【《基于UWB的室内定位系统设计》7600字（论文）】

基于UWB的室内定位系统设计摘要近些年，无线传感网络和移动通信行业百花齐放，呈现欣欣向荣之态，并不断被运用，目前人类在户外拥有北斗卫星，GPS等卫星定位，在室外环境下取得不错的反馈。但是室外卫星定位系统在室内条件下存在局限性。为了更好的完善定位系统，应当研发出一整套的定位体系来完善我们的生活。笔者综合现有的室内定位技术进行分析研究，并亲身使用三基站一标签的二维定位法，使用DWM1000模块和STM32电路进行模拟实验，本实验采用TOA定位方法，并配合双边双向测距测距方法，在qt平台下实现上位机的展示，在后台使用keil5进行代码的烧录，测量了不同位置标签的定位情况。经测量，在合适的位置下，本次实验的测距精度和定位精度都小于10厘米，符合官方标准。关键词：UWB无线通信;二维室内定位;实时定位系统;DWM1000;TOA1绪论卫星定位的范围较为广泛，有着我们常知的GPS和中国的北斗卫星，但在室内的条件下，卫星的定位的测量并不准确，所以在室内环境下，我们应当选择一种除了卫星定位的其他合适算法。在实验中，必须通过无线通讯、基站定位、惯导定位、动作捕捉等多种技术来确定一个物体所在的位置。其中比较常见的室内定位方法有蓝牙定位、WiFi定位、ZigBee定位、射频识别定位、红外线定位、超声波定位、超宽带定位等REF_Ref7147\w\h[1]。1.1研究背景近些年来，UWB技术蓬勃发展，并成为通信技术发展的重要因素。我国在2001年＂863＂计划中启动了高速UWB实验演示系统研发项目REF_Ref27832\w\h[2]。虽然开展时间较晚，但随着中国科技的进步，政府投入大量的人力，物力，资金，电子通信技术也迎来了发展的高峰时期。超宽带无线发展背景下，宽频在短波中得到了一定应用。短波是通信和宽带高频雷达的关键内容之一REF_Ref27738\w\h[3]。宽波有着比短波更宽泛的应用空间，也有着更快的传输速度，适用条件也更为广泛。1.2研究内容UWB定位一般采用基于距离的定位算法REF_Ref28195\w\h[4]。本文将UWB室内定位系统作为研究对象，模拟还原定位系统所在的场景，选择出最优方法，进行实物的模拟，进行多次试验取数据并参数分析与运算，并且将定位标签放在不同的的位置，例如靠近基站，远离基站等一系列实验后，得出数据，根据每组实验的内容和预期目标对比所测出距离与实际情况的误差，最后采取最小二乘法等相关数学方法进行相似度检验若误差在合理范围输出数据，反之检查试验设备及相关软件，最终实现室内定位，并得出结论。1.3研究方法(1)文献研究法通过论文题目《基于UWB的室内定位系统》，选择相关期刊文献进行精读，确定论文研究方向、整体思路、框架体系，进而更深层次的分类整理归纳。(2)实验法STM32主控芯片、DWM1000模块是本次实验的重要的硬件组成部分，结合其他相关硬件组装成一个可以实现定位功能的系统，通过研究标签与基站的距离最终完成定位，通过控制变量等方法使结果更加真实。(3)模拟法本文侧重研究定位系统中的一种方法，并根据环境的特征以及功能，通过物理模拟法组装一个小型电路系统，对室内环境进行模拟以及实践，最终获得结论。1.4研究意义——选择UWB定位系统作为实验对象的原因相较于室外定位，室内定位有着更多的不确定因素，墙壁和柜子等都有可能导致各种信号的反射，并且复杂的环境可能导致型号的缺失或者削弱。我们不难发现，在室内环境下卫星定位的效果不太精确，所以我们应该研制出多种方法的室内定位，来应对各种各样的场景，并辅助卫星定位，形成一套完整的定位系统，使我们的生活更加的有保障和便捷。随着无人化餐厅的普及，送餐机器人通过定位桌台来确保送餐的快速和准确；在发生灾难时，营救人员可以以最快的速度定位出伤员的具体位置，并完成救援；在超市的建造上，消费者可以通过定位快速找出商品所在的位置。