基于UWB與光束控制的物品定位指向系統(tǒng)

李 祥， 何志毅,， 何 寧

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院,廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué) 廣西無線寬帶通信與信號處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004)

隨著商業(yè)的繁榮發(fā)展，對于位置信息需求不斷增加。例如在商品倉儲式陳列的超市，顧客自行尋找商品比較盲目，經(jīng)常需要人工指引，從而增加了超市經(jīng)營的人工成本。在倉儲管理中，人工通過貨架等信息尋物，需要查詢對照貨物和貨架編號，費(fèi)時費(fèi)力。在電子商務(wù)、快遞物流量龐大的時候，貨物定位和查找效率較難滿足實(shí)際需求[1]。如果能夠在實(shí)現(xiàn)室內(nèi)物品定位的同時，為定位點(diǎn)提供更加直觀的指向，將會提高尋找物品的效率。

近年來，室內(nèi)定位技術(shù)獲得了快速發(fā)展，出現(xiàn)了許多實(shí)用的技術(shù)[2]，其中超寬帶(ultra-wideband，簡稱UWB)定位技術(shù)[3]、WLAN定位技術(shù)[4]、紅外線定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)[5]以及RFID定位技術(shù)等[6]，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。表1為各類定位技術(shù)特點(diǎn)及其比較，從表1中可見，UWB定位技術(shù)具有定位精度高、覆蓋范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢[7]，適用于復(fù)雜環(huán)境中的定位需求，已成為目前最具潛力的室內(nèi)定位技術(shù)[8]。

室內(nèi)物品定位技術(shù)已有較多應(yīng)用研究，文獻(xiàn)[9-10]分別將RFID與iBeacon低功耗藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用于倉儲物資定位與管理中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動采集與貨物定位，有效提高了倉儲管理效率。文獻(xiàn)[11]將UWB技術(shù)應(yīng)用于危化物堆垛無距測量與監(jiān)測，改善了?；锲返亩ㄎ痪?。但對于定位后的物品尋找問題，目前尚未提出相應(yīng)的優(yōu)化解決方案，還需要依靠傳統(tǒng)的方式，根據(jù)特定標(biāo)記號進(jìn)行指向，如貨架號等方式。文獻(xiàn)[12]將UWB定位技術(shù)應(yīng)用于舞臺自動追光，實(shí)現(xiàn)了較高精度的位置指向，驗(yàn)證了光束控制技術(shù)應(yīng)用于位置指向的可行性，但采用接收信號到達(dá)時間差(time different of arrival，簡稱TDOA)的測量方式，定位精度在0.2 m左右，商品密集的超市等場景需要更高定位精度，此方案并不適用。

鑒于此，提出了一種實(shí)用的定位指向系統(tǒng)的設(shè)計方案。其采用對稱雙邊雙向測距(symmetric double-sided two-way ranging，簡稱SDS-TWR)的測量方式，可獲得更高的定位精度，定位后的位置指示清晰，有助于快速地尋找目標(biāo)。借助成熟的光機(jī)電一體化舞臺光束燈，簡化硬件設(shè)計，可提供直觀的目標(biāo)指向。光束燈是一種基于DMX512協(xié)議的數(shù)字電腦燈，可通過協(xié)議編碼對光束的二維方向進(jìn)行控制，兼具使用便捷、控制精確和性價比高的特點(diǎn)，可應(yīng)用于特定位置物品指向。

表1 常用定位技術(shù)特點(diǎn)對比

1 設(shè)計方案與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要包括UWB超寬帶定位模塊、PC上位機(jī)控制臺、STM32下位機(jī)、光束燈4個部分。超寬帶定位模塊由4塊搭載DWM1000芯片的定位模塊構(gòu)成，其中3塊作為基站，1塊作為信標(biāo)。將信標(biāo)與所需存放的物品固定在一起，物品存放完后，將信標(biāo)與各個基站的距離數(shù)據(jù)通過基站0發(fā)送至上位機(jī)，以基站0作為坐標(biāo)原點(diǎn)，通過三邊定位算法得出物品的x、y坐標(biāo)值并保存。光束燈與基站0所處坐標(biāo)相同，當(dāng)需要查找該物品時，上位機(jī)將坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為光束燈垂直偏轉(zhuǎn)角度與水平偏轉(zhuǎn)角度，通過串口發(fā)送至STM32下位機(jī)，進(jìn)行DMX512協(xié)議編碼，經(jīng)RS485電路輸出到光束燈，進(jìn)行指向控制。圖1為定位指向系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1 定位指向系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 UWB定位原理

