基于LabVIEW的UWB定位系統(tǒng)的優(yōu)化及應(yīng)用

蘇俊全　張嘉琪　謝繼標(biāo)

摘要：由于室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜化及障礙物的增多導(dǎo)致了多徑效應(yīng)普遍發(fā)生，導(dǎo)致UWB定位的準(zhǔn)確性，穩(wěn)定性和連續(xù)性都有所下降。通過TWR測距的雙邊雙向技術(shù)進(jìn)行標(biāo)簽與基站的距離計算，并采用三邊測量法進(jìn)行坐標(biāo)的位置計算，利用LabVIEW編程軟件平臺編寫測距定位優(yōu)化系統(tǒng)，對計算出來的坐標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行平均值計算，以達(dá)到所計算的坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)較原數(shù)據(jù)相比更加穩(wěn)定且精確。并在具有四個UWB定位基站和多個標(biāo)簽的倉庫環(huán)境中進(jìn)行現(xiàn)場實驗，檢驗優(yōu)化后結(jié)果與實際值之間的誤差度，驗證了經(jīng)過優(yōu)化系統(tǒng)后標(biāo)簽坐標(biāo)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：UWB定位技術(shù);LabVIEW;倉儲物流;TWR測距;三邊測量法

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）03-0239-03

Abstract： Due to the complexity of the indoor environment and the increase of obstacles， multipath effects generally occur， resulting in a decrease in the accuracy， stability and continuity of UWB positioning. Calculate the distance between the tag and the base station through the bilateral two-way technology of TWR ranging， and use the trilateral measurement method to calculate the position of the coordinate， use the LabVIEW programming software platform to write the distance measurement positioning optimization system， and average the calculated coordinate data results Calculate so that the calculated coordinate position data is more stable and accurate than the original data. In addition， field experiments were conducted in a warehouse environment with four UWB positioning base stations and multiple tags to verify the degree of error between the optimized results and the actual values， which verified the stability of the tag coordinate data after the optimized system.

Key words： UWB positioning technology; LabVIEW; Warehouse Logistics; TWR ranging; Trilateral measurement

1 背景

隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）的迅速發(fā)展，基于超寬帶（Ultra-Wideband， UWB）、藍(lán)牙、RFID（Radio Frequency Identification）等無線定位技術(shù)成為研巧的熱點[1-2]。與其他的室內(nèi)定位技術(shù)相比，UWB技術(shù)是一種傳輸速率高，發(fā)射功率較低，穿透能力較強并且是基于極窄脈沖的無線技術(shù)，無載波[3]。這些都是UWB定位系統(tǒng)的優(yōu)點，這些使UWB在室內(nèi)定位時可以獲得更為精確而穩(wěn)定的標(biāo)簽坐標(biāo)數(shù)據(jù)[4]。然而，由于室內(nèi)的各種情況導(dǎo)致環(huán)境變得復(fù)雜，非視距誤差及多路徑效應(yīng)廣泛存在，UWB 定位的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性較之前相比都有所下降。本文基于LabVIEW對UWB定位進(jìn)行了優(yōu)化，并在軟件平臺編寫數(shù)據(jù)優(yōu)化程序，驗證了優(yōu)化后標(biāo)簽定位數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，證明了基于LabVIEW對定位系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的可靠性。

2 UWB系統(tǒng)及定位算法

目前常用的定位算法主要有接收信號到達(dá)時間法（ time of arrival，TOA） 、信號到達(dá)角度法（ arri-val of angle，AOA） 、接收信號到達(dá)時間差法（ time difference of arrival，TDOA）和雙向測距法（TWR）[5]。本文選擇的是基于DS-TWR測距的 UWB 定位算法，對同步要求較低，在精度上也優(yōu)于其他定位模式。并且DS-TWR測距不需要測距兩設(shè)備之間的時延完全相同。

2.1 UWB定位原理

2.1.1 硬件系統(tǒng)

