基于UWB的物體定位模塊的研究與設(shè)計(jì)

萬(wàn) 瑜，邱迎龍，何小鵬

（湖北民族大學(xué) 新材料與機(jī)電工程學(xué)院，湖北 恩施 445000）

0 引 言

近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，室內(nèi)環(huán)境下基于位置的服務(wù)越來(lái)越受到人們的重視。在緊急情況下，室內(nèi)定位系統(tǒng)可以幫助救援人員準(zhǔn)確定位每一個(gè)人的位置[1]，包括建筑物乃至房間號(hào)，或者地下停車(chē)場(chǎng)定位[2]、養(yǎng)老院人員統(tǒng)計(jì)等。為了滿(mǎn)足人們對(duì)高精度室內(nèi)定位的多樣化需求，一種基于UWB的室內(nèi)定位系統(tǒng)[3]應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)可以有效提高室內(nèi)環(huán)境下物體的定位精度，具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STM32F103為控制核心，定位芯片采用DW1000，結(jié)合TDOA算法[4]計(jì)算移動(dòng)標(biāo)簽的位置坐標(biāo)。標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)、主基站和次基站[5]的硬件設(shè)計(jì)一致，系統(tǒng)的工作頻率可以人為設(shè)置。室內(nèi)每個(gè)基站需要被擺放在固定坐標(biāo)點(diǎn)，方便進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算。標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)用來(lái)接收基站的測(cè)距命令，由基站發(fā)射UWB信號(hào)，標(biāo)簽接收到UWB信號(hào)后做出響應(yīng)，基站與標(biāo)簽間采用雙向飛行測(cè)距算法得到距離。次基站計(jì)算出距離之后將得到的距離發(fā)送給主基站，主基站將數(shù)據(jù)匯總后利用質(zhì)心定位算法[6]計(jì)算標(biāo)簽的位置坐標(biāo)，之后，主基站將得到的位置信息發(fā)送到GUI界面進(jìn)行顯示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件[7]主要分為處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、電源管理模塊以及其他電路，各模塊之間協(xié)同工作。

2.1 處理器模塊

系統(tǒng)處理器采用意法半導(dǎo)體公司出品的STM32F103，處理器通過(guò)I2C協(xié)議與存儲(chǔ)器模塊連接，用以存儲(chǔ)基站、標(biāo)簽?zāi)Ｊ?、地址和列表等信息，必要時(shí)可供處理器調(diào)用。STM32F103C8T6外圍電路包括電源模塊、時(shí)鐘電路、串口電路三部分，電源通過(guò)TPS736將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V為處理器供電，時(shí)鐘電路包含2個(gè)時(shí)鐘源，8 MHz的晶振通過(guò)處理器內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻到72 MHz，串口電路完成處理器與PC機(jī)間的數(shù)據(jù)交換。

2.2 無(wú)線(xiàn)通信模塊

無(wú)線(xiàn)通信模塊采用DecaWave公司開(kāi)發(fā)的DW1000芯片[8]，這是一款兼容IEEE 802.15.4-2011協(xié)議的超寬帶無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，其定位精度在10 cm以?xún)?nèi)，具有功耗低、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、支持多點(diǎn)定位等特點(diǎn)，在測(cè)距算法上支持TOF算法和TDOA算法。

2.3 電源管理模塊

電源是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，設(shè)計(jì)優(yōu)良的電源電路能大大延長(zhǎng)電路中元器件的使用壽命，降低系統(tǒng)功耗。本系統(tǒng)需要使用+5 V和+3.3 V的電壓給板載元件供電，其中DW1000芯片需要使用獨(dú)立電源進(jìn)行單獨(dú)供電，其發(fā)射瞬間電流達(dá)到500 mA，如果直接采用USB轉(zhuǎn)TTL或者電腦USB接口給模塊供電，會(huì)使數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大波動(dòng)，其波動(dòng)級(jí)別大約在米級(jí)，嚴(yán)重影響定位精度。電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

圖3所示為系統(tǒng)的總體程序。要想成功定位標(biāo)簽的位置，首先需要使用測(cè)距算法計(jì)算出標(biāo)簽到3個(gè)基站之間的距離，但是初步得到的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)偶然誤差并不能直接使用，因此需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波[9]，濾波之后的數(shù)據(jù)利用定位算法[10]計(jì)算出標(biāo)簽的位置坐標(biāo)。

圖3 系統(tǒng)總體程序

圖4所示為低通濾波算法流程。標(biāo)簽和基站之間的距離由于環(huán)境和模塊本身的影響，可能會(huì)存在較大誤差，因此需要對(duì)測(cè)得的距離進(jìn)行低通濾波處理。

圖4 低通濾波算法流程

4 結(jié) 語(yǔ)

UWB定位系統(tǒng)憑借著高精度、高動(dòng)態(tài)、高容量、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)將成為室內(nèi)定位的主流技術(shù)，具有廣闊的市場(chǎng)及應(yīng)用前景。本文通過(guò)對(duì)UWB定位系統(tǒng)進(jìn)行研究，希望為廣大同仁提供一種可行的室內(nèi)定位方案。