UWB定位技術(shù)是根據(jù)基站與標(biāo)簽的相對位置信息，通過求解相關(guān)數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)定位[13]。獲得相對位置主要有接收信號到達(dá)時間差(TDOA)與接收信號到達(dá)時間(time of arrival，簡稱TOA)2種測量技術(shù)，TDOA測量技術(shù)需要定位系統(tǒng)各個基站間達(dá)到嚴(yán)格的時間同步，實(shí)現(xiàn)難度較大，且坐標(biāo)求解算法較為復(fù)雜[14]。實(shí)際應(yīng)用中常采用TOA測量技術(shù)，通過計算無線信號從發(fā)送端到接收端的傳輸時間，結(jié)合電磁波傳播速度得到設(shè)備間的距離[15]。

TOA模型SDS-TWR法具有較高的定位精度，其原理如圖2所示。

圖2 SDS-TWR測距原理

首先，設(shè)備A在時間點(diǎn)T1時通過超寬帶天線向設(shè)備B發(fā)送脈沖，設(shè)備B在接收到A發(fā)送的脈沖后延時TB1后，向設(shè)備A發(fā)送脈沖，此時記為時間點(diǎn)T2；設(shè)備A在時間點(diǎn)T3接收到來自設(shè)備B的脈沖后延時TA2后，又向設(shè)備B回復(fù)脈沖信號，并將設(shè)備B接收到最后一次A發(fā)送的脈沖時間點(diǎn)記為T4，到此一次完整的SDS-TWR測距完成。將T3-T1記為TA1，T4-T2記為TB2。由此可以計算出無線脈沖的飛行時間TOF：

2TOF=TA1-TB1，

(1)

2TOF=TB2-TA2。

(2)

將式(1)與式(2)相加可得：

(3)

由于不同時鐘晶振之間存在著頻率偏差，假設(shè)設(shè)備A的晶振漂移為Δt1，設(shè)備B的晶振漂移為Δt2，則考慮誤差后的飛行時間為

(TB2-TB1)(1+Δt2)]，

(4)

將式(4)減去式(3)可得飛行時間誤差值

(5)

TA2與TB1的取值相等，只存在由時鐘偏差所產(chǎn)生的誤差值。當(dāng)延時發(fā)送時間遠(yuǎn)大于信號飛行時間TOF時，可近似認(rèn)為TA1-TA2、TB2-TB1的值與2TOF的值相等。由時鐘漂移產(chǎn)生的時鐘頻率偏差并不會隨著設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)延長時間TA2、TB1的增加而增大。因此，通過這種方法可有效減小時鐘漂移等偏差造成的測量誤差，從而提高飛行時間的測量精度。將測量的飛行時間乘以飛行速度(近似為光速c=3×108m/s)，可得到2個設(shè)備之間的距離[16]

D=c×TOF。

(6)

1.3 三邊定位法

TOA的定位系統(tǒng)常采用三邊定位的方法，通過信標(biāo)與基站間的距離，計算得到位置坐標(biāo)[17-19]。在三邊定位法中，首先需要在定位區(qū)域確定3個坐標(biāo)位置已知的基點(diǎn)，將3個帶有DW1000模塊的基站放在基點(diǎn)上，用于接收來自標(biāo)簽的脈沖信息。圖3為三邊測量定位原理圖。

圖3 三邊測量定位原理

在圖3中，已知3個點(diǎn)A(x1，y1)、B(x2，y2)、C(x3，y3)的位置。未知點(diǎn)P(x，y)到3個已知點(diǎn)A、B、C的距離已知, 分別為d1、d2、d3。分別以A、B、C為圓心，以d1、d2、d3為半徑作3個圓，根據(jù)畢達(dá)哥拉斯定理可知，3個圓的交點(diǎn)即為未知點(diǎn)的位置[20]，可表達(dá)為

(7)

采用最小二乘法對式(7)進(jìn)行求解，將式中第2項(xiàng)與第3項(xiàng)分別與第1項(xiàng)相減，移項(xiàng)后轉(zhuǎn)為矩陣形式：

(8)

將式(8)表示為HX=b，考慮存在誤差，可得到誤差向量模型ε=b-HX。為了計算并解出最小誤差解，令

f(X)=(HX-b)T(HX-b)，

(9)

對式(9)求導(dǎo)，可得

X=(>HTH)-1HTb。

(10)

