許 萬，涂 拓，胡天宇，胡新宇

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

室內(nèi)無線定位技術(shù)主要有WIFI、ZigBee、藍(lán)牙[1]、射頻識別(Radio Frequency Identification)、超聲波、超寬帶(Ultra-wideband，WB)等技術(shù)[2]。其中：WiFi技術(shù)[3]信號實時性差，定位精度不高，抗干擾能力不強(qiáng)，周邊的其他信號容易對其造成干擾；Zigbee技術(shù)[4]定位精度不高，一般在5 m左右，數(shù)據(jù)堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重，對于系統(tǒng)正常運行影響大；射頻識別技術(shù)[5]抗干擾能力差，設(shè)施設(shè)備施工難度較大，維護(hù)成本高，系統(tǒng)不穩(wěn)定；超聲波技術(shù)[6]采用的是反射式測距，信號衰減嚴(yán)重，以致嚴(yán)重影響定位的范圍；UWB技術(shù)[7]通過在很寬的頻譜范圍上傳輸一連串極窄且能量很低的脈沖信號，實現(xiàn)低功耗信號傳輸，其產(chǎn)生的干擾較小，而且可檢測的概率很低，具有極強(qiáng)的抗多徑衰落能力[8-9]，有利于在室內(nèi)復(fù)雜多徑環(huán)境中進(jìn)行實時定位和動態(tài)數(shù)據(jù)收集，是目前室內(nèi)定位的研究熱點[10]。UWB技術(shù)多種定位方式，如利用信號接收器到周圍信號發(fā)射器的信號強(qiáng)度來判斷標(biāo)簽的位置[11]，和采用信號到達(dá)時間來確定目標(biāo)節(jié)點位置坐標(biāo)[12]，但這些方式均存在定位精度較低的問題。因此，本文針對室內(nèi)復(fù)雜的定位環(huán)境，基于三邊定位算法的相交質(zhì)心定位算法建立UWB室內(nèi)無線定位系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計及定位原理

1.1 整體系統(tǒng)設(shè)計

UWB無線定位系統(tǒng)分為三個部分：定位基站、定位標(biāo)簽和上位機(jī)軟件。定位系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 UWB無線定位系統(tǒng)

圖1中，基站和標(biāo)簽的硬件部分為一體化硬件板，通過使用撥碼開關(guān)的方式實現(xiàn)基站和標(biāo)簽?zāi)K之間的切換。主基站將帶有時間戳和幀序號等信息數(shù)據(jù)包發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)軟件接收數(shù)據(jù)包，通過解析接收到的信息進(jìn)行算法處理，得到基站和標(biāo)簽的位置坐標(biāo)，并將基站和標(biāo)簽坐標(biāo)可視化顯示出來。

1.2 定位原理

信號達(dá)到時間 (TOA)定位算法是一種基于信號達(dá)到時間的測量距離的定位方式，具有實現(xiàn)簡單、定位精度高而且不需要基站與標(biāo)簽之間時鐘嚴(yán)格同步等特點，是通過測得信號在標(biāo)簽與基站之間的飛行時間得到標(biāo)簽與基站之間的距離(圖2)。

圖2 三邊測量定位方法

圖2中，A0(x0，y0)，A1(x1，y1)，A2(x2，y2)分別為3個基站的坐標(biāo)位置，T(x，y)是標(biāo)簽的坐標(biāo)位置，R0，R1，R2分別為標(biāo)簽T到3個基站的距離。以A0，A1，A2為圓心，以R0，R1，R2為半徑值作圓，理想狀態(tài)下以A0，A1，A2為圓心的圓會相交于一點，這個點的坐標(biāo)即標(biāo)簽位置坐標(biāo)。根據(jù)圓的相交關(guān)系，建立非線性方程：

式中，x0，x1，x2，y0，y1，y2，R0，R1，R2，都是已知值，僅有x，y是未知值，因此，可使用最小二乘法對標(biāo)簽位置T(x，y)進(jìn)行求解。

首先假設(shè)有n個基站，基站的坐標(biāo)為(xi,yi) (i=1，2，…，n)，標(biāo)簽坐標(biāo)為(x,y)，各基站與標(biāo)簽的測距值為Ri(i=1，2，…，n)。依據(jù)三邊測量定位算法對于標(biāo)簽位置進(jìn)行求解，建立方程：

將所有方程與最后一個方程相減，得到一個新的方程組：

AX=b

其中：

引入測距誤差N，可得

AX+N=b

式中，N表示n-1維隨機(jī)誤差向量。

使用最小二乘法估計式：

XLS=(ATA)-1ATb

在實際的定位過程中，考慮到環(huán)境噪聲、人工測量等因素引起的測距誤差，有必要將每個基站的測量值指定一個權(quán)值，以此來提高定位的準(zhǔn)確性。引入一個加權(quán)矩陣

