UWB超宽带无线定位系统研究与设计

2020年第08期
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UWB 超宽带无线定位系统研究与设计
陶　凯
华北电力大学，北京 102206
摘要：文章以高精度定位需求为出发点，结合泛在电力物联网建设思想，采用 DecaWave 公司的 DW1000作为UWB（ Ultra -Wide Band，超宽带） 无线收发器，ST 公司的 STM32单片机作为定位系统的核心控制器，设计了UWB 定位系统基站标签一体化的硬件平台。

该平台可应用于电厂连续堆取料的斗轮机等高效装卸机械作业中，实现电厂堆取料作业的自动化。

在软件算法实现上，采用双向测距的机制准确估计基站（anchor）与标签（tag）之间的距离，通过下位机的硬件模块将测距信息发送给上位机进行处理。

上位机软件根据飞行时间（TOA -Time of Flight）定位算法计算标签与基站的距离，利用多个距离数据可计算出目标标签在三维空间中的坐标值。

此外，在坐标运算过程中采用改进的泰勒算法进行误差消除，从而完成高精度室内定位系统的设计与实现。

关键词：无线定位；UWB；飞行时间；定位系统；双向测距中图分类号：TN925.93
0 引言
在巨大的市场需求的驱动作用下，建立室内实时定位系统（Real Time Location Systems，RTLS）
［1］
成为目前研究的焦点。

在定位系统的研究与设计中，UWB（Ultra -wideband，超宽带）技术已经在无线通信领域应用得极为广泛［2］。

相比于其他的传统无线信号，超宽带技术信号拥有更大的带宽，其频率范围在3.1 GHz~10.6 GHz ［3］。

同时，超宽带技术信号具有非常低的功率谱密度、高的时间分辨率［4］和良好的抗多径能力［5］。

因此，采用 UWB 技术的室内定位系统具有很高的实用价值。

在UWB 定位系统中，无线收发数据的芯片主要使用的是来自著名公司DecaWave 的产品——DW1000（超宽带无线收发芯片），该芯片根据基站与标签之间无线信号在空气中传播的时间（即飞行时间）来计算出该组物体之间的间隔距离，使用的测距算法为双边双向测距算法（dual -Sided Two -wayrange，DS -TWR）。

同时，在根据距离计算标签坐标的上位机软件设计中，采用泰勒级数展开算法进行误差控制，最终实现高精度的室内定位系统的设计。

1 系统整体架构及定位原理
1.1 系统整体架构
在超宽带室内定位系统中，主要由定位基站、定位标签和上位机软件三部分组成。

工作状态中的标
签节点会接收到同处于工作状态中的基站节点的数据帧，在数据帧的定义格式中读取基站节点的时间戳以及该基站的唯一ID，并发送给单片机封装的上位机，得到标签节点相应的坐标值。

1.2 定位方法
本次研究使用了TOF（Time of Flight）——一种基于测量信号飞行时间的定位算法。

该定位算法要求标签节点与附近各基站进行双向的通信。

信号的往返延迟，可以通过固定时间数据信息帧的交换来测量，以获得信号的单向飞行时间，利用光速乘以单向的飞行时间便可得到两者之间的距离。

在三维的空间中，以基站所在位置为球心，以基站到目标标签的距离为半径，建立球体模型，标签必定位于该球体的球面位置上，在三维空间中计算球面的交点，至少四个non-coplanar 基站就可计算得到。

基于测量信号飞行时间定位原理如图1所示。

图1　TOF 定位原理图
d 4
BS 4（x 4，y 4，z 4）
BS 3（x 3，y 3，z 3）
BS 1（x 1，y 1，z 1）
BS 2（x 2，y 2，z 2）
d 2
d 1
d 3
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假定定位基站个数为M，标签节点的估计位置（x ，y ，z ），其是由中心位于BS 1、BS 2、BS 3，…，BS M ，半径为d 1、d 2、d 3，…，d M 的M（M ≥4）个球面的交点所决定的。

可以建以下方程组：
（x 1-x
）2+（y 1-y ）2+（z 1-z ）2=d 1（x 2-x ）2+（y 2-y ）2+（z 2-z ）2=d 2
…
（x M -x ）2+（y M -y ）2+（z M -z ）2=d M
上述公式为标签节点在三维空间中的定位坐标
计算公式。

