【《基于UWB技术的智能定位小车系统设计》11000字】

基于UWB技术的智能定位小车系统设计内容摘要：近年来，超宽带（UWB）技术引起了无线领域的极大兴趣，它有着强大的通信和高精度测距能力。UWB信号的发射功率低，频率范围广，几乎不会干扰周围的窄带技术，且UWB淹没于噪声中，安全性高，使其成为与窄带RF技术共存的不错选择。这些特性使UWB迅速成为基于位置和短距离通信应用的首要室内定位技术之一。本文的主要工作和研究成果如下：本文首先概述了常用的无线定位技术，进行对比分析后选择基于超宽带（UWB）的无线定位技术；接着选择基于飞行时间的双向测距方法TW-TOF测距，用三边定位法进行智能小车的室内定位。设计并实现了一种基于UWB的室内移动车辆的定位系统，包括待测标签、基站、上位机软件及智能小车。通过上位机完成数据分析、定位信息解算等功能。最后经过测试验证了定位系统的精度和性能。相较于其他无线定位技术，定位精度更高，延迟更低，且不易受多路径和干扰影响，使用场景更加广泛。实验结果表明，定位精度达到了厘米级范围。关键词：超宽带（Ultra-Wideband，UWB）智能车辆定位精度目录第一章绪论 11.1研究背景及意义 11.2UWB技术的国内外研究现状 11.3论文的主要内容与安排 2第二章UWB的无线定位技术 32.1超宽带技术简介 32.1.1UWB定义 32.1.2UWB技术特点 32.2UWB与其他无线通信技术 42.3UWB技术的应用 5第三章UWB技术的测距定位算法 63.1UWB的测距原理 63.2三边定位算法 73.2.1算法原理介绍 73.2.2误差分析 8第四章基于UWB技术的智能小车硬件设计 94.1智能车辆硬件设计 94.1.1系统框架 94.1.2主控制器 94.1.3避障模块 104.1.4循迹模块 114.1.5电机驱动模块 124.2UWB定位系统平台设计 134.2.1系统框架 134.2.2主控制器设计 134.2.3信号传输模块 154.2.4串口模块 16第五章系统测试及实验结果分析 175.1上位机软件调试 175.2搭建试验环境 175.3试验方案设计 185.4试验结果及分析 18第六章总结与展望 206.1总结 206.2展望 20第一章绪论1.1研究背景及意义智能机器人在现代工业和生活中随处可见，如展厅语音交互机器人、特种作业机器人等。而在一些复杂的环境中，有较多的障碍物，行进路线比较窄，有多辆小车同时工作时，容易发生碰撞等意外事故，因此智能机器人作为智能化的体现，应该具备自主定位的能力。由于基于卫星的定位在建筑物内不能很好地工作，GPS和北斗卫星系统不适合在室内使用，基于位置的服务，需要一种技术方案，来精确地对人和物体进行室内定位。室内定位系统必须应对严重的多径情况。由于超宽带技术（UltraWide-Band，UWB）信号具备高数据传输速率，提供了良好的多径分辨率，较低的功耗且低廉的价格，并实现了精确定位，UWB受到了人们广泛的关注。UWB在3.1至10.6GHz的非常宽的频谱上以高带宽运行。它还消耗很少的功率，允许经济实惠且高效的硬件选项，例如带有纽扣电池的跟踪标签，可以运行多年而无需充电或更换。所以本文采用的是基于UWB的定位方法，可以精确地测量室内小车的实时位置。1.2UWB技术的国内外研究现状精确定位对于智能小车十分重要，因为它可以提供小车在空间中的位置，用于小车的导航或跟踪。因为UWB的众多优点，许多国内外研究学者正对其进行深入研究。PletsD和HanssensB提出了一种基于UWB信道探测的定位方法，该方法采用传播路径几何特征的三角测量法；同时，扩展了具有高分辨率的RiMAX算法，便于分析与UWB相关的频率传播参数；在视距和非视距场景中标签节点更容易定位。Djaja-JoskoV和KolakowskiM共同设计了一套协同UWB定位系统，该系统利用TDOA算法估算待测标签的坐标和待测标签与各基站之间的距离；此外，还设计了一种典型的协同系统传输方案，并采用扩展卡尔曼滤波算法。