可以得到加權(quán)后的最小二乘估計式：

XLS=(ATWA)-1ATWb

當(dāng)測距誤差與測量距離之比符合獨立分布的高斯隨機(jī)變量條件(即W=R-1)時，XWLS的均方差誤差值最小，其中R表示測距誤差的方差矩陣。

上文使用三邊測量定位均假設(shè)在理想狀態(tài)，此時以基站A0，A1，A2為圓心，以R0，R1，R2為半徑值作的圓交于一點，在實際測量的情況下存在多徑效應(yīng)以及非視距等，往往會使測量的距離值比實際距離值要大，此時以A0，A1，A2為圓心，以R0，R1，R2為半徑值作的圓并不會恰好相交于一個點，而是會交于一個區(qū)域(圖3)。

圖3 三圓相交情況

為了讓測量標(biāo)簽位置坐標(biāo)與實際的標(biāo)簽位置更加接近，使用基于三邊測量定位的加權(quán)相交質(zhì)心定位算法，即由3個基站為圓心，以3個基站到標(biāo)簽的距離為半徑值作的圓相交區(qū)域的質(zhì)心位置坐標(biāo)，就是標(biāo)簽的位置坐標(biāo)。

根據(jù)3個圓相交情況，對于圖3中F點可得

同理，通過解方程組，可以解出另外兩個相交點D，E的坐標(biāo)。

在幾何學(xué)中，多邊形頂點位置坐標(biāo)的平均值被視為質(zhì)心的位置坐標(biāo)。前文分別以3個基站為圓心，以基站到標(biāo)簽的距離為半徑值作的圓，相交于3個點。以這3個點作為三角形的3個頂點，將三角形的質(zhì)心坐標(biāo)作為標(biāo)簽的位置估計值，則標(biāo)簽坐標(biāo)(x,y)可表示為：

基站距離標(biāo)簽的位置越遠(yuǎn)，其測距誤差會越大，對標(biāo)簽坐標(biāo)的精度會有較大的影響，也就是說，距離標(biāo)簽越近的基站，其測量值應(yīng)在計算(x,y)時占據(jù)更大的權(quán)重，從而進(jìn)一步提高質(zhì)心估計值的準(zhǔn)確性。

2 硬件系統(tǒng)

2.1 硬件模塊

本文設(shè)計的硬件模塊由微控制器模塊、UWB無線收發(fā)模塊、電源模塊、LED指示模塊、撥碼開關(guān)和復(fù)位電路等5個部分組成。微控制器采用基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器STM32C8T6芯片，UWB無線收發(fā)模塊采用愛爾蘭公司Deca-wave公司的DWM1000芯片。硬件組成如圖4所示。

圖4 硬件系統(tǒng)組成

微控制器STM32芯片與UWB模塊通過SPI通訊，實現(xiàn)對UWB模塊的控制和狀態(tài)讀取，完成測距信息的采集和傳輸；UWB模塊負(fù)責(zé)無線信號的收發(fā)；晶振電路產(chǎn)生原始的時鐘頻率為主控芯片提供時鐘信號；撥碼開關(guān)用來切換基站標(biāo)簽?zāi)Ｊ?；?fù)位電路控制主控芯片在上電或復(fù)位過程中的復(fù)位狀態(tài)；電源為主控芯片以及UWB收發(fā)模塊持續(xù)提供電流。

2.2 UWB無線收發(fā)模塊設(shè)計

本文采用的無線收發(fā)模塊DWM1000是由Deca-wave公司生產(chǎn)的芯片，物理層協(xié)議為IEEE 802.15.4。該芯片具有高數(shù)據(jù)傳輸率、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、隱蔽性好、安全性高等特點。DWM1000與主控芯片的連接方式如圖5所示。

圖5 DWM1000連接方式

DWM1000與MCU通過SPI協(xié)議進(jìn)行通訊，并通過SPI接口對DWM1000進(jìn)行UWB信號收發(fā)和工作模式的控制，所以DWM1000與MCU的連接只包括用于中斷請求的IRQ和與SPI接口相關(guān)的SPICLK、SPIMISO、SPIMOSI、SPICsn。

3 軟件設(shè)計

UWB無線系統(tǒng)的軟件模塊主要分為測距并上傳數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)。前者通過DWM1000的API函數(shù)接口，編寫微控制器的程序，實現(xiàn)對UWB信號的接收和發(fā)送，根據(jù)接收到的時間戳信息，計算出基站到標(biāo)簽之間的距離，最后是用串口將距離上傳給上位機(jī)，后者可視化顯示標(biāo)簽和基站位置及坐標(biāo)。通信幀流程如圖6所示。