在实际应用中，由于空间环境的复杂性，各球体之间并不会理想地相交于一点，而是在一个空间范围之中。

2 定位基站标签硬件设计
其DW1000 是 DecaWave 设计的一款基于 UWB 技术的商用无线收发芯片，它在高衰落环境下仍能实现可靠通信。

核心控制模块使用ARM 架构（内核单片机STM32），STM32单片机通过SPI 通信接口连接DW1000无线收发芯片，将各节点的测距信息发送到上位机并进行计算。

硬件实物图如图2所示。

way Ranging SS -TWR）虽然可以消除各个节点间不完全同步的状态，但是却不能够消除晶体振荡器时钟漂移的不良影响，所以测量距离的误差会随着测距范围的扩大而增加。

本次研究设计的无线定位系统采用了双边双向测距（Double -sided Two -way Ranging DS -TWR）算法。

与SS -TWR 相比较，它可以将晶体时钟漂移造成的误差降到最小，并且基站和标签对测距信息的响应不必同时进行，这给定位系统的软件设计带来了很大的灵活性。

图3展示了DS -TWR 算法的实现过程。

图2　硬件实物图
3 定位软件设计
3.1 测距算法分析
成功精确地测量距离，误差控制在理想范围内，是实现高精度无线定位系统设计的首要保证。

超宽带定位系统最简单的测距方法是单向测距（One -Way Ranging，OWR），单边双向测距（Single -sided Two -
图3　算法实现图
TX T 2
T 1
T 4
T 5
T 6
T round1
T reply1
T round2
T reply2
T PROP
T PROP
T PROP RX
RX
RX
TX
Time
Time
TX
Device B
Device A
Timestamp T 3
3.2 上位机软件设计
上位机的最主要作用是接收来自定位标签发送的测距数据帧，数据帧中包含了基站与标签的距离信息，然后利用TOF（Time of Flight）算法计算出标签的实际坐标、所在位置。

上位机软件设计使用了泰勒展开算法，在利用基站与标签的距离值计算标签坐标时，泰勒展开算法可得到接近实际值的坐标估计。

最后，上位机将估算的坐标显示在室内定位图界面上，并根据标签位置的变化实时更新坐标。

4 系统测试结果
测试环境选在了华北电力大学主楼西广场和主楼E 座实验室工作区域。

前者可测距离长，基本没
有电磁和非视距传输干扰；后者可测距离短，电磁和非视距传输干扰严重。

选择这两个不同的测试环境，相互比较得出的测试结果具有一定的实际意义，系统测试图如图4所示。

现场测试方案：采用6个基站以及1个标签，首先对这个标签的位置进行测试，并通过上位机实时显示采集测试结果。

基站分别配置在房间的四个角落，两条边的中位线上再放置另外两个基站，广场的布置
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与室内相同，基站高度配置与标签高度配置不尽相同，形成在Z 轴上的高度差，最低的基站为0.42 m，最高的基站为1.54 m，标签为1.13 m，都采用三脚架支撑，保持稳定，移动标签节点的定位测试在相同的环境下进行，测试按照一定的轨迹以正常步行速度运动。

从静止节点测试结果上看，系统在复杂的室内环境下和相距较远的室外情境下都有很高的精度，在视距传播情况下，测试的平均误差不超过10 cm，在非视距情况下的平均误差也不超过15 cm，移动定位平均误差不超过 30 cm。

具体测试结果如图5所示。

图
4　测试现场图
5 结语
本文设计了一种用于室内定位的超宽带定位系统，同时进行了静止节点和移动节点的两种情况的测试，实验结果表明超宽带定位系统具有较高的定位精度，能满足大多数室内定位的需求。

参考文献
［1］张忠娟.基于 UWB 的室内定位技术研究［D ］.天津：天津大学，
2012.［2］朱永龙.基于 UWB 的室内定位算法研究与应用［D ］.济南：
山东大学，2014.
［3］董家志.基于 UWB 的室内定位与跟踪算法研［D ］.成都：
电子科技大学，2015.［4］Yao L ，Wu Y W A ，Yao L ，et al. An integrated IMU and 
UWB sensor based indoor positioning system ［C ］// 2017 International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation （IPIN ）. IEEE，2017:1-8.［5］Hammer F，Yudanto Ｒ，Kai N，et al. Performance 
Evaluation of 3D -Position Estimation Systems ［J］.IEEE Sensors Jour nal，2016，16（16）:6416-6424.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
测试组数
室内NLOS 测试误差
室内LOS 测试误差
图5　误差比较图
25
2015
10
5
测试误差/c m。