由此，通過SDS-TWR測距得出標(biāo)簽與基站間距離，采用三邊定位算法建立數(shù)學(xué)模型，使用最小二乘法求得方程組最優(yōu)解，最終得到標(biāo)簽的坐標(biāo)。

1.4 DMX512協(xié)議

DMX512協(xié)議是一種異步串行傳輸協(xié)議，常用于光束燈的數(shù)字控制。該協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbit/s，數(shù)據(jù)更新率達(dá)44 幀/s，每個數(shù)據(jù)幀包含的通道數(shù)據(jù)最多可達(dá)512個，每個通道數(shù)取值范圍為0～255[21]。其中一個完整的數(shù)據(jù)幀如圖4所示，主要包括MTBP位、BREAK位、MAB位、SC位以及512個數(shù)據(jù)通道幀，每個數(shù)據(jù)幀又由1個START位、8個數(shù)據(jù)位、2個停止位組成。其中MTBP位高電平，表示上一幀數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，此時處于空閑狀態(tài)。BREAK位為起始位，其周期必須大于88 μs。SC位為第1個數(shù)據(jù)通道幀，表示數(shù)據(jù)0x00。為了區(qū)分BREAK與SC位，在其中間添加一段高電平脈沖MAB[22]，達(dá)到分離作用。

圖4 數(shù)據(jù)幀時序

表2給出了燈具的11個控制通道定義，可對其X軸偏轉(zhuǎn)角度、Y軸偏轉(zhuǎn)角度、顏色、亮度等信息進(jìn)行控制。

表2 通道功能定義

1.5 光束指向算法

圖5為燈具的三維坐標(biāo)系。光束燈的方向控制是在以燈具為圓心的一個直角坐標(biāo)系中實(shí)現(xiàn)的，需要指向時，將二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為二維的控制偏轉(zhuǎn)角度。光束燈放在距離地面z米高的地方，坐標(biāo)為(0，0，z)，3個基站z坐標(biāo)軸固定，分別按G0(0，0，0)、G1(5，0，0)、G2(2.5，2.5，0)位置固定，坐標(biāo)單位為m，信標(biāo)G的坐標(biāo)可記為(x，y)。

圖5 光束燈三維坐標(biāo)系

由正切三角函數(shù)的反函數(shù)可得：

(11)

(12)

由此，可通過UWB定位模塊將獲得的坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換為水平偏轉(zhuǎn)角度與垂直偏轉(zhuǎn)角度。光束燈的方向采用8 bit數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，需要將計算得到的角度轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的數(shù)值，最終完成光束燈的定點(diǎn)指向。轉(zhuǎn)換公式如下：

X=27.05θ，

(13)

Y=122-65.57β。

(14)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在長寬各為5 m的范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。以基站0作為三維坐標(biāo)的原點(diǎn)O，光束燈放在距離地面3.3 m的高處，坐標(biāo)為(0，0，3.3)，則基站0坐標(biāo)為(0，0，0)、基站1坐標(biāo)為(0，5，0)、基站2坐標(biāo)為(2.5，2.5，0)，其中坐標(biāo)單位為m。將基站0通過數(shù)據(jù)線與電腦相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時將上位機(jī)串口與STM32下位機(jī)相連，經(jīng)RS485模塊連接至光束燈。圖6為實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

圖6 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

2.2 UWB定位實(shí)驗(yàn)

預(yù)先設(shè)置好基站坐標(biāo)，打開串口，接收來自基站0發(fā)送的信標(biāo)與各基站的距離數(shù)據(jù)，通過三邊定位算法可得到信標(biāo)的二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。圖7為MFC上位機(jī)定位模塊設(shè)置界面。

圖7 定位基站設(shè)置界面

根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場測試，得到20組UWB定位信息，計算的位置數(shù)據(jù)與實(shí)地測量的位置數(shù)據(jù)在X軸與Y軸的誤差，如圖8所示。

圖8 UWB定位誤差

采用均方根誤差進(jìn)行定位精度評估，對于X坐標(biāo)有

(15)

同理，對于Y坐標(biāo)有

(16)

對于二維定位精度有

(17)

由此可知，UWB定位模塊在X坐標(biāo)的最大定位誤差為0.12 m，最小誤差為0 m，均方根誤差約為0.057 m,在Y坐標(biāo)的最大定位誤差為0.12 m，最小誤差為0 m，均方根誤差約為0.061 m，二維均方根誤差約為0.091 m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，UWB定位模塊的定位精度較高，基本達(dá)到了預(yù)期，能夠在倉儲貨物定位等應(yīng)用中獲取準(zhǔn)確的物品位置信息，滿足光束指向?qū)τ诙ㄎ痪鹊男枨蟆?/p>