圖6 通信幀流程

3.1 通訊幀格式

UWB通信是基于發(fā)送和接收的通信幀，其物理層協(xié)議為IEEE 802.15.4，通信幀格式如圖7所示。

圖7 通訊幀格式

通訊幀分為Preamble，SFD，PHR和Data四個部分，而按照協(xié)議的構(gòu)成，又可以分為PHY層和MAC層，PHY層包括Preamble，SFD以及PHR。MAC層中的協(xié)議數(shù)據(jù)單元包括5個部分：幀控制域、數(shù)據(jù)序號、地址信息、幀有效載荷、幀校驗序列。

Preamble(前導(dǎo)碼)，也叫幀引導(dǎo)序列，是發(fā)送有用信息前的一串信號，可以將其理解為消息幀的防偽標(biāo)識。它將提示接受芯片，隨后發(fā)送的是有用信息，以免接受時丟失信號，一般用四個字節(jié)的常量0X00。SFD(start of frame delimiter，幀開始定界符)，用于說明前導(dǎo)碼部分已經(jīng)結(jié)束，開始發(fā)送有效信息，一般為一個字節(jié)的常量0XA7。PHR(PHY header ,物理頭)，在使用有效信息之前，定義一幀數(shù)據(jù)的長度，記錄的值不包含該值本身的字節(jié)長度，但包含MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元中的幀校驗序列的字節(jié)，開始此部分的發(fā)送時，DWM1000將會開始記錄該時刻的時間戳。

(4)Data(數(shù)據(jù)單元)，存放通信中的有效信息，包括時間戳、距離值等數(shù)據(jù)，可以攜帶127個字節(jié)的信息。

3.2 數(shù)據(jù)幀格式

數(shù)據(jù)幀中包含時間戳、距離、幀序號等信息，上位機(jī)通過對這些信息的解析和處理得到標(biāo)簽的位置坐標(biāo)。數(shù)據(jù)幀的具體格式以及IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)編碼方式如圖8、圖9所示。

圖8 數(shù)據(jù)幀格式

圖9 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)編碼

數(shù)據(jù)幀由7部分組成：1)第0、1字節(jié)，框架控制字節(jié)(Frame Control)，用于定義數(shù)據(jù)幀的一些基本配置，例如地址長度、格式等，通常是用常量填充；2)第2字節(jié)，序列號(Sequence Number)，相當(dāng)于數(shù)據(jù)幀的編號，它會隨著發(fā)送的幀數(shù)遞增；3)第3、4字節(jié)，PAN ID，是基于應(yīng)用定義的常量，其值為0XDECA；4)第5、6字節(jié)，目標(biāo)地址(Destination Address)，其值是唯一的，在程序代碼中指定數(shù)據(jù)幀要發(fā)送的目標(biāo)地址；5)第7、8字節(jié)，源地址(Source Address)，同目標(biāo)地址一樣，可以在代碼中指定接受的數(shù)據(jù)幀的源地址；6)從9字節(jié)開始，測距信息(Ranging Message)，字節(jié)長度可以自由定義，用于存放測距值；7)最后兩個字節(jié)，前面數(shù)據(jù)都存放完后，幀校驗序列由DWM1000的硬件自動計算并添加。

3.3 通信流程

本文使用三基站一標(biāo)簽的定位系統(tǒng)，通信流程包括：1)標(biāo)簽向基站發(fā)送POLL數(shù)據(jù)幀，并記錄發(fā)送的時間T1,基站負(fù)責(zé)接收POLL數(shù)據(jù)幀，并記錄接收時間T2；2)基站延遲發(fā)送Response數(shù)據(jù)幀，并記錄發(fā)送時間T3，標(biāo)簽負(fù)責(zé)接收Response數(shù)據(jù)幀，并記錄接收時間T4；3)標(biāo)簽發(fā)送Final數(shù)據(jù)幀，并記錄發(fā)送時間T5，基站負(fù)責(zé)接收發(fā)送Final數(shù)據(jù)幀并記錄接收時間T6。

通過處理標(biāo)簽和基站的發(fā)送時間和接收時間，可以得出信號在標(biāo)簽和基站之間的傳輸時間，并將這個傳輸時間乘以傳輸速度，就可以得到標(biāo)簽分別與3個基站之間的距離值。傳輸流程如圖10所示。

圖10 傳輸流程

圖10中：

4 實驗與討論

4.1 實驗器材及環(huán)境

測試環(huán)境選取4.8 m×6 m的室內(nèi)環(huán)境，實驗的硬件(圖11)包括4個定位模塊：用于供電的電源模塊，USB-type-A轉(zhuǎn)micio-USB模塊，以及TTL轉(zhuǎn)USB模塊。其中電源模塊通過USB-type-A轉(zhuǎn)micio-USB給定位模塊定位，TTL轉(zhuǎn)USB模塊將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。