实验结果表明，该算法提高了定位系统的精度。WymeerschH和MüllerP分析并改进了通用高斯混合(GGM)滤波器。该方法比传统的一般模型需要更少的元件。该滤波器可用于UWB定位，因此针对非线性测距及在不确定测量的环境下，GGM滤波器在定位精度和一致性上要强于扩展卡尔曼滤波(EKF)。在测量通道的数量不多时，计算量也不会很高。工程应用中的自动导引车辆(AGV)定位方法往往缺乏灵活性，因此魏培和姜平等研发了一套UWB室内定位系统。通过使用基站测距，以多标签的调度方法，克服了标签冲突的问题。通过结合可信度概念，使用内三角形质心算法改善了三角形质心算法的定位精度和稳定性。实验结果表明，该系统的精度和实时性均获得提高。沈重和张桀改进TDOA算法，并结合卡尔曼滤波算法，提出了一种新的定位算法。为了使时钟同步更加方便，改进了TDOA算法，同时使用卡尔曼滤波消除了测量误差。实验结果证明，该方法提高了UWB的定位精度。高宪波和沈国清等在三维空间中使用了Chan-Taylor混合算法。以到达时间差和估计误差等作为条件进行模拟仿真，实验验证了Chan-Taylor联合算法能够应用于三维空间中。李鹏涛和王磊等人提出了一种基于全质心算法和Taylor级数的联合定位算法。首先利用全质心算法对测距数据进行分组计算，获得初始定位数据；然后用质心修正算法对初始定位数据进一步优化，最后把优化结果赋为初值，以Taylor级数作展开。实验表明，改进的联合定位算法的定位精度更高。1.3论文的主要内容与安排本文以当前室内定位精度低的问题，对定位方法展开研究，以提高室内智能车辆的定位精度。本文利用UWB技术设计了室内智能车辆的定位系统。本文各章节的内容安排如下：第一章为绪论。介绍了本文的研究背景及意义，阐述了UWB定位技术的国内外研究现状，最后介绍了本论文的主要工作内容。第二章分析了目前的UWB技术。首先给出了美国联邦通信委员会FCC关于UWB技术的概念定义，对UWB特点进行了说明；然后介绍了几种室内定位方法，并将其与UWB进行对比，列举了各技术的优缺点，说明UWB更适合应用于室内定位；最后列举了UWB技术的应用场所，进一步验证了UWB的优势。第三章介绍了UWB测距和定位的基本原理。本文采用双向飞行时间法TW-TOF进行测距。之后解释说明了所采用的三边定位算法，指出了该方法在标签数目大于三时，会有误差累积，可使用最小二乘法求解方程来减小误差带来的影响。最后对定位算法进行误差分析。第四章以前文为基础设计了基于UWB的智能定位小车。首先介绍智能小车的系统架构，并说明各部分组成功能及使用参数规格；其次介绍UWB定位系统的系统框架，说明各部分硬件组成功能及参数规格。第五章对所设计的UWB定位系统进行测试。首先介绍定位系统上位机软件设计，设计实验方案，然后搭建实验环境，通过多次测设验证了本文所设计的定位系统，符合设计预期，达到了厘米级室内定位的要求。第六章是总结与展望，分析总结了本文主要的研究内容及所设计定位系统的不足，提出了后续需要进一步提高的研究内容。

第二章UWB的无线定位技术UWB是一种用于无线通信的短距离RF技术，可用于数据高速传输和室内物体的定位与导航。它使用1GHz以上频率带宽进行通信，采用短纳秒窄脉冲传输信号，传输速率可以达到几百兆比特每秒。2.1超宽带技术简介2.1.1UWB定义UWB定位系统使用3.1至10.6GHz频段的脉冲无线电传输，提供7.5GHz的信号带宽。FCC对UWB技术的定义为：UWB信号在-10dB处的绝对带宽高于0.5GHz或相对带宽高于、等于其中心频率20%。相对带宽FBFB=fU−f公式(2.1)中，FB为相对带宽，fU为输出-10dB辐射点对应的最高频率点，fL代表输出-10dB辐射点对应的最低频率点，fFCC对室内外UWB的辐射功率限制如表2.1所示。