基于無載波脈沖UWB通信的室內(nèi)高精度定位系統(tǒng)

王建威 房興剛 石統(tǒng)照

【摘? 要】超寬帶（UWB）定位技術(shù)憑借其穿透力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)今室內(nèi)定位中最具發(fā)展前景的技術(shù)。論文基于超寬帶（UWB）技術(shù)的原理與優(yōu)缺點(diǎn)對其進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，即一種在室內(nèi)沒有障礙物的情況下定位精度小于10cm的無線定位系統(tǒng)。

【Abstract】Ultra wide band （UWB） positioning technology has become the most promising indoor positioning technology due to its strong penetration， low power consumption and other advantages. The paper optimizes ultra wide band （UWB） technology based on its principle， advantages and disadvantages， this paper designs the hardware system and software system， that is， a wireless positioning system with positioning accuracy less than 10 cm when there are no obstructions in doors.

【關(guān)鍵詞】室內(nèi)定位技術(shù);超寬帶（UWB）技術(shù);無線通信技術(shù);高精度定位

【Keywords】indoor positioning technology; ultra wide band （UWB） technology; wireless communication technology; high precision positioning

【中圖分類號】P228.4;TN925? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）10-0178-02

1 引言

隨著移動(dòng)設(shè)備和大型娛樂場所的增加，室內(nèi)定位系統(tǒng)和導(dǎo)航成為剛需，在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中這一需求特別明顯，時(shí)刻需要了解用戶、移動(dòng)設(shè)備、各類器材和一些特殊物品在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中的具體位置。

新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展，各種技術(shù)都存在著自己的優(yōu)缺點(diǎn)，所以應(yīng)取其精華去其糟粕，打造穩(wěn)定性能強(qiáng)、適應(yīng)性良好、精度高的短距離室內(nèi)定位系統(tǒng)。

2 UWB技術(shù)概述

UWB技術(shù)從20世紀(jì)就已經(jīng)開始存在，它的發(fā)展備受矚目，開始僅限用于軍事領(lǐng)域，并不能完全應(yīng)用于日常生活，這也限制了它的發(fā)展。隨著科技的不斷創(chuàng)新，UWB技術(shù)也開辟了新的道路，獲得了民用產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的許可，在利益的推動(dòng)下，該技術(shù)迅猛發(fā)展。隨著社會(huì)不斷地發(fā)展，我國的移動(dòng)設(shè)備與大型商場日益激增，其定位與導(dǎo)航有了巨大的需求量，更因?yàn)樵摷夹g(shù)擁有發(fā)射功率低、穿透性強(qiáng)、安全系數(shù)高及不敏感于信道衰落的特點(diǎn)，在復(fù)雜的短距離傳播室內(nèi)場所可以得到廣泛的應(yīng)用。

3 定位系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

3.1 無線定位技術(shù)

最初的無線定位系統(tǒng)主要是針對室外環(huán)境所開發(fā)的，隨著科技的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，移動(dòng)端設(shè)備數(shù)量急劇增加，這種情況下無線定位技術(shù)才逐漸應(yīng)用于室內(nèi)定位，其原理為：通過已知的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過算法分析與計(jì)算，測出其所需要的移動(dòng)端的位置信息，從而達(dá)到無線定位。而且還可利用IR-UWB技術(shù)和多頻帶復(fù)用技術(shù)方案：使用多頻帶技術(shù)和正交頻分復(fù)用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方案。綜合多種方案進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)最后得出結(jié)果。

3.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)主要由幾部分組成：基站節(jié)點(diǎn)、標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)。定位系統(tǒng)的硬件層由基站的節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)組成，基站A1與A2所在直線與A2和A3所在的直線相互垂直，構(gòu)成一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系，經(jīng)過優(yōu)化的卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)定位算法，最后得出標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。之后標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)與硬件設(shè)備之間通過無線通信交換數(shù)據(jù)，通過延時(shí)計(jì)算得出信號飛行時(shí)間，通過網(wǎng)關(guān)傳輸給計(jì)算機(jī)中的上位機(jī)。

3.3 系統(tǒng)功能模塊選擇

定位系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)包含所有必需的電路，在本設(shè)計(jì)中只采用必要的模塊（見圖1）。

其中，系統(tǒng)包括STM32F411主控中心、DWM1000模塊、控制器運(yùn)行電路、電源模塊等模塊。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 MCU軟件設(shè)計(jì)