圖11 硬件設(shè)備

搭建的室內(nèi)定位環(huán)境(圖12)。3個基站分別布置在4.8 m×6 m區(qū)域的四周，每個基站之間的距離在1 m以上，標(biāo)簽距離每個基站的距離也在0.5 m以上[12]，基站A0通過USB線與電腦的虛擬串口連接。

圖12 測試環(huán)境

4.2 靜態(tài)試驗

測試靜態(tài)環(huán)境下UWB無線室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位精度。將標(biāo)簽分別放置在20個不同測量點，進(jìn)行視距(LOS)環(huán)境和非視距(NLOS)環(huán)境下的測試。測量點分別為：三基站組成的三角形內(nèi)部、三基站組成的三角形邊上、三基站組成的三角形外部(圖13)。

圖13 測量點分布

為了模擬NLOS環(huán)境，使用長方形箱體進(jìn)行遮擋(圖14)，這種嚴(yán)重信號干擾的NLOS環(huán)境，對測量精度有較大影響。

圖14 NLOS環(huán)境

每個測量點的定位數(shù)據(jù)是由上位機(jī)獲取的，取一個時間段中的測量值，將這個時間段中的測量值取平均值作為測量點的定位坐標(biāo)，記錄所有點的坐標(biāo)，并分析靜態(tài)環(huán)境下的定位精度。測量的定位坐標(biāo)點分布如圖15所示。

圖15 測量的定位坐標(biāo)點分布

實驗結(jié)果表明：LOS環(huán)境下，測量精度較高，測量誤差可達(dá)到8 cm左右，即達(dá)到厘米級別定位精度；在NLOS環(huán)境下，測量精度較低，測量誤差在35 cm左右。

標(biāo)簽定位精度在上位機(jī)中顯示對比如圖16所示。

圖16 標(biāo)簽定位精度在上位機(jī)中的顯示

結(jié)果表明：在LOS環(huán)境下，上位機(jī)中標(biāo)簽位置點的坐標(biāo)比較準(zhǔn)確，標(biāo)簽重復(fù)定位誤差可以達(dá)到5 cm左右；在NLOS環(huán)境下，上位機(jī)中標(biāo)簽位置的誤差會較大，標(biāo)簽重復(fù)定位誤差可以達(dá)到30 cm左右。

表1 靜態(tài)定位誤差分析 m

4.3 動態(tài)試驗

使用如圖17所示的全自動小車作為定位目標(biāo)，將標(biāo)簽固定在小車車身上，通過控制小車的運動來測試UWB在動態(tài)環(huán)境下的定位精度。

圖17 全移動小車

控制小車以2 m/s的速度在室內(nèi)環(huán)境下勻速直線行駛。由于小車車身上較多的零部件會對定位造成干擾，因此可認(rèn)為是NLOS環(huán)境。讓小車分別沿x軸方向和y軸方向行駛，其行駛軌跡在上位機(jī)上顯示見圖18。

圖18 小車行駛軌跡

小車初始位置由人工擺放，會有一定的誤差，所以小車的真實行駛軌跡不完全平行于坐標(biāo)軸，而是與坐標(biāo)軸有一定偏角。

對小車的行駛軌跡和定位誤差分析如圖19所示。

圖19 小車的行駛軌跡和定位誤差

圖19表明：小車沿X軸方向運動時，軌跡誤差最大值小于30 cm，平均誤差在15 cm左右；沿Y軸運動時，軌跡誤差最大值小于12 cm，平均誤差在10 cm左右。小車在運動時，人工校直、路面情況、環(huán)境噪聲等因素都會對小車行走產(chǎn)生影響，導(dǎo)致額外的定位誤差。以上因素對動態(tài)定位的影響大約在5 cm左右，因此，定位系統(tǒng)的直線動態(tài)定位誤差在10 cm左右。

5 結(jié)論

本文從定位原理、硬件模塊、軟件模塊這三個方面進(jìn)行研究，搭建基于UWB的室內(nèi)無線定位系統(tǒng)。以STM32芯片作為主控芯片，DWM100作為無線收發(fā)模塊；基于三邊定位算法，運用相交質(zhì)心定位算法，設(shè)計了定位軟件，并在上位機(jī)上可視化顯示出標(biāo)簽和基站的位置坐標(biāo)。實驗結(jié)果表明：在LOS環(huán)境下，靜態(tài)定位精度可達(dá)到8 cm，動態(tài)定位精度可達(dá)到10 cm左右，相較于文獻(xiàn)[16]的室內(nèi)無線定位系統(tǒng)所獲取的目標(biāo)節(jié)點坐標(biāo)與實際坐標(biāo)誤差，本文的定位精度提升了33.3%～46.7%。此外，本文還在NLOS環(huán)境下進(jìn)行了實驗，NLOS環(huán)境下定位平均誤差在35 cm以內(nèi)。