表2.1FCC对室内外UWB的辐射功率限制频率（MHz）90~16101610~19901990~31003100~1060010600以上室内（EIRP/dBm）-75.3-53.3-51.3-41.3-51.3室外（EIRP/dBm）-75.3-63.3-61.3-41.3-61.32.1.2UWB技术特点与BLE，Wi-Fi这样的窄带通信技术相比，UWB有着厘米级的定位精度、传输速率高、低功耗、安全性高，抗干扰等众多优点。（1）系统结构简单UWB发送超窄短波脉冲信号来传输数据，不需要进行调制解调，不需要中频处理，因此成本低，系统结构简单。（2）定位精度高UWB的最高定位精度可达10cm甚至更小，可用于建筑物内精确定位。UWB不取决于信号强度，而是使用TOF（飞行时间），TWR（双向测距），TDOA（到达时间差），AOA（到达角）技术等来确定与其他设备的距离。通过多个UWB基站，UWB还可以测量信号到达的角度。角度与定位距离相结合，可以精确定位物体在空间中的位置。（3）传输速率高根据香农信道容量定理可得，信息的传输速率与带宽成正比，UWB的带宽达到千兆赫兹，所以其数据传输速率非常高。（4）发射功耗低UWB无线电具备1GHz以上的射频带宽。UWB使用间歇窄脉冲传输信号，所以发射时需要的平均功率很低，大约是蓝牙设备所需功率的1/20，较低的功耗能够延迟设备的工作时长。因此，UWB与无线通信技术相比，有着很大的优势。（5）安全性好因为UWB的频谱非常宽，通常情况下，UWB信号比噪声的功率谱密度更低，确保了信号不容易被检测出来，提高了通信的安全性。2.2UWB与其他无线通信技术与其他室内定位技术相比，UWB具有更优越的定位精度。其他标准通常使用接收信号强度指示器（RSSI）来确定位置，并且通常只能在仪表范围内的精度下执行此操作，例如BLE（<5米）和Wi-Fi（<10米）。一些UWB技术还可以使用到达角度来更精确地测量位置和测向，这需要具有多个天线的设备来测量输入信号的角度。下文介绍了几种常见的室内定位技术，并将它们与UWB技术比较。目前，常见的定位技术主要有：UWB、蓝牙、RFID、ZigBee、NFC、Wi-Fi等。（1）蓝牙蓝牙是一种无线个人局域网（WPAN）技术，用于电信设备在较小的距离上进行无线数据传输。它在2.4GHz到2.485GHz的短波UHF频段内运行，允许同时连接的最大设备数为7，蓝牙通信距离最远可达10米，每秒可以传输数兆字节的数据。 蓝牙设备的特点是相对较小且易与集成，因此推广普及十分方便。但是其缺点是通信距离有限，功耗高，稳定性较差，也容易受到噪声的影响。（2）ZigBeeZigBee是一套基于IEEE802.15.4的通信协议规范，支持网状低功耗无线个人局域网（WPAN），具有多拓扑结构，可实现点对点和多点对点设备间通信。主要用于近距离低速率通信的场景。ZigBee的主要特点是适用于不需要大量带宽的低功耗设备；使用网状网络，适用于设置智能家居和建筑物，具有可扩展的传输范围和更好的稳定性。但由于信道拥堵，ZigBee的信号容易受噪声影响；主要适用于低速数据传输，而且安全性较差。（3）WI-FIWi-Fi是一种无线网络协议，用于将计算机、移动设备和其他设备无线连接到互联网进行通信。这是一个行业术语，代表一种基于IEEE802.11网络标准的无线局域网（LAN）协议。Wi-Fi站通过发送数据包相互通信。数据块通过无线电单独发送和传递。与所有无线电一样，这是通过对载波进行调制和解调来完成的。Wi-Fi的优点是范围广泛，可以从Wi-FiAP（接入点）覆盖范围内的任何地方访问Wi-Fi网络，成本低廉，能够大规模部署。但很容易受到其他信号的干扰，从而影响精度，设备的功耗也较高，安全性差。（4）RFID射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）是一种使用无线电波被动识别标记对象的技术。该系统完全自动工作，用于货物，药品，车辆或生物等物体的非接触式通信，识别和定位。