基于UWB定位技術(shù)的多功能移動(dòng)智能體的開發(fā)與應(yīng)用

廖倩倩 鄭臣志 黎思瑞 陳靜 郭育杉

【摘? 要】針對(duì)傳統(tǒng)室內(nèi)定位技術(shù)精度較低的情況，本文設(shè)計(jì)了基于UWB定位技術(shù)的多功能移動(dòng)智能體系統(tǒng)。選用STM32作為控制核心，基于DW1000的UWB定位模塊作為信號(hào)的發(fā)生器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于超寬帶（UWB）定位技術(shù)的移動(dòng)智能車能夠運(yùn)行穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)定位功能，并在多基站系統(tǒng)下，能夠達(dá)到了更好的定位精度設(shè)計(jì)要求。

【關(guān)鍵詞】超寬帶（Ultra-wideband）定位系統(tǒng);STM32;移動(dòng)智能體

引言

超寬帶（Ultra-wideband， UWB）是一種發(fā)射納秒級(jí)窄脈沖的無線載波通信技術(shù)。它具有系統(tǒng)復(fù)雜度低，發(fā)射信號(hào)功率譜密度低，截獲能力低，抗干擾能力強(qiáng)，定位精度高等特點(diǎn)，更適用于室內(nèi)和地下等密集多徑場(chǎng)所的高速無線接入任務(wù)場(chǎng)景。

當(dāng)今基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和移動(dòng)通信網(wǎng)基站室外定位技術(shù)已日趨完善、統(tǒng)一。而對(duì)于室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，則出現(xiàn)多元化室內(nèi)定位方案，且目前這些室內(nèi)定位技術(shù)都存在一定局限，尚無一種較為普適性技術(shù)滿足各種場(chǎng)景需求。如藍(lán)牙技術(shù)穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號(hào)干擾也比較大;紅外線定位技術(shù)則容易受到室內(nèi)墻體或物體的阻隔;WiFi技術(shù)則只可以覆蓋半徑90米左右的區(qū)域，而且很容易受到其他信號(hào)的干擾。而UWB技術(shù)，它在室內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)精確的定位，以及對(duì)墻體穿透影響減少，是目前適合室內(nèi)定位的一種優(yōu)勢(shì)技術(shù)。

隨著智能時(shí)代的到來，人們愈發(fā)需要智能衍生產(chǎn)品以滿足生產(chǎn)，生活需求。尤其需要能滿足特定場(chǎng)景任務(wù)的移動(dòng)智能體。鑒于UWB技術(shù)相對(duì)于其他傳統(tǒng)室內(nèi)定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將UWB技術(shù)與移動(dòng)智能體相結(jié)合將成為新的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)可以用于工業(yè)生產(chǎn)、倉儲(chǔ)物流、體育運(yùn)動(dòng)等場(chǎng)景?；赨WB室內(nèi)定位技術(shù)的移動(dòng)智能體可以應(yīng)用于送餐服務(wù)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)送餐機(jī)器人的室內(nèi)精確定位與遠(yuǎn)程觀察與控制，查看實(shí)時(shí)位置狀態(tài)與控制機(jī)器人行動(dòng)。因此，將UWB定位技術(shù)用于實(shí)際生活，已經(jīng)成為一種不可或缺的趨勢(shì)。本文以載有UWB定位模塊的移動(dòng)智能車為載體，探討在不同數(shù)目的定位基站下，對(duì)移動(dòng)智能車定位導(dǎo)航的精度的影響。

1.UWB的定位原理

對(duì)室內(nèi)定位系統(tǒng)中待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行位置估計(jì)，先將定位標(biāo)簽附著在待測(cè)目標(biāo)上，待測(cè)目標(biāo)的估計(jì)位置坐標(biāo)主要由兩個(gè)步驟構(gòu)成，首先采用合適的方法測(cè)量待測(cè)目標(biāo)到定位基站的距離信息，獲得距離信息可以通過信號(hào)飛行時(shí)間（Time Of Flight，TOF）獲得信號(hào)強(qiáng)度信息，然后將距離信息代入具體的定位算法進(jìn)行計(jì)算，得出待測(cè)目標(biāo)的估計(jì)位置坐標(biāo)。

TOF節(jié)點(diǎn)A發(fā)出測(cè)距信息，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，經(jīng)過時(shí)間后節(jié)點(diǎn)B收到信息，由于A，B時(shí)鐘不同步，B無法確認(rèn)。節(jié)點(diǎn)B收到信息后立即啟動(dòng)計(jì)時(shí)，若收到的是奔放測(cè)距命令后，則向節(jié)點(diǎn)A發(fā)出應(yīng)答信息（其中包括B節(jié)點(diǎn)處理時(shí)間設(shè)為），節(jié)點(diǎn)A在時(shí)間后收到來自B的應(yīng)答信息后終止本輪及時(shí)。一輪測(cè)距往返時(shí)間設(shè)為