2关于UWB2.1发展历程超宽带无线通信技术最早是由美国国防部提出的REF_Ref7314\w\h[5]，2002年2月美国联邦通信委员会通过了超宽带技术在民用领域应用的初步规范，同年4月，又公布了超宽带信号的两种定义：相对带宽不小于20%或者绝对带宽不小于500MHz的信号REF_Ref7353\w\h[6]，同时规定了超宽带信号的EIRP不能干扰现有的通信系统即不能超过-43.1dB/MHzREF_Ref7385\w\h[7]。2.2定义超宽带技术有着宽幅的频谱范围，属于无线载波通讯技术的一种，其纳秒级的非正弦波窄脉冲可以进行数据的传输保障了他传输的特点，使得这种技术被很好的利用。fh-fl/fc图1:UWB功率图2.3UWB通讯技术的优势(1)传输速率快。超宽带信号有着超高的传输速度得益于他的超宽带，与其他无线技术分享频带。香农公式Ｃ＝B*log2（1+S/N）可得。(2)多径分辨能力强，测距准确。对信号的直达分量和多径分量有着很好的区分，定位准确，窄脉冲序列进行传递。(3)成本低，功耗小。超宽带系统有着很低的占空因数，并且可以通过数字电路实现，因为他通过间隙的脉冲来传送数据，使得成本进一步的降低。(4)结构简单。载波的频率与功率会在一定范围内发生着变化REF_Ref7441\w\h[8]，而超宽带信号不使用载波，方便分析。表1：通信技术比较2.4硬件模块简介2.4.1DWM1000模块介绍DWM1000模块由DW1000芯片和其他相关功能部件组成的定位模块。DW1000芯片符合IEEE802.15.4-2011UWB标准REF_Ref9851\w\h[9]，由一个模拟前端和和一个数字后端组成REF_Ref15278\w\h[10],在UWB物理层面上，该芯片可以独自完成发送和接收超宽带信号，且适用于TOA和TDOA。并且在应用层可以随时调用底层功能接口，满足相关功能。因为这些接口，开发人员的工作量大大减少，DW1000中的收发实现原理和其他重要信息就显得不那么重要了。编写SPI硬件接口的程序是开发试验中的唯一操作，最后应用层通过上层结构读取我们的操作调用设备来完成我们的测距请求。2.4.2硬件部分展示本设计采用成品硬件，硬件部分和串口线连接如下图2：DMW模块图3实验原理3.1基于到达时间的方法3.1.1原理距离的测量是TOA算法定位的核心，计算出距离后，在二维平面内通过三个圆可以得到一个唯一的交点，来具体定位目标的位置。yX图3：TOA原理图设随机标签的坐标为（x，y）三个基站A,B,C的坐标为（xi，yi）在t时刻标签同时向基站发送信号，基站A,B,C分别在t1，t2，t3,时刻收到信号，c(t1-t)=c(t2-t)=c(t3-t)=通过三个方程在不考虑误差的情况下可以来解出一个唯一解（x，y），在现实的测量中，此方法可能会收到其他因素的影响，形成误差。从代数角度来看，不能保证每一个基站到标签的距离准确，从几何意义上来看，如果任何一个基站测量有偏差，都有可能形成不了三个圆汇聚一点的情况，可能有多个两圆交点的点，就存在多个不正确解，对实验的准确有着较大的偶然性，所以怎样减小误差，使得测距更加准确，是本实验的主要研究所在，使用有误差数据进行定位，定位系统的定位精度就会下降REF_Ref15588\w\h[11]。3.1.2三边定位法顾名思义，通过基站与标签的传输时间测得距离，以基站A为例，以基站A为圆心半径为d1画一个圆，以此类推其他两个基站分别以d2、d3为半径所画圆，圆的交点，就是标签所在的点，此方法较为简单，通过解三个方程即可，其交点为定位的点，且上面已经阐述，这里不再过多介绍，本实验从简单易懂的角度出发，选择此方法作为使用方法。