因此，RFID也属于关键字Auto-ID（自动识别和数据采集）。为了成功使用，需要发射器，接收器，能量和一定的距离。RFID电子标签的价格低廉，可以大规模部署。但RFID无法做到实时跟踪，要达到相同的定位精度时，RFID读写器的部署相对复杂，数量较多。表2.2给出了各个定位技术的比较。表2.2几种定位方法比较定位技术定位精度（米）优点缺点成本频段UWB0.1~0.5结构简单，功耗低，精度高，抗干扰能力强成本高高3.1~10.6GHz蓝牙3~5低功耗、易集成抗干扰性不强、传输距离有限高2.4~2.485GHzZigBee>5低功耗、低成本精度低、传输距离有限高2.4GHz（主流）、868MHz（欧）、915MHz（美）Wi-Fi<10覆盖范围广、速度快、安全性较差、功耗较高低2.4GHz、5GHzRFID3~5体积小、造价低作用范围有限，不具备通信能力，不易于整合低30KHz~300KHz3MHz~30MHz、433.92MHz2.45GHz、5.8GHz2.3UWB技术的应用相较于其他定位技术，UWB技术拥有很多优点。所以，UWB技术在各行各业均有应用，最典型的是在军用雷达和通信应用中，军用领域如军用通讯、雷达探测等；民用方面用于安检人员调度、消防救援和停车管理等。（1）军事方面军备竞争是推动技术发展的主要动力。UWB技术发明之初也是应用于军事领域。由于UWB信号的极宽频谱和非常低的功率谱密度，使得UWB信号安全性很高，不易被检测出来。UWB信号具有工作频率高和低占空比的特点，所以能有效抗多径干扰。因此，利用UWB技术设计的产品非常适合应用于军事方面。经过漫长的发展，UWB技术在雷达方面的应用的已经十分成熟。雷达、定位、通信三种功能相结合的产品已经可以利用UWB技术来实现，特别适合高检测分辨率雷达和设备便捷化的要求，易于安装在无人机和机动作战车辆上。（2）民用方面近年来，UWB技术在民用领域得到了飞速发展。UWB的精度使其成为一种有效的选择，特别是在需要高精度的高级室内定位用例中。在室内导航领域，通过由UWB定位精度提供支持的室内导航和寻路功能，让空间立即变得熟悉和探索。也可以用于人员的定位跟踪，在紧急情况和疏散中，利用低成本、低功耗标签和员工徽章，UWB精准定位能快速获得人员的精确位置。UWB的高精度定位使其成为资产跟踪的重要手段，许多行业可以利用UWB的准确性，快速性和可靠性来跟踪关键资产和设备的实时位置和状态，比如在企业中，通过UWB能清晰地了解大型企业园区和设施中的资源、资产和设备，提高生产力和资源。

第三章UWB技术的测距定位算法3.1UWB的测距原理本文采用双向时间飞行法测距法（TwoWay-TimeOfFlight，TW-TOF）测距，之后使用三边定位算法计算标签坐标。TW-TOF是通过测量信号从源（飞行时间传感器）传播到物体并返回所需的时间的测距方法，降低了对设备的要求，不用考虑时间同步所带来的误差影响。当一个设备靠近另一个设备时，两个设备将开始相互测距以确定它们的距离，即使它们在通信时也是如此。然后，将信号在它们之间传播所需的时间乘以光速，便能确定它们的相对位置，通常用于实现位置感知通信。测距步骤如图3.1所示。图3.1TW-TOF测距步骤TW-TOF的测距原理是标签在TSP向基站发送轮询信号（包括如响应请求等信息）。当基站接收到轮询信号后，基站保存此时的时间戳TRP，延时后在向标签发送回复信号且保存发送时间TSR。当标签受到回复信号后保存接受时间TRR，延时后在（1）标签信号的往返时间TTRT=TRR−（2）基站信号的往返时间TART=T之后再将以上所求得的四次飞行时间取平均值，就能得到单次飞行时间TOF。这样就解决了时间同步问题，标签和基站只需要使用它们自己的时钟。令TRSPTOF=TRR−T若TRSPTOF=TTRTTART−飞行距离S等于光速C乘以TOF。