2.3 光束指向?qū)嶒?yàn)

獲取信標(biāo)的二維坐標(biāo)后，在上位機(jī)中通過光束指向算法將二維坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為光束燈控制數(shù)據(jù)，發(fā)送至STM32下位機(jī)來實(shí)現(xiàn)指向控制。以測量信標(biāo)點(diǎn)到光束邊緣的距離作為指向誤差值，當(dāng)光束與信標(biāo)點(diǎn)重合時，認(rèn)為誤差值為零。經(jīng)過多次測量，誤差如圖9所示。

圖9 光束燈指向誤差

同樣采用均方根誤差公式對指向精度進(jìn)行評估，可得

(18)

光束燈指向的最大誤差值為0.14 m，最小誤差值為0，均方根誤差值約為0.032 m。由于光束的光斑具有一定面積，對于定位誤差具有容錯度，在定位存在較小誤差時，依舊能準(zhǔn)確指向物品位置。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，指向模塊精度基本到達(dá)預(yù)期，在誤差為0.14 m時，也基本不會影響物品判別，能夠滿足取貨時的指向需求。

2.4 物品存放實(shí)驗(yàn)

MFC上位機(jī)中可實(shí)現(xiàn)對貨物的增、刪、改、查等功能，將信標(biāo)放在測量范圍內(nèi)某點(diǎn)來模擬物品存放的場景，在貨物管理界面選擇庫存添加，系統(tǒng)會將此時信標(biāo)坐標(biāo)與物品信息一同保存。當(dāng)需要提取貨物時，選擇需要提取的貨物，系統(tǒng)將會控制光束燈指向該位置。圖10為庫存添加界面。

圖10 庫存添加界面

傳統(tǒng)人工尋物通常通過特定標(biāo)注，如貨架編號來進(jìn)行查找，為驗(yàn)證光束指向?qū)ξ锲穼ふ倚实奶嵘?，將傳統(tǒng)尋物與光束指向?qū)ふ疫M(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，將定位區(qū)域劃分為10×10的方格，用貼紙對行、列編號進(jìn)行標(biāo)注，每個小方格模擬一個儲物柜。通過定位模塊采集每個儲物柜的位置坐標(biāo)，并保存為特定商品。分別采用光束燈與貨架編號2種指向方式尋找物品，統(tǒng)計從點(diǎn)擊“提取貨物”到信號抵達(dá)存儲物柜的時間。為保證數(shù)據(jù)可靠，先采用光束指向進(jìn)行隨機(jī)實(shí)驗(yàn)，避免因不熟悉環(huán)境而造成傳統(tǒng)尋物時間延長。圖11為儲物柜模擬結(jié)構(gòu)。

圖11 儲物柜模擬結(jié)構(gòu)

對采用傳統(tǒng)方式與光束指向方式尋找儲物柜的耗時分別進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果表明，傳統(tǒng)方式平均耗時約為5.98 s，28次尋物總耗時為161.34 s；而采用光束指向方式時，平均耗時約2.87 s，總耗時為77.5 s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光束指向?qū)の锵啾葌鹘y(tǒng)方式，耗時減少一半多，具備更高的尋找效率。圖12給出了2種方法的耗時統(tǒng)計結(jié)果。

圖12 尋物耗時統(tǒng)計

3 結(jié)束語

針對目前室內(nèi)倉儲等環(huán)境物品定位后，采用傳統(tǒng)人工通過貨架號指向方式尋物效率低的問題，提出了一種更加直觀和高效的光束指向解決方案?；赟DS-TWR測量方式的UWB定位技術(shù)獲取物品準(zhǔn)確位置，通過光束燈指向算法控制光束精確指向物品，可視化物品位置信息。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，系統(tǒng)定位精度在0.12 m以內(nèi)，指向精度在0.14 m以內(nèi)，滿足正常尋物的使用需要。與傳統(tǒng)特定標(biāo)記號指向相比，采用光束指向的定位系統(tǒng)可以減少大量人工尋物時間，提高尋找效率，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性?？紤]實(shí)驗(yàn)環(huán)境較為空曠，在布局復(fù)雜的倉儲環(huán)境中，可采用多燈放置在不同位置同時指向，避免環(huán)境障礙物遮擋光束。