3.1.3内三角形质心定位法此方法在三边定位法的基础上进行改造，如果实验测得的距离有误差，导致三圆的交点不存在，从而形成两圆的交点，在圆内部取三个两圆交点的点，假设某个特征点为待测标签的真实位置，计算剩下的特征点可信度算子K，通过加权平均公式计算这些特征点的等效位置;根据上述方法三个特征点可以计算得到三个等效特征点，以等效特征点为三角形的质心即为标签的坐标REF_Ref15458\w\h[12]。3.2基于到达时间差的方法3.2.1定义由于难以测量传输的精准时间，为了获得准确的定位，相关专家提出了基于到达时间差的方法，TDOA定位方法也可以称为双曲线定位法REF_Ref15713\w\h[13],与基于到达时间的方法类似，此方法用于测量标签发送的信号到每一个标签的时间差，通过计算得到距离差，进行方程的求解。从几何角度看，两个不同方程对应的曲线交点就是所需定位的点。y.DA..B.CX图4：TDOA原理图以二维平面为例，取三基站一标签二维定位法，在t时刻，标签向三个基站A、B、C（xi，yi）分别发送信号，到达时间标记为ti，取A、B基站为例,随机地点为D，|BD-CD|=|t1-t2|*c,不难发现基站到标签距离差的绝对值为一个确定的数，因此这类点的轨迹组成了双曲线图，其中基站到标签的距离的绝对值为此条双曲线的焦距。-=|c（t1-t2）|-=|c（t2-t3）|-=|c（t1-t3）|以上可以看出，第三个方程对于实验的解未有影响，可以舍去，在不考虑误差的情况下可以来解出一个唯一解（x，y），此方法有着较高的稳定性，该方法可能在特定的环境下失效，TDOA对于时钟要求不大，只要求每个基站时钟同步即可。3.2.2最小二乘法它通过最小化误差的平方和来寻找数据的最佳函数匹配REF_Ref15660\w\h[14]，称为最小二乘法，在一元函数中，只要求得平方和，求斜率即可，在多元变量中，样本矩阵记为C，实际值为向量Y,可得矩阵表示CB=Y，由于化简较为复杂，这里直接给出结论B=(CTC)-1CTY3.2.3Fang算法和chan算法由于双曲线方程求解难度大，Fang算法和chan算法被提出用于辅助求解，fang算法通过求解x，y的线性关系最后带入总方程；chan算法由于在本次实验三基站的场景运用中效果不佳，它更加适用四个基站的情景。3.3两种方法的比较从原理上来看，TOA算法是通过得出距离，再通过三圆的交点得出，而TDOA则需要求解双曲线的交点，而且TOA需要通过多次信号的收发来减小测距的误差，而TOA只需要通过两次信号的发送获得距离差而得到，所以TDOA的复杂程度要远大于TOA，从精度角度看，TDOA的精度要高于TOA得益于其对于时钟同步要求不高，TDOA仅要满足基站间的同步即可，而TOA则必须要系统之间每个部分的同步，并且人为调整时钟的难度较大，所以综合研究成本、复杂程度和适用性等最终考量，此实验选择基于到达时间为最终方法。3.4基于到达时间的方法——双向测距法双向测距方法的中心要点是通过两节点间多次信息交互取得信号传播时间，就可以得到距离。可以异步实现决定了这种方法的广泛应用，一般依据不同的条件限制，选择测距方法根据所需要的精度和自身情况来定。3.4.1单边双向测距单边双向测距通过一组数据的应答就可以完成，以一组标签和基站的测距作为说明，具体方法时为，在时间Ta，标签向基站发送请求数据“消息1”，基站收到请求数据“消息1”得到接收时间Tb。基站处理信号一段时间后，在Tc时刻，基站传输应答数据“消息2”，其中包含基站的回应时间treply=Tc-Tb。标签接收到应答数据“消息2”，记录接收时间T4，之后计算标签接收数据和发送数据时间差tround=Td-Ta.,经过以上步骤，我们可以得到信号传播时间TOF=（Tb-Ta+Td-Tc）/2化简得到TOF=(tround-treply)/2，通过分析公式我们可以得到减小误差须满足以下两个条件：基站收到数据之后要尽快回应；尽量缩小系统之间的时钟差。