（C=300000km/s）3.2三边定位算法3.2.1算法原理介绍三边定位算法是一种基于TOA的算法，在给定三个圆的中心和半径的情况下确定三个圆的交点的方法。通过此方法至少要获得三个标签到基站的距离Ri。以基站A、B、C为圆心，以Ri为半径作圆，则三个圆的唯一交点即为标签的位置，通过设立方程组求解便能得到标签的实际坐标。定位原理如图3图3.2三边定位算法原理在二维平面坐标系下，基站以A、B、C表示，标签以D表示，利用TW-TOF测得的三个标签到基站的距离Ri，可得到标签的坐标D（x，y当标签的数目大于三个时，可利用最小二乘法求解方程组，以减小测量误差对定位结果的影响。设标签坐标分别为x1,y(3.3)式(3.3)中的第一个方程与其他方程相减，可得：(3.4)将式(3.4)进行矩阵变换，得：(3.5)再进行变换： AX=B(3.6)利用最小二乘法求解式(3.6)，可得到基站的位置为：x,y=ATA−1A3.2.2误差分析理想的三边定位算法所测出的Ri没有误差，这时可求得标签的唯一解（x，y（1）给定的距离由于测量的误差，以不同基站为中心绘制的圆弧或球面可能不交于一点。实际上，由于测距算法只能得到实际距离在一定误差范围内的结果，给定一个基站坐标，我们通常只能假设标签在以基站为中心的、具有一定宽度的圆环范围内。这样一来，如何设计坐标计算方法以最小化定位误差就成了实际系统部署时必须考虑的问题。（2）在实际环境中，基站的数量可能多于三个，当基站数量多于坐标维度时，如何选择最优基站也成为在定位时必须要解决的问题。在实现时，为了解决测距误差对定位的影响，我们通常采用最优化二乘法的方法求解目标标签的坐标。不妨假设已知的基站坐标为Paii=1,2,3…N，N为基站数量。待求解的标签坐标为Ri=||Pt同时已知测得的标签到各基站的距离Ri Pt=argminpi=1N Ri

第四章基于UWB技术的智能小车硬件设计4.1智能车辆硬件设计4.1.1系统框架本文研究基于UWB技术的智能定位小车，小车实物图如图4.1所示。图4.1智能小车实物图智能小车系统以STC89C52为主控芯片，利用I/O口控制电机驱动模块，通过达林顿管调速电路驱动电机实现小车前进转弯等功能，通过安装在车头的HC-SR04超声波测距模块实现小车的测距避障功能，使用TCRT5000红外光电传感器实现小车的循迹功能。智能小车系统框图如图4.2所示。电源模块电源模块图4.2智能小车系统框图4.1.2主控制器51系列单片机能实现本文所预期的定位目标，并且操作简单，快捷，易于上手。综合各因素考虑，本文智能小车控制系统的主控芯片选择51系列单片机的STC89C52。STC89C52单片机引脚图如图4.3所示。图4.3STC89C52单片机引脚图STC89C52芯片的特点如表4.1所示。表4.1STC89C52芯片特点8K字节闪存FLASH256字节随机存取存储器RAM2个数据指针3个16位定时器/计数器32位双向I/O端口线5个中断源，两级中断优先级看门狗定时器1个全双工异步串行口片内晶振以及时钟电路静态逻辑设计，工作范围：0～24MHz保护和掉电两种工作方式

宽温度范围，-40℃~85℃4.1.3避障模块本文避障模块选用HC-SR04。它是一种超声波传感器，主要用于确定与目标物体的距离。发送和接收波所需的时间取决于物体与传感器的距离。测量目标物体所需的距离不会造成任何损坏，能提供准确的测距。该传感器的检测范围为2cm至400cm，应用广泛，包括速度和方向测量、无线充电、医用超声设备、声纳和无损检测。由于发出信号和接收信号的功率较小，所以需要通过信号放大器提高发射功率，并将接受信号进行放大，以能更稳定地将信号传输给单片机。整体模块电路如图4.4所示。图4.4HC-SR04模块原理图表4.2显示了该超声波传感器的主要规格。表4.2HC-SR04传感器的主要规格参数规格主要部分发射器和接收器使用技术非接触式技术工作电压5V工作频率4MHz检测范围2cm~400cm测量角度30°分辨率3mm工作电流<15mA传感器尺寸45mm×20mm×15mm4.1.4循迹模块循迹模块采用红外检测的方法，本文选用TCRT5000红外光电传感器，原理图如图4.5所示。