基于无载波脉冲UWB通信的室内高精度定位系统
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作者:王建威 房兴刚 石统照
【摘 要】超宽带（UWB）定位技术凭借其穿透力强、功耗低等优点成为现今室内定位中最具发展前景的技术。论文基于超宽带（UWB）技术的原理与优缺点对其进行优化，设计了硬件系统和软件系统，即一种在室内没有障碍物的情况下定位精度小于10cm的无线定位系统。
【Abstract】Ultra wide band （UWB） positioning technology has become the most promising indoor positioning technology due to its strong penetration， low power consumption and other advantages. The paper optimizes ultra wide band （UWB） technology based on its principle， advantages and disadvantages， this paper designs the hardware system and software system， that is， a wireless positioning system with positioning accuracy less than 10 cm when there are no obstructions in doors.
【关键词】室内定位技术;超宽带（UWB）技术;无线通信技术;高精度定位
【Keywords】indoor positioning technology; ultra wide band （UWB） technology; wireless communication technology; high precision positioning
【中图分类号】P228.4;TN925 【文獻标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）10-0178-02
1 引言
随着移动设备和大型娱乐场所的增加，室内定位系统和导航成为刚需，在复杂的室内环境中这一需求特别明显，时刻需要了解用户、移动设备、各类器材和一些特殊物品在复杂的室内环境中的具体位置。
新型无线网络技术不断发展，各种技术都存在着自己的优缺点，所以应取其精华去其糟粕，打造稳定性能强、适应性良好、精度高的短距离室内定位系统。
2 UWB技术概述
UWB技术从20世纪就已经开始存在，它的发展备受瞩目，开始仅限用于军事领域，并不能完全应用于日常生活，这也限制了它的发展。随着科技的不断创新，UWB技术也开辟了新的道路，获得了民用产业应用的许可，在利益的推动下，该技术迅猛发展。随着社会不断地发展，我国的移动设备与大型商场日益激增，其定位与导航有了巨大的需求量，更因为该技术拥有发射功率低、穿透性强、安全系数高及不敏感于信道衰落的特点，在复杂的短距离传播室内场所可以得到广泛的应用。
3 定位系统整体设计方案
3.1 无线定位技术
最初的无线定位系统主要是针对室外环境所开发的，随着科技的发展，物联网技术的兴起，移动端设备数量急剧增加，这种情况下无线定位技术才逐渐应用于室内定位，其原理为：通过已知的数据信息经过算法分析与计算，测出其所需要的移动端的位置信息，从而达到无线定位。而且还可利用IR-UWB技术和多频带复用技术方案：使用多频带技术和正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）结合的实现方案。综合多种方案进行分析实验最后得出结果。
3.2 系统整体设计
定位系统主要由几部分组成：基站节点、标签节点和上位机。定位系统的硬件层由基站的节点和标签节点组成，基站A1与A2所在直线与A2和A3所在的直线相互垂直，构成一个笛卡尔坐标系，经过优化的卡尔曼滤波实现定位算法，最后得出标签节点的坐标。之后标签节点与硬件设备之间通过无线通信交换数据，通过延时计算得出信号飞行时间，通过网关传输给计算机中的上位机。
3.3 系统功能模块选择
定位系统的电路设计包含所有必需的电路，在本设计中只采用必要的模块（见图1）。
其中，系统包括STM32F411主控中心、DWM1000模块、控制器运行电路、电源模块等模块。
4 软件设计
4.1 MCU软件设计
本室内定位系统MCU软件开发环境采用由ST公司免费提供的跨平台单片机开发软件atolloc TrusStudio。该款软件是由ST公司开发的，对STM32单片机客户提供免费使用的嵌入式集成开发环境。
MCU程序的运行流程包含如下几步：MCU的系统寄存器复位、配置程序预设的主频等参数、初始化使用到的外设接口、配置SPI与USART接口的工作方式、中断事件处理等，还需要对预先设置的外部的UWB芯片、数据指示模块等外部器件进行初始化，并按设计需求对定位芯片内部寄存器进行合理的配置，使其运行在适当的模式中。当定位基站中的UWB模块收到来自其他节点传送的通信请求，MCU通过程序预设指令判断收发数据包是否合法，是来自哪一个节点并判断目的，并返回相应数据包。接下来主程序将请求内容执行后的结果进行处理，通过预置算法测算出时间差等参数，并将结果数据打包成合法数据包传送回去。为了使测量出来的结果更加精确，程序在计算结果的过程中进行了适当的数据拟合，并通过实验结果对拟合参数进行了合理的修正。 4.2 定位算法
系统使用改进优化后的定位算法，MCU会持续对测算的结果进行矫正，用矫正的基站标签节点的测量结果预测目标的位置。结合优化后的TODA算法，将其与卡尔曼滤波算法合理地结合后可以计算出良好的定位坐标，采用此算法可以快速地预测出标签节点的具体坐标，最终实现理想的定位效果。
4.3 上位机设计
定位系统的上位机软件开发中，我们使用Python中的一个图形界面库编写。PyQt5提供了一种特殊的安全类型来替代传统的回调方式，该类型为信号槽方式，这一特殊功能大大提高了UI界面中各個组件之间的协调性，使图形界面的布局开发过程简单明了。系统稳定运行时，PC端接收并解析来自标签的数据包，将解析出来的基础数据分配给2D绘图线程。上位机程序与MCU程序可相互配合，可以在线修改MCU程序内置的固定参数，也可通过有线的方式对基站与标签实现在线固件升级等操作。
5 测试与误差分析
5.1 误差曲线拟合与补偿
在进行实验测试的过程中，发现在通信过程中偶尔会出现几个测量数据差距较大的情况，使实际的定位结果产生较大误差。为了减小类似的误差，对模块进行再次校准，对定位算法优化，之后对实验数据进行拟合。结果如图2所示。
5.2 测试结果分析
在实验室内搭建完成定位实验的环境，通过多次的实验所得到的数据对实验结果进行分析，再将定位算法、滤波算法中的具体参数进行了多次调整并优化控制器的程序，最终成功使定位系统稳定高效地运转，测距定位效果与抗干扰能力都达到预期的精度。
6 结论
本文设计的系统针对的是目前复杂的室内环境，而传统定位系统具有不易携带、设备成本高、体积大、定位精度较低等方面的问题，本文设计的定位系统可以有效解决以上问题。
取得的主要研究成果如下：①本文分析了多种定位算法的优劣，在传统定位算法基础上进行了适当的优化，并对优化后的算法在MATLAB中进行了模拟测试，采用卡尔曼滤波对传输数据进行处理，同时，提高了系统定位精度。②定位系统的硬件核心是DWM1000模块，辅以STM32F411控制器对定位数据进行处理。采用PyQt5开发定位监控软件，通过WiFi与定位目标进行数据交互，同步标签节点进行位置监测。③在实验室内模拟了实际环境，对移动目标进行了定位和追踪，发现该定位系统运行状态优良，出错率较低，并且定位精度达到了10cm。
【参考文献】
【1】赵红梅.超宽带室内定位系统应用技术[M].北京：电子工业出版社，2017.
【2】余艳伟，徐鹏飞.近距离无线通信技术研究[J].河南机电高等专科学校学报，2012，20（3）：18-20.
【3】张和平.浅析短距离无线通信技术[J].信息时代，2012（2）：53-54.
【4】张凡，陈典铖，杨杰.室内定位技术及系统比较研究[J].广东通信技术，2012（11）：73-79.
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