treply基站TbTc消息1消息2标签TaTdTround图5：TDOA原理图3.4.2双边双向测距理论上，需要两组数据的发送与接收来完成，但事实证明，我们可以通过三次数据的发送与接收来达到双边双向测距的目的。取一组标签和基站的测距为例，其实现步骤为：在时间Ta，标签向基站发送请求数据“消息A”。基站收到请求数据“消息A”，记录接收数据的时间Tb。基站处理信号一段时间后，在Tc时刻发送应答数据“消息B”，标签将接收到应答数据“消息B”，得到时间Td。最后，标签在T5时刻发送结束数据“消息C”REF_Ref14726\w\h[15]。基站接收结束数据“消息C”,得到接收时间T6，可以测得四组时间差treply1=Tc-Tb，,tround2=Tf-Tc，tround1=Td-Ta.，和treply2=Te-Tb。可以得到信号传播时间TOF1=(tround1-treply1)/2,TOF2=(tround2-treply2)/2,且两次传播时间相等，化简得到Tbtreply1Tctround2 Tf基站消息A消息B消息C标签 Tatround1Tdtreply2Te图6：双边双向测距原理4上位机部分4.1平台及语言介绍本实验keil5来实现后台部分，通过qt平台来编写上位机，完成图形界面的演示，以及将下位机传送的数据进行解析，定位，使用c语言来编写。在前端界面实现位置监控，设备管理等人机交互，在后端界面进行数据解析，定位解算等功能。此设计可用于三维定位，但是结合多方面因素，本次实验最终选择以二维平面定位的方式进行演示。图7：未通电的页面展示图8：通电时的页面展示0,1，2分别代表三个基站，其他另一个代表标签。图9：上位机目录图4.2流程图4.3关键代码演示此步骤在上位机连接各种各样的信号于相应的位置三边定位部分的代码展示5实验的测试以及结果5.1实验准备在实验一开始，将三个基站的位置按照要求手动摆放好，等腰三角形的形状方便测量，并通过卷尺分别测量0号基站到1号和2好基站之间的距离，转换成为坐标，并填入左上角的距离区域，为了方便计算，我们选取0号基站为坐标原点，由于是二维定位，基站3则不用勾选，而z轴则选取同一高度即可，并将0号基站连接串口线插入实验机USB，通上电源，并在随机位置摆上标签，点击连接，进行多次位置的更改，纪录多组实验数据，并进行数据分析与精度测量，右上角可以显示标签得具体坐标（以0号基站为原点的坐标轴），左上角分别显示标签到三个基站的距离。由于数据的位置不停的跳动，所以在页面的右侧可以获得20个点的位置轨迹，随着新点的产生，旧点会渐渐消失，理论上选择重合部分最多的位置作为最终位置。5.2实验环境介绍图10：实验环境本次实验环境为室内，选取0号基站为坐标原点，1号基站坐标为（1.5,0），2号基站坐标为（0.75,2.4）,输入电脑内，标签位置随机，各自通入电源。串口线白色连接TX端口，黑色连接GND端口于0号基站，另一端连接电脑USB。5.3标签到基站的距离为了保证实验的精确性，所以我通过双边双向测距法来测得距离。距离的测量对于定位实验是否有影响是本次实验的必要问题，所以我们先测量距离的实际值和测量值得差异，我们分别对0,1,2号基站进行测量，每10厘米为一个测量单元多次测量，待数据稳定时，记录距离，我们分别对0号，1号，2号基站进行了6组的实验，最终进行分析，得出结论。（由于电脑端坐标为米，这里使用厘米，方便观察，下面同样使用厘米，不再阐述原因）对0号基站：理论值/（单位：cm）102030405060测量值81426375062误差-2-6-4-302对1号基站：理论值/（单位：cm）102030405060测量值71325384863误差-3-7-5-2-23对2号基站：理论值/（单位：cm）102030405060测量值71328364763误差-3-7-2-4-33通过我们以上测得的18组数据，可以看出在一定程度上，基站和标签距离20厘米时，误差和实际值差距最大，当基站与标签位置呈20厘米时，应当看情况舍弃数值，多次测量，并且移动基站，从10厘米到20厘米，误差不断变大，当实际值超过20厘米在60厘米以下时误差会随着距离的增大而不断变小，再以上，没有固定规律，所以我们在实际的测量中，为了确保结果的准确性，基站与标签保持适当距离是测量结果准确的关键。