對(duì)于節(jié)點(diǎn)B來說，是可測(cè)常量，因此有單次單向飛行時(shí)間為

但是，傳統(tǒng)的TOF算法有一個(gè)比較嚴(yán)格的約束條件，即發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備必須始終同步，這是一個(gè)比較棘手的問題。而雙邊雙向測(cè)距（Double-sided Two-way Ranging）算法巧妙的避開了這個(gè)問題，它不僅利用了TOF測(cè)距的優(yōu)良特點(diǎn)，而且規(guī)避了TOF的同步的強(qiáng)約束問題，從而推動(dòng)了TOF的實(shí)用化進(jìn)程。

為了避免雙方式方法中A，B晶體頻率引起的計(jì)時(shí)誤差，引入雙邊雙程（Symmetric Double-Sided Two-Way Ranging， SDS-TWR）算法。如圖2-1所示，可以看出飛行次數(shù)為四次，AB分別測(cè)距一次。Ta1，Tb1分別為A，B所計(jì)時(shí)的一輪測(cè)距所用往返時(shí)間。Ta1，Tb2分別為A，B處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，得到的單次單向飛行時(shí)間為

2.多功能移動(dòng)智能體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1多功能移動(dòng)智能體總體功能的系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)硬件可以分為3部分：UWB定位模塊、主控板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。UWB定位模塊通過單獨(dú)的電源供電，使用無線傳輸信號(hào)，其中基站通過串口線連接到主控板的UWB接口上，即可以通過串口將距離數(shù)據(jù)發(fā)送到主控板中，以便主控板進(jìn)行解析。主控板上主要有STM32最小系統(tǒng)、穩(wěn)壓電路、驅(qū)動(dòng)隔離接口電路、超聲波接口電路、OLED接口電路、以及LED和按鍵6個(gè)部分。主控板以STM32為控制核心，通過各個(gè)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的控制和驅(qū)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)板也分為主控制器電路、穩(wěn)壓電路、電流采樣電路、功率驅(qū)動(dòng)電路4個(gè)部分。系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。

2.2 UWB模塊

UWB模塊是由主控為STM32F103的芯片和DWM 1000模塊所組成。STM32F103芯片使用高性能的32位RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM），豐富的I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。主要實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信、運(yùn)動(dòng)控制指令的執(zhí)行、電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制等功能。

DWM1000模塊實(shí)現(xiàn)基站與標(biāo)簽之間的無線通信，完成TOF原理的定位操作。DWM1000模塊向另一塊DWM1000模塊發(fā)送UWB信號(hào)，后者將計(jì)算接收到的UWB信號(hào)的時(shí)間以飛行時(shí)間來確定兩者之間的距離，可通過飛行時(shí)間的長(zhǎng)短確定距離的遠(yuǎn)近。

DWM1000板上的DW1000芯片是基于CMOS的低功耗無線收發(fā)集成電路。DW1000可通過提供收發(fā)時(shí)的數(shù)據(jù)幀紀(jì)錄時(shí)間戳，計(jì)算兩節(jié)點(diǎn)間的距離公式：

進(jìn)行兩點(diǎn)間測(cè)距。同時(shí)，得到數(shù)據(jù)幀收發(fā)時(shí)間戳，還必須提供足夠高的時(shí)鐘精度，由于1ns的時(shí)間電磁波就傳輸了30cm，通過鎖相環(huán)（Phase-Locked Loops，PLL）使得時(shí)鐘達(dá)到了64G頻率，使得DW1000具備了超高精度的時(shí)間戳。此外，實(shí)現(xiàn)定位功能則需要一個(gè)終端分別和多個(gè)基站通信，分別得到終端與各個(gè)基站的距離。從而得到了終端在此定位系統(tǒng)中的位置。

2.3避障模塊

本設(shè)計(jì)采用超聲波傳感器HC-SR04實(shí)現(xiàn)避障，最大射程為4m，最小射程為2cm，測(cè)距精度可達(dá)3mm。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播時(shí)，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。聲波在空氣中的傳播速度為，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離：

通過超聲波傳感器不斷發(fā)射和接收，小車做出相應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)作即可實(shí)現(xiàn)避障。