本文的UWB定位系統(tǒng)中硬件系統(tǒng)的構(gòu)建如圖1所示，主要包括一個UWB主基站、多個UWB從基站、多個UWB標(biāo)簽以及為基站標(biāo)簽提供電源的移動電源。本文UWB定位硬件系統(tǒng)的搭建如圖1所示：電腦、基站及標(biāo)簽，其中標(biāo)簽和基站采用D-DWM-PG2.5和UWB天線相連接，外觀高度約為15cm、寬度約為2cm，通過Micro USB數(shù)據(jù)線將 D-DWM-PG2.5評估板與 PC電腦連接，并在室內(nèi)通過基站構(gòu)建出一個平面坐標(biāo)系。

2.1.2 軟件系統(tǒng)

本文通過LabVIEW程序進(jìn)行上位機系統(tǒng)的編寫，軟件系統(tǒng)的主要功能是對測距數(shù)據(jù)的接收并優(yōu)化，用三邊測量法解方程組的方式，求得標(biāo)簽的坐標(biāo)位置，并對所求標(biāo)簽坐標(biāo)進(jìn)行計算優(yōu)化，使所得標(biāo)簽坐標(biāo)的誤差減少。上位機系統(tǒng)前面板如圖2所示，首先啟動服務(wù)器后，服務(wù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，通過參數(shù)設(shè)定按鈕對各個基站的實際坐標(biāo)位置進(jìn)行設(shè)定，然后點擊開始采集，等待基站發(fā)送距離數(shù)據(jù)，通過三邊測量法計算出標(biāo)簽的位置坐標(biāo)后在進(jìn)行優(yōu)化，最后將定位坐標(biāo)寫入數(shù)據(jù)庫。

2.1.3 基本測距原理

由于時鐘偏移和頻率偏移會使測距的結(jié)果產(chǎn)生誤差，所以本文采用了雙向雙邊測距（DS-TWR）方法。它可以有效地減少因為頻率偏移和時鐘偏移所產(chǎn)生的誤差。圖3顯示了雙向雙面測距的原理方法。

雙側(cè)雙邊測距方法是在單側(cè)雙邊測距方法的一次通訊基礎(chǔ)上再增加一次信號通訊，使之變成兩次信號通訊，而因為時鐘偏移造成的誤差則可以通過這兩次信號傳輸?shù)臅r間互相彌補。通訊信號飛行時間的計算公式如下：

上位機給基站和標(biāo)簽下達(dá)雙向測距的指令之后，由基站開始向標(biāo)簽進(jìn)行第一次發(fā)送信號，在定位標(biāo)簽收到信號后則馬上對基站進(jìn)行信號回傳，基站收到之后再次向定位標(biāo)簽第二次發(fā)送信號[6]。反復(fù)如此，然后代入上述公式即可求出通訊信號的飛行時間，之后就可求出基站與定位標(biāo)簽之間的距離。使用DS-TWR測距方法的時鐘偏移導(dǎo)致的誤差為：

其中[ka]和[kb]分別是基站和標(biāo)簽時鐘的實際頻率與預(yù)期頻率的比值。從公示中可以看出，導(dǎo)致測距的誤差很少，可以忽略不計。所以本文采用精確度更高的雙邊雙向測距方法，不需要使標(biāo)簽與基站之間的時延完全一致，因此雙邊雙向測距是精準(zhǔn)度和穩(wěn)定度最高的測距方式。

2.2 定位算法

經(jīng)過近幾年的研究發(fā)展，一般可以通過兩種算法來進(jìn)行室內(nèi)定位算法的計算，一種是來進(jìn)行計算的定位算法，另一種是無須依靠已知基站左邊和標(biāo)簽之間的距離信息來進(jìn)行計算的定位算法。本文采用已知基站坐標(biāo)和標(biāo)簽之間的距離信息基礎(chǔ)上來進(jìn)行定位計算的三邊測量法。

三邊測量法如圖4所示，其核心思想為：已知主基站A和任意兩個次基站B 和 C的坐標(biāo)信息，令其坐標(biāo)分別為[x1，y1]、[x2，y2]和[x3，y3]。并且通過TWR測距方法計算出來的各基站與標(biāo)簽之間的距離，令其分別為[R1]、[R2]和[R3]。假設(shè)標(biāo)簽坐標(biāo)為[x，y] 。那么存在下列公式：

