐標(biāo)，達(dá)到定位效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計主要由傳感器模塊、控制器與處理器模塊、顯示模塊和數(shù)據(jù)接收模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)以STM32F407ZGT6 單片機(jī)作為主控核心控制器，通過傳感器模塊對距離等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，然后傳給STM32F407ZGT6 單片機(jī)，數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換后，在顯示模塊上顯示標(biāo)簽實(shí)時數(shù)據(jù)信息。

該設(shè)計實(shí)現(xiàn)了對標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息的實(shí)時監(jiān)測，同時實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，讓使用者可以清晰明了的掌握所需信息，為使用者提供更大的便利。

系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示3 個關(guān)鍵部分。系統(tǒng)總體框架如圖1 所示。

1.1 硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)以STM32F407ZGT6 單片機(jī)作為主控核心控制器，STM32F103RCT6 單片機(jī)作為從控數(shù)據(jù)接收控制器。利用DWM1000 傳感器模塊采集標(biāo)簽與基站之間的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32F103RCT6單片機(jī)中，再通過串口通信方式，將STM32F103RCT6單片機(jī)上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32F407ZGT6 單片機(jī)中。數(shù)據(jù)通過STM32F407ZGT6 單片機(jī)收處理后，傳送到LCD 顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。系統(tǒng)方案如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)方案設(shè)計框圖Fig.2 Block diagram of system scheme design

1.1.1 DWM1000 傳感器

DWM1000 模塊是基于Decawave 公司DW1000芯片設(shè)計的超寬帶收發(fā)模組。該模塊集成了天線及所有的射頻電路、電源管理和時鐘電路［4］。這款模塊可用于TWR 或TDOA 定位系統(tǒng)中，用來定位目標(biāo)，其精度一般小于10cm；且該模塊支持高達(dá)6.8Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸率。

DWM1000 板上的DW1000 芯片，是基于CMOS的、低功耗的無線收發(fā)集成電路，遵循802.15.4-2011 協(xié)議中的UWB 標(biāo)準(zhǔn)芯片［5］。DWM1000 并不需要用戶設(shè)計電路，因?yàn)槟K上包含了天線、無線通訊模塊及相關(guān)的電路。

DWM1000 模塊中嵌入了一個38.4 MHZ 參考晶振，可以把初始化頻率誤差降到大約百萬分之二［6］。DWM1000 電路原理如圖3 所示。

圖3 DWM1000 電路原理圖Fig.3 DWM1000 circuit schematic

1.1.2 LCD 屏幕設(shè)計

LCD（Liquid Crystal Display）俗稱液晶顯示屏，屬于平面顯示器的一種，用于電視機(jī)及計算機(jī)的屏幕顯示。該顯示屏的優(yōu)點(diǎn)是耗電量低、體積小、輻射低。TFT 型的液晶顯示器較為復(fù)雜，主要由熒光管、導(dǎo)光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶體管等構(gòu)成。液晶顯示器必須先利用背光源，也就是熒光燈管投射出光源，這些光源先經(jīng)過一個偏光板后再經(jīng)過液晶，這時液晶分子的排列方式進(jìn)而改變穿透液晶的光線角度。之后這些光線接還必須經(jīng)過前方的彩色濾光膜與另一塊偏光板［7］。因此，只要改變刺激液晶的電壓值就可以控制最后出現(xiàn)的光線強(qiáng)度與色彩，進(jìn)而使液晶面板上變化出不同深淺的顏色組合。LCD 屏幕原理如圖4所示。

圖4 LCD 屏幕原理圖Fig.4 LCD screen schematic

1.2 定位算法設(shè)計

利用P1、P2、P3 作為基站，對標(biāo)簽N進(jìn)行定位。假定基站為P1（x1，y1，z1），P2（x2，y2，z2），P3（x3，y3，z3），標(biāo)簽為N（x，y，z），S1 為N與P1 之間距離；S2 為N與P2 之間距離；S3 為N與P3 之間距離［8］。如圖5 所示。

圖5 位置圖Fig.5 Location Map

由此可得：

因此，（3）式可轉(zhuǎn)化為：

1.3 軟件設(shè)計

三邊定位系統(tǒng)的主程序流程如圖6 所示。首先系統(tǒng)分別進(jìn)行時鐘初始化、中斷分組配置、串口初始化、LED 初始化、LCD 初始化以及按鍵等初始化，將各個部分初始為最佳狀態(tài)；通過DWM1000 得到各個基站位置坐標(biāo)（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3），以及標(biāo)簽與各基站相距位移S1、S2、S3。通過這些數(shù)據(jù)，判斷基站是否處于同一條直線或者相距位置是否過近。根據(jù)三點(diǎn)確定一個平面的原則，若基站處于同一直線上，則無法進(jìn)行坐標(biāo)確定。如果基站相對位置過于貼近，會由于誤差的影響導(dǎo)致測量坐標(biāo)不準(zhǔn)確。因此，無論哪種情況出現(xiàn)都需要重新調(diào)整基站位置再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。STM32F407ZGT6 單片機(jī)接收到傳來的數(shù)據(jù)信息后，通過三邊定位算法，隨后對矩陣求解，計算出標(biāo)簽最終坐標(biāo)。標(biāo)簽坐標(biāo)求得后，通過STM32F407ZGT6 單片機(jī)驅(qū)動LCD 屏幕，在屏幕上對標(biāo)簽位置坐標(biāo)進(jìn)行顯示［10］。與此同時DWM1000 不斷測量數(shù)據(jù)傳給STM32F407ZGT6 單片機(jī)然后進(jìn)行處理，隨后展示與LCD 屏幕上，達(dá)到實(shí)時效果［11］。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本設(shè)計系統(tǒng)在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，為便于使用與測量，3 個基站設(shè)置成直角三角形。3 個基站位置坐標(biāo)分別為（0，0）、（2.4，0）、（0，3.0）。將標(biāo)簽與STM32F407ZGT6 單片機(jī)連接，分別將3 個基站與標(biāo)簽同時上電。連接成功后將程序燒錄于主控芯片之中，此時可以在LCD 屏幕上看到位置信息。實(shí)驗(yàn)顯示的實(shí)際坐標(biāo)、測量坐標(biāo)位置及坐標(biāo)誤差值見表1。

圖6 系統(tǒng)程序設(shè)計圖Fig.6 System programming diagram

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Tab.1 Comparison of experimental results

由此可見，實(shí)際誤差基本在9 cm 以內(nèi)，部分點(diǎn)誤差在10 cm 以內(nèi)。由于實(shí)驗(yàn)過程中標(biāo)簽與基站之間偶爾會出現(xiàn)遮擋物，則造成一定測量誤差。

3 結(jié)束語

本設(shè)計實(shí)現(xiàn)了對標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息的實(shí)時監(jiān)測，同時實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，讓使用者可以清晰明了的掌握所需信息，為使用者提供更大的便利。但在測試過程中也發(fā)現(xiàn)些許不足，傳感器處于工作狀態(tài)時，組成測量區(qū)域內(nèi)有金屬等干擾源及過多障礙物出現(xiàn)，會對測量結(jié)果產(chǎn)生一定影響。所以，為盡量降低干擾，提高測量準(zhǔn)確率，安裝基站時一般應(yīng)高于標(biāo)簽所處水平面位置。除此之外，后期應(yīng)優(yōu)化算法，軟硬件配合共同提高使用精度。