本室內(nèi)定位系統(tǒng)MCU軟件開發(fā)環(huán)境采用由ST公司免費(fèi)提供的跨平臺(tái)單片機(jī)開發(fā)軟件atolloc TrusStudio。該款軟件是由ST公司開發(fā)的，對STM32單片機(jī)客戶提供免費(fèi)使用的嵌入式集成開發(fā)環(huán)境。

MCU程序的運(yùn)行流程包含如下幾步：MCU的系統(tǒng)寄存器復(fù)位、配置程序預(yù)設(shè)的主頻等參數(shù)、初始化使用到的外設(shè)接口、配置SPI與USART接口的工作方式、中斷事件處理等，還需要對預(yù)先設(shè)置的外部的UWB芯片、數(shù)據(jù)指示模塊等外部器件進(jìn)行初始化，并按設(shè)計(jì)需求對定位芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行合理的配置，使其運(yùn)行在適當(dāng)?shù)哪Ｊ街?。?dāng)定位基站中的UWB模塊收到來自其他節(jié)點(diǎn)傳送的通信請求，MCU通過程序預(yù)設(shè)指令判斷收發(fā)數(shù)據(jù)包是否合法，是來自哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)并判斷目的，并返回相應(yīng)數(shù)據(jù)包。接下來主程序?qū)⒄埱髢?nèi)容執(zhí)行后的結(jié)果進(jìn)行處理，通過預(yù)置算法測算出時(shí)間差等參數(shù)，并將結(jié)果數(shù)據(jù)打包成合法數(shù)據(jù)包傳送回去。為了使測量出來的結(jié)果更加精確，程序在計(jì)算結(jié)果的過程中進(jìn)行了適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)擬合，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對擬合參數(shù)進(jìn)行了合理的修正。

4.2 定位算法

系統(tǒng)使用改進(jìn)優(yōu)化后的定位算法，MCU會(huì)持續(xù)對測算的結(jié)果進(jìn)行矯正，用矯正的基站標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的測量結(jié)果預(yù)測目標(biāo)的位置。結(jié)合優(yōu)化后的TODA算法，將其與卡爾曼濾波算法合理地結(jié)合后可以計(jì)算出良好的定位坐標(biāo)，采用此算法可以快速地預(yù)測出標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的具體坐標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)理想的定位效果。

4.3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)的上位機(jī)軟件開發(fā)中，我們使用Python中的一個(gè)圖形界面庫編寫。PyQt5提供了一種特殊的安全類型來替代傳統(tǒng)的回調(diào)方式，該類型為信號槽方式，這一特殊功能大大提高了UI界面中各個(gè)組件之間的協(xié)調(diào)性，使圖形界面的布局開發(fā)過程簡單明了。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，PC端接收并解析來自標(biāo)簽的數(shù)據(jù)包，將解析出來的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分配給2D繪圖線程。上位機(jī)程序與MCU程序可相互配合，可以在線修改MCU程序內(nèi)置的固定參數(shù)，也可通過有線的方式對基站與標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)在線固件升級等操作。

5 測試與誤差分析

5.1 誤差曲線擬合與補(bǔ)償

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試的過程中，發(fā)現(xiàn)在通信過程中偶爾會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)測量數(shù)據(jù)差距較大的情況，使實(shí)際的定位結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。為了減小類似的誤差，對模塊進(jìn)行再次校準(zhǔn)，對定位算法優(yōu)化，之后對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。結(jié)果如圖2所示。

5.2 測試結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建完成定位實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，通過多次的實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，再將定位算法、濾波算法中的具體參數(shù)進(jìn)行了多次調(diào)整并優(yōu)化控制器的程序，最終成功使定位系統(tǒng)穩(wěn)定高效地運(yùn)轉(zhuǎn)，測距定位效果與抗干擾能力都達(dá)到預(yù)期的精度。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)針對的是目前復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，而傳統(tǒng)定位系統(tǒng)具有不易攜帶、設(shè)備成本高、體積大、定位精度較低等方面的問題，本文設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)可以有效解決以上問題。

取得的主要研究成果如下：①本文分析了多種定位算法的優(yōu)劣，在傳統(tǒng)定位算法基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，并對優(yōu)化后的算法在MATLAB中進(jìn)行了模擬測試，采用卡爾曼濾波對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)，提高了系統(tǒng)定位精度。②定位系統(tǒng)的硬件核心是DWM1000模塊，輔以STM32F411控制器對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。采用PyQt5開發(fā)定位監(jiān)控軟件，通過WiFi與定位目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同步標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置監(jiān)測。③在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬了實(shí)際環(huán)境，對移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行了定位和追蹤，發(fā)現(xiàn)該定位系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)良，出錯(cuò)率較低，并且定位精度達(dá)到了10cm。

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