3 定位數(shù)據(jù)的優(yōu)化

在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境下，由于多路徑效應(yīng)和非視距誤差所造成的影響不可避免，會對基站與標(biāo)簽之間的信號傳輸造成影響，使得到的位置信號誤差加大且不穩(wěn)定。針對這一問題，本文使用LabVIEW軟件對所得到的標(biāo)簽坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值優(yōu)化，通過提前設(shè)置一個平均數(shù)閾值和一個變化值，開始定位后，系統(tǒng)開始正常接收串口數(shù)據(jù)，每接收到一組標(biāo)簽串口數(shù)據(jù)都會先與上一組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果各對應(yīng)數(shù)據(jù)相比上一組變化沒有超過預(yù)設(shè)的變化值，則會對之前接收的這些數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計算，同時這些數(shù)據(jù)輸出在LabVIEW前面板上。反之，當(dāng)各對應(yīng)數(shù)據(jù)相比上一組變化有一個超過預(yù)設(shè)的變化值，則會從當(dāng)前這組數(shù)據(jù)重新進(jìn)行積累。當(dāng)接收的標(biāo)簽串口數(shù)據(jù)組數(shù)達(dá)到平均數(shù)閾值，之后每當(dāng)新接收一組坐標(biāo)數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)都會頂?shù)糇钋懊娴囊唤M數(shù)據(jù)重新選擇最新的設(shè)定數(shù)量的數(shù)據(jù)組數(shù)進(jìn)行平均值計算，使之組數(shù)一直保持在設(shè)定的閾值內(nèi)。平均值計算的系統(tǒng)程序框圖及優(yōu)化前后效果對比分別如圖5圖6所見，圖6表示標(biāo)簽的靜態(tài)定位坐標(biāo)結(jié)果，橫坐標(biāo)為時間序列，單位是s，縱坐標(biāo)為兩個方向的誤差，單位是mm，左圖上下分別表示x軸和y軸優(yōu)化前所測得的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與實際坐標(biāo)的相差值，右圖上下分別表示x軸和y軸優(yōu)化后所測得的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與實際坐標(biāo)的相差值?？梢栽趫D中發(fā)現(xiàn)，點位分布更加集中在均值附近，并且隨機誤差出現(xiàn)次數(shù)大大減少，系統(tǒng)優(yōu)化后所測得的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定可靠。

4 UWB定位系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)的全球化，信息技術(shù)的飛速發(fā)展和物流活動的日益復(fù)雜，倉庫物流作為產(chǎn)品分銷過程中的核心環(huán)節(jié)成為企業(yè)中的關(guān)鍵一環(huán)，通過從分散混亂到實時信息更新，再到倉庫管理甚至物流云倉庫的發(fā)展，自動化和智能化成了倉儲物流中的重要性越來越大。UWB系統(tǒng)的精確定位可以應(yīng)用于不同類型的倉儲物流場景，使UWB定位系統(tǒng)與倉儲物流管理相結(jié)合來達(dá)到安全高效的倉庫管理?？梢詫WB定位系統(tǒng)與AGV小車進(jìn)行結(jié)合，在倉儲系統(tǒng)中不斷發(fā)展來做到更為方便便捷的倉儲巡檢功能，也可以結(jié)合條形碼標(biāo)簽，二維碼標(biāo)簽，RFID電子標(biāo)簽相結(jié)合，將定位標(biāo)簽和條碼掃描器設(shè)置在AGV小車上，再將二維碼等標(biāo)簽設(shè)置在貨物上，這樣就可以做到更高效率的倉儲自動巡檢。

5 結(jié)束語

在室內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境的影響下，UWB定位系統(tǒng)的信號傳播受到影響，以至于所得標(biāo)簽坐標(biāo)計算結(jié)果誤差明顯且不穩(wěn)定。本文在具有四個UWB定位基站和多個標(biāo)簽的倉庫環(huán)境中進(jìn)行現(xiàn)場實驗，通過LabVIEW軟件對經(jīng)TWR測距進(jìn)行三邊測量法計算出來的標(biāo)簽坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計算，實驗結(jié)果顯示在靜態(tài)定位中優(yōu)化后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較原始數(shù)據(jù)有明顯提升，并將高精準(zhǔn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，供其他程序使用。同時，優(yōu)化后的UWB定位系統(tǒng)可與AGV小車相結(jié)合，進(jìn)行倉儲物流的貨物巡檢，實現(xiàn)無人自動化。

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