基于超寬帶技術的室內無線定位系統設計

許 萬，涂 拓，胡天宇，胡新宇

(湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢 430068)

室內無線定位技術主要有WIFI、ZigBee、藍牙[1]、射頻識別(Radio Frequency Identification)、超聲波、超寬帶(Ultra-wideband，WB)等技術[2]。其中：WiFi技術[3]信號實時性差，定位精度不高，抗干擾能力不強，周邊的其他信號容易對其造成干擾；Zigbee技術[4]定位精度不高，一般在5 m左右，數據堵塞現象嚴重，對于系統正常運行影響大；射頻識別技術[5]抗干擾能力差，設施設備施工難度較大，維護成本高，系統不穩定；超聲波技術[6]采用的是反射式測距，信號衰減嚴重，以致嚴重影響定位的范圍；UWB技術[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，實現低功耗信號傳輸，其產生的干擾較小，而且可檢測的概率很低，具有極強的抗多徑衰落能力[8-9]，有利于在室內復雜多徑環境中進行實時定位和動態數據收集，是目前室內定位的研究熱點[10]。UWB技術多種定位方式，如利用信號接收器到周圍信號發射器的信號強度來判斷標簽的位置[11]，和采用信號到達時間來確定目標節點位置坐標[12]，但這些方式均存在定位精度較低的問題。因此，本文針對室內復雜的定位環境，基于三邊定位算法的相交質心定位算法建立UWB室內無線定位系統。

1 系統整體設計及定位原理

1.1 整體系統設計

UWB無線定位系統分為三個部分：定位基站、定位標簽和上位機軟件。定位系統的整體結構如圖1所示。

圖1 UWB無線定位系統

圖1中，基站和標簽的硬件部分為一體化硬件板，通過使用撥碼開關的方式實現基站和標簽模塊之間的切換。主基站將帶有時間戳和幀序號等信息數據包發送給上位機，上位機軟件接收數據包，通過解析接收到的信息進行算法處理，得到基站和標簽的位置坐標，并將基站和標簽坐標可視化顯示出來。

1.2 定位原理

信號達到時間 (TOA)定位算法是一種基于信號達到時間的測量距離的定位方式，具有實現簡單、定位精度高而且不需要基站與標簽之間時鐘嚴格同步等特點，是通過測得信號在標簽與基站之間的飛行時間得到標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個基站的坐標位置，T(x，y)是標簽的坐標位置，R0，R1，R2分別為標簽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，理想狀態下以A0，A1，A2為圓心的圓會相交于一點，這個點的坐標即標簽位置坐標。根據圓的相交關系，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簽位置T(x，y)進行求解。

首先假設有n個基站，基站的坐標為(xi,yi) (i=1，2，…，n)，標簽坐標為(x,y)，各基站與標簽的測距值為Ri(i=1，2，…，n)。依據三邊測量定位算法對于標簽位置進行求解，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值，以此來提高定位的準確性。引入一個加權矩陣

可以得到加權后的最小二乘估計式：

XLS=(ATWA)-1ATWb

當測距誤差與測量距離之比符合獨立分布的高斯隨機變量條件(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在理想狀態，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，而是會交于一個區域(圖3)。

圖3 三圓相交情況

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

根據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。

在幾何學中，多邊形頂點位置坐標的平均值被視為質心的位置坐標。前文分別以3個基站為圓心，以基站到標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，將三角形的質心坐標作為標簽的位置估計值，則標簽坐標(x,y)可表示為：

基站距離標簽的位置越遠，其測距誤差會越大，對標簽坐標的精度會有較大的影響，也就是說，距離標簽越近的基站，其測量值應在計算(x,y)時占據更大的權重，從而進一步提高質心估計值的準確性。

2 硬件系統

2.1 硬件模塊

本文設計的硬件模塊由微控制器模塊、UWB無線收發模塊、電源模塊、LED指示模塊、撥碼開關和復位電路等5個部分組成。微控制器采用基于ARM Cortex-M 內核STM32系列的32位的微控制器STM32C8T6芯片，UWB無線收發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 硬件系統組成

微控制器STM32芯片與UWB模塊通過SPI通訊，實現對UWB模塊的控制和狀態讀取，完成測距信息的采集和傳輸；UWB模塊負責無線信號的收發；晶振電路產生原始的時鐘頻率為主控芯片提供時鐘信號；撥碼開關用來切換基站標簽模式；復位電路控制主控芯片在上電或復位過程中的復位狀態；電源為主控芯片以及UWB收發模塊持續提供電流。

2.2 UWB無線收發模塊設計

本文采用的無線收發模塊DWM1000是由Deca-wave公司生產的芯片，物理層協議為IEEE 802.15.4。該芯片具有高數據傳輸率、低功耗、抗干擾能力強、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協議進行通訊，并通過SPI接口對DWM1000進行UWB信號收發和工作模式的控制，所以DWM1000與MCU的連接只包括用于中斷請求的IRQ和與SPI接口相關的SPICLK、SPIMISO、SPIMOSI、SPICsn。

3 軟件設計

UWB無線系統的軟件模塊主要分為測距并上傳數據和接收數據并處理數據。前者通過DWM1000的API函數接口，編寫微控制器的程序，實現對UWB信號的接收和發送，根據接收到的時間戳信息，計算出基站到標簽之間的距離，最后是用串口將距離上傳給上位機，后者可視化顯示標簽和基站位置及坐標。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通信是基于發送和接收的通信幀，其物理層協議為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，而按照協議的構成，又可以分為PHY層和MAC層，PHY層包括Preamble，SFD以及PHR。MAC層中的協議數據單元包括5個部分：幀控制域、數據序號、地址信息、幀有效載荷、幀校驗序列。

Preamble(前導碼)，也叫幀引導序列，是發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識。它將提示接受芯片，隨后發送的是有用信息，以免接受時丟失信號，一般用四個字節的常量0X00。SFD(start of frame delimiter，幀開始定界符)，用于說明