TCRT5000的封装中耦合了光电二极管和光电晶体管。光电二极管有两个引脚（阳极和阴极），可用于产生IR信号。同样，光电晶体管也有两个引脚（集电极和发射极），可用于读取反射回来的IR信号。该传感器可用于检测物体的存在或其前方的任何其他反射表面，并且通过一定程度的编程，它还可以计算出其前方物体的距离。但距离只能计算短距离物体，并且还受到环境干扰。此外，该传感器非常适合检测其前方物体的接近程度。它还可以很容易地区分黑色和白色，因此广泛用于循迹和迷宫解决机器人。图4.5TCRT5000红外光电传感器原理图表4.3显示了TCRT5000的主要规格。表4.3TCRT5000传感器的主要规格参数规格主要部分带晶体管输出的红外传感器工作电压5V二极管正向电流60mA输出模拟或数字数据晶体管集电极电流100mA（最大值）工作温度-25℃至+85℃4.1.5电机驱动模块电机驱动模块使用由达林顿管组成的H型桥式电路。H桥电路可以构建为分立元件或集成到集成电路中，通常用于逆变器（DC-AC转换）。H桥式电路原理图如图4.6所示，通过单片机控制开关的闭合与打开，现电机频繁的正反转控制，直流电源被逆变为一定频率或可变频率的交流电源，用来驱动交流电机（异步电机）等。图4.6H桥式电路原理图4.2UWB定位系统平台设计4.2.1系统框架UWB定位系统主要由标签节点和基站节点组成，标签安装在智能小车上，基站固定在确定位置上。本文采用UWBMini3sPlus模块进行设计UWB定位系统。模块采用STM32F103C8T6单片机为主控芯片。外围电路包括DW1000芯片、电源模块、LED指示模块、复位电路等。UWBMini3sPlus正面图如图4.7所示。图4.7UWBMini3sPlus正面图标签和基站的硬件结构一样，但分工不同，通过USB指令进行切换。系统框架图如图4.8所示。上位机上位机图4.8系统框架图4.2.2主控制器设计UWBMini3sPlus定位模块的主控制器采用STM32F103C8T6芯片，是基于ARMCortex-M3内核的32位RISC架构的微控制器，最高工作频率为72MHz，集成了128KB的程序存储器Flash和20KB的随机存取存储器SRAM，工作温度为-40℃~85℃。图4.9为STM32F103C8T6芯片引脚原理图，引脚配置如表4.4所示。图4.9STM32F103C8T6芯片引脚原理图表4.4STM32F103C8T6引脚配置类型引脚名称功能电源VCCGND1.工作输出电压3.3V~5V2.由USB或5V外部源引脚供电3.提供接地引脚模拟引脚PA0-PA7，PB0-PB12个12位ADC引脚I/O引脚PA0-PA15，PB0-PB15PC13-PC15、PD0-PD137个通用I/O引脚串行通信（UART）TX1，RX1，TX2，RX2，TX3，RX3RTS，CTSUSART引脚定时器TIM1、TIM2、TIM3、TIM4测量输入信号的脉冲长度产生输出波形等SPIMISO0，MOSI0，SCK0，MISO1，MOSI1，SCK1，CS02个串行通信引脚CANCAN0TX，CAN0RX控制器局域网总线引脚I²CSCL1，SCL2，SDA1，SD2内部集成电路串行数据和时钟引脚内置发光二极管LEDPC13用于指示的LEDSTM32芯片在获得供电的瞬间，若不先进行复位，其内部的FLASH、计数器等电路直接开始工作，可能会导致主控芯片不能正常工作。为了使其能正常工作，需要对其添加一个复位电路。7引脚NRST为复位引脚，复位电路如图4.10所示。图4.10复位电路原理图4.2.3信号传输模块信号传输模块所使用的芯片是DW1000。DW1000是一款超宽带无线收发器芯片，支持基于IEEE802.15.4标准的无线通信。