在实验的最后，我选择了一种极端环境作为测试，将基站和标签靠近时，距离会显示超过30米，分别对三个基站测试，结果相同，在实际测量中，尽量不使用该位置。5.4位置选择造成的影响在上一小结的测量中，得到了当基站，标签靠近20厘米处时，误差最大，那么这样的情况是否对于标签的定位同样适用。5.4.1靠近其中一个基站分别测量0,1,2号基站的周边位置，每一组采取3组实验结果其中一组距离基站为20厘米，一组为15厘米，最后一组不定。由于电脑端数字经常进行跳动，除去极端不合理的值，选择中间值作为记录的数值。对0号基站：理论坐标/（单位：cm）（0,15.0）（12.0,0）(20.0,0)测量坐标/（单位：cm）(4.8,5.0)（7.0,-9.0）(10.1,3.1)误差/（单位：cm）11.09210.29610.374对1号基站：理论坐标/（单位：cm）(135.0,0）（150.0，10.0）（150.0，20.0）测量坐标/（单位：cm）（128.4,2.0）(137.5,3.1)(154.7,16.4)误差/（单位：cm）6.89614.2785.920对2号基站：理论坐标/（单位：cm）(60.0,240.0)(84.0,240.0)(75.0,220.0)测量坐标/（单位：cm）(64.4,248.5)(97.0,240.0)(70.2,225.4)误差/（单位：cm）9.57113.07.225经测量的三组数据中，不难发现距离误差最大的是20厘米，反而在几组实验中所得的误差最小，但是他在测距的误差最大，也许实验的结果具有偶然性，可以得出测距的精度并不等于定位的精度，影响定位的可能有外界的影响，内部算法的精度等问题，从整体上看，基站周围定位的准确度较为合理，所以测距时应当原理基站的条件在测距中不并不适用。5.4.2处于边线位置上为了完善验证位置对于实验精度的影响，紧接着测量出标签在两基站连线上，由于不好确定0号到2号，1号到2号之间斜线位置的坐标，于是在0号基站和1号基站连线上随机选取三组位置作为研究对象。理论坐标/（单位：cm）（72,0）（24,0）（120,0）测量坐标/（单位：cm）（68.5,-11.8）（38.4，-11.9）（133.1，4）误差/（单位：cm）12.30818.68013.697经测量，基本每组的误差都大于10厘米,因此在此条件下的测量也是不准确的。5.4.3处于随机位置在上一小节中，测得在基站周围的定位情况，得出数据，并比对标签的定位情况并和测距的误差进行了对比，官方对于TOA算法的测量精度的误差10厘米左右。环境因素，定位代码误差，测距误差和硬件等问题共同影响着定位的精确度，在这一小节中，此系统定位精度的问题将被着重研究，最终选取了8组数据作为本次实验的研究目标。组别实际坐标/（单位：cm）测量坐标/（单位：cm）误差/（单位：cm）1(75,200)(79.2,208.3)9.3022(75,150)(78.5,150.5)3.5363(75,100)(83.3,90.2)12.8434(75,50)(82.1,49)7.175(60,70)(72,69.2)12.0276(60,100)(68.4,97.9)8.8547(60,150)(68.4,152.3)8.7098(120,90)(125.4,92.1)5.794测得实际距离，并计算得到欧式距离作为定位的误差值，观察误差值发现，有两个数据超过了官方所给的定位精度，但是整体的精度保持在10厘米左右。不难发现，几组位置进行比对，中部位置的误差要明显小于