基于UWB的人员跟踪定位系统的设计

• 155
•
针对舞台追光灯控制领域，传统的方法是靠工作人员人为控制灯光的方式完成灯光对主持人的跟踪，效率低下，人工成本高，提出一种基于UWB 的人员跟踪定位算法。

首先，采用基于UWB 技术建立通讯主站和基站；其次，通过改进TOA 测距算法实现精准测距；最后，通过改进三边定位算法实现三维空间定位。

实验结果表明：基于UWB 的人员跟踪定位算法，在舞台主持人跟踪定位效果较好，精度高，并且可以同时实现对多个主持人在三维空间的定位跟踪，可以大大降低人工成本。

定位系统的研究和应用是一个综合性的研究课题，GPS （Glob-al Positioning System ）系统解决方案主要针对室外定位，技术已较为成熟，可以很好地满足室外定位的需求。

但随着社会对目标的检测、定位跟踪的要求与日俱增，尤其是在复杂的室内环境中，GPS 的定位信号强度和精度大幅度下降，难以满足用户的需求。

因此，短距离无线通信技术逐渐成为了热门的应用领域，基于RFID 、蓝牙4.0、WIFI 、ZigBee 等室内定位技术得到了快速的发展。

但是上述的技术普遍存在定位距离小，信号容易衰减等问题。

基于超宽带技术（Ultra Wide Band ，UWB ）是一种全新的具有很大发展前景的无线电通信技术，被认为是未来最具发展的通信技术之一。

UWB 具有极大的带宽，能实现短距离、高速率的数据传输，同时还具备较高的时间分辨率和较强的抗多径衰落能力，在仓库物料定位、人员定
位、室内导航购物等领域的高精度定位应用中前景广大。

图1 系统总体框架图
1 系统总体设计方案
1.1 系统总体框架
基于UWB 的人员跟踪定位系统由3个基站、1个可移动站、无
线通讯模块以及上位机系统等组成。

基站作为被测距模块，可移动站控制基站的测距请求，基站与可移动站之间是基于UWB （IEEE802.15.4）协议组成的无线传感器网络。

系统总体框架如图1所示。

1.2 硬件系统组成
系统硬件主要是基站、可移动站和无线通讯模块的硬件构成。

基站和可移动站均采用STM32芯片作为MCU ，其中基站控制系统的硬件电路主要包括电源模块、STM32主控最小系统和DWM1000模块，可移动站则在此基础上增加外设模块，主要串口转换模块、EEPROM 存储模块、蓝牙或WIFI 无线通讯模块等。

其中，DWM1000是一个完全兼容IEEE802.15.4-2011协议的集成单片超宽带（UWB ）收发器，其通信速率高达6.8Mbps 。

通过双向测距或到达时间差算法，可以实现高达cm 精度的实时定位。

2 定位算法的实现
基于UWB 的定位方法一般包括基于接收信号强度（RSS ）、基于角度到达（AOA ）和基于到达时间（TOA/TDOA ）等方法。

基于这几种定位算法的特点以及本系统的自身情况，本系统的定位算法设计采用了TOA 算法，并对其进行优化。

基于到达时间（TOA ）的测距技术，主要是通过计算无线电波在两个站点之间的传播时间，再根据无线电波在空气中的传播速度计算得出两个站点之间的距离。

所以，无线信号传播时间的精准测量是测距的重要环节。

目前较为广泛采用的TOA 测距技术有：单程测距，双程测距，非对称双边双向测距、对称双边双向测距。

2.1 TOA测距算法
TOA 测距的方式有很多种，其中SDS-TWR 算法是非对称双边双向测距算法经过优化后得到的，可以很好消除设置的时延导致的误差。

优化算法示意图如图2
所示。

图2 优化算法示意图
基于UWB的人员跟踪定位系统的设计
广东省机械技师学院 张志山
• 156
•
其中，TOF 为DeviceA 和DeviceB 之间的信号传播时间，T replyA
为DeviceA 接收到DeviceB 信号后等待时间，T replyB 为DeviceB 接收到DeviceA 信号后等待时间。

经过优化后的算法，两次的信号往返时延分别为：
(1)
(2)
(3)
(4)
则两节点间距离为：
(5)
其中，D 为两点间测距距离，C 为光速。

2.2 定位算法
根据上述测距算法，可以实时得到基站与可移动站之间的距离，再根据三边定位等算法，计算出可移动站的具体坐标。

在算法实现之前，首先构建了一个具体定位场景，如图3所示。

图3是基于三维的直角坐标系，A 、B 、C 分别代表三个基站的坐标位置，D 点是可移动站的坐标。

根据上述定位算法，可以得知A 、B 、C 三个基站分别到可移动站D 点的距离，距离分别为d 1，d 2，d 3。

之后再根据定位算法，计算得出可移动站D 点的实时位置坐标。

通过任意方程与最后一个方程相减，并用矩阵形式来表示，可得： AX=B
(7)
则其解为：
(8)
（2）三边定位法的改进：
如果A 、B 、C 、D 四个点不在同一水平面上时，则各个点需要用三维坐标表示。

此时，假设A 、B 、C 三个基站，其坐标为(x 1, y 1, z 1)，(x 2, y 2, z 2)，(x 2, y 2, z 2)，它们与移动站D (x , y , z )的间隔距离分别为d 1，d 2，d 3。

此时的移动站D (x , y , z )是三维空间中三个球体的交点，我们可以有如下的方程组：
(9)
求解方程组，可得到0个解，1个解，或2个解（需舍弃1
个解）。

图3 基于UWB的人员跟踪定位系统场景构建图
（1）三边定位法：
根据三边定位法，当A 、B 、C 、D 四个点均在同一水平面上时，则各个点可用二维坐标来表示。

此时，我们可以用三边定位法计算出唯一的交点作为可移动站的实时位置。

最小二乘法作为最常用的定位算法被广泛的应用在无线定位系统中。

假设有n 个基站，坐标为：(x 1, y 1)，(x 2, y 2)，...，(x n , y n )，并记各基站与移动站(x d , y d )的距离为：d 1，d 2，...，d n 。

根据距离计算公式，可以得到以下方程组：
(6)
3 实验及其结果分析
本实验是以Cortex-M4+UWB 网络站组成的硬件平台作为控制器，并将算法实现在该硬件平台上。

首先，进行主站与多个基站的测距，得到主站到各个基站的距离，然后通过改进后的定位算法计算得到主站的实时位置，最后将位置数据通过wifi 通讯方式反馈给上位机。

本实验通过对TOA 测距算法的改进，两个基站点对点的测距精度可到10cm 范围以内，并且测距距离超过100m ；通过对三边定位算法的改进，可由原来的二维平面定位升级为三维立体定位，并且三维
立体定位精度在0.5m 范围内。

4 结论
本论文主要是针靠工作人员人为控制灯光的传统方法实现对主持人的跟踪，存在效率低下、人工成本高等问题，研究了一种基于UWB 的人员跟踪定位算法。

该算法提高了控制系统的计算精度，解决了三维立体定位的难点以及室内定位距离不够等问题。