2.4移動(dòng)智能體的運(yùn)動(dòng)模塊

該模塊為載有含增量式霍爾編碼器的電機(jī)。該編碼器中心含有光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，通過光電發(fā)射和接收器件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，獲得四組正弦波信號(hào)組合成A、B、C、D，每個(gè)正弦波相差90度相位差（相當(dāng)于一個(gè)周波周期），將反向的C、D信號(hào)，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào);另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行于的房間內(nèi)，以房間橫向方向設(shè)為X軸，縱向方向設(shè)為Y軸，移動(dòng)智能小車攜帶一塊UWB定位標(biāo)簽。移動(dòng)智能小車如圖3-1所示。

分別在房間角落處安置UWB定位基站。通過定位基站對(duì)定位標(biāo)簽測(cè)距即可計(jì)算出坐標(biāo)，通過記錄預(yù)設(shè)定的自定軌跡與小車跟隨軌跡的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，來估測(cè)移動(dòng)體的定位精度情況，采用均方根誤差（Root mean square error， RMSE）

其中，表示在采樣點(diǎn)處的移動(dòng)小車的跟隨軌跡點(diǎn)坐標(biāo)，表示在采樣點(diǎn)處的移動(dòng)小車的自定義軌跡點(diǎn)坐標(biāo)，為實(shí)驗(yàn)采樣點(diǎn)坐標(biāo)的個(gè)數(shù)。

自定軌跡采用正常步速運(yùn)動(dòng)。單基站定位跟隨系統(tǒng)其運(yùn)動(dòng)路徑與單基站定位跟隨小車運(yùn)動(dòng)路徑如圖3-2所示。通過測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，X軸的平均誤差為50.83mm，Y軸的平均誤差為46.60mm，其RMSE均方根誤差為55.74mm。

雙基站定位跟隨系統(tǒng)其運(yùn)動(dòng)路徑與雙基站定位跟隨小車運(yùn)動(dòng)路徑如圖3-3所示。通過測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，X軸的平均誤差為46.73mm，Y軸的平均誤差為42.34mm，其RMSE均方根誤差為49.70mm。

三基站定位跟隨系統(tǒng)其運(yùn)動(dòng)路徑與三基站定位跟隨小車運(yùn)動(dòng)路徑如圖3-4所示。通過測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，X軸的平均誤差為46.68mm，Y軸的平均誤差為39.26mm，其RMSE均方根誤差為46.28mm。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三定位基站系統(tǒng)下，移動(dòng)智能小車的定位軌跡精度的均方根誤差，小于單定位和雙定位的基站系統(tǒng)。同時(shí)表明，隨著定位基站的數(shù)目和安置基站的位置的合理布局，可提高移動(dòng)小車的定位精準(zhǔn)度。

4.結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于UWB技術(shù)的多功能移動(dòng)智能體，主要分析UWB系統(tǒng)的定位原理及方法，并且以STM32和DWM1000模塊為主體進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)和相應(yīng)的軟件執(zhí)行程序。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本系統(tǒng)能夠在既定環(huán)境內(nèi)完成準(zhǔn)確定位。隨著小車定位基站的布局不斷優(yōu)化，可以提高移動(dòng)智能體的定位效果，減少定位誤差。

參考文獻(xiàn)

[1]張媛，繆相林，王梅，丁凰.UWB測(cè)距室內(nèi)定位算法誤差分析[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2020，8（06）：132-136.

[2]吳鵬，于世東.基于UWB室內(nèi)送餐機(jī)器人定位信息系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2021，30（01）：101-105.

[3]陶偲. 基于UWB的室內(nèi)SDS-TWR測(cè)距算法優(yōu)化和定位算法融合的研究[D].華中師范大學(xué)，2016.

[4]曹江浩，譚曉東，陳樂鵬.基于UWB技術(shù)的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人跟隨系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2021（04）：106-108.

[5]李龍委. 基于UWB定位技術(shù)的導(dǎo)購(gòu)機(jī)器人研究[D].蘇州大學(xué)，2018.

[6]劉關(guān)迪，趙璐.基于UWB技術(shù)的室內(nèi)智能跟隨系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2020，37（12）：95-100.

[7]王文博，黃璞，楊章靜.基于超寬帶、里程計(jì)、RGB-D融合的室內(nèi)定位方法[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2020，47（S2）：334-338.

基金項(xiàng)目：西北民族大學(xué)國(guó)家級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練資助項(xiàng)目 （202010742064）。

作者簡(jiǎn)介：廖倩倩，女，漢族，湖南衡陽人，學(xué)生，本科，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)工程。

鄭臣志，男，漢族，湖北荊門人，學(xué)生，本科，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)工程。

黎思瑞，男，土家族，湖南張家界人，學(xué)生，本科，研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ獭?/p>

陳靜，女，漢族，湖北仙桃人，學(xué)生，本科，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)工程。

郭育杉，女，漢族，遼寧大連人，學(xué)生，本科，研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ獭?/p>

西北民族大學(xué)? ? 甘肅蘭州? ? 730000