高数据速率，低成本，低功耗，范围可达290米。它能够通过精确测量它们之间发送的无线数据包的飞行时间来测量两个DW1000节点之间的距离。 DW1000芯片参数规格如表4.5所示。表4.5DW1000参数规格工作电压：2.8V~3.6V符合IEEE802.15.4-2011UWB标准工作频段：3.5~6.5GHz支持双向TOF测距和TDOA定位调制方式：BPM/BPSK支持低功耗波特率：110Kbps，850Kbps，6.8Mbps支持最大封包长度1023字节发射功率：最大20dBm通讯距离：300米DWM1000芯片的原理图如图4.11所示。DWM1000中的3、4引脚为晶振引脚，能够将晶振与状态控制器连接，为DW1000提供稳定脉冲源。16、17引脚为射频接口，能够连接至板载天线。17~20引脚分别与STM32F103C8T6芯片中的14~17连接实现通信。3引脚为复位引脚，激活低电压输出，将DW1000恢复到初始态。引脚2为WAKEUP接口，能够唤醒DW1000，进入到工作状态。图4.11DW1000芯片引脚原理图4.2.4串口模块PC机通过串口连接进行设置节点以及获取定位信息，同时将程序烧录进STM32F103C8T6主控芯片。PC机与下位机的端口电平不一致，所以需要设置串口模块。串口模块采用MAX232芯片进行设计，电路原理图如图4.12所示。图4.12串口电路原理图TXD、RXD引脚分别与STM32F103C8T6芯片的30、31引脚连接通信。利用串口电路模块，实现STM32芯片电平与RS232的电平信号的转换。

第五章系统测试及实验结果分析5.1上位机软件调试本文上位机软件采用QT5.11.3MinGM开发。Qt是用于创建应用程序的跨平台框架。由QML语言，QTDeclarativeC++模块（将QML语言与C++对象集成在一起）和QtCreator工具（现在包括支持环境的扩展）组成。本上位机实现的主要功能如下表5.1所示：表5.1上位机软件主要功能与UWB模块的虚拟串口COMPort建立连接读取来自UWB基站节点的定位信息基站列表，可以设置基站的实际位置标签列表，可显示各基站距离标签的距离、以及标签的坐标地图显示，支持自定义导入地图PNG格式的地图，能实现坐标的缩小放大与微调其他参数设置图5.1为上位机软件界图面。界面主要分为四个区域，分别为基站坐标设置区、标签坐标显示区、标签轨迹实时显示区以及软件设置区。基站坐标设置区包含基站的ID及定位坐标；标签坐标显示区既可以显示标签的ID和定位坐标，也可以显示每个基站到标签之间的距离；标签轨迹显示区是根据标签固定安装的位置建立坐标系，实时显示出标签运动轨迹；软件设置区包含Config、Map和Grid三个表，用来对软件进行配置。图5.1上位机软件界面图5.2搭建试验环境为了进行测试UWB定位系统的性能指标，比如定位精度，定位误差等，需要搭建一个符合测试条件的环境。定位系统需要一部笔记本、一个标签节点、四个基站节点。此外，还需要四个移动电源为基站供电。实验环境如图5.2所示。图5.2测试环境5.3试验方案设计测试环境如上图5.2所示，在此测试环境中布置四个基站节点，并将标签节点固定在智能小车上。标签向基站发送UWB信号，当基站收到信号后利用TW-TOF测距法计算出与标签的实际距离，最后基站A0将这些距离数据通过USB虚拟串口发送给上位机，最后上位机利用三边定位算法算得标签的坐标位置，从而显示出标签的实时坐标及轨迹。具体试验步骤如下：（1）在试验场地中布置好小车所要循迹避障的路线；（2）安装基站，将四个基站的坐标分别设置为（0，0，3）、（5，0，3）、（0，5，3）、（5，5，3），并给基站进行供电；（3）打开上位机软件，根据设定条件设计基站坐标；（4）建立上位机与标签节点之间的通信，开始进行智能小车的循迹避障实验，重复五次实验并保存试验结果。5.4试验结果及分析智能小车动态定位测试结果如图5.3所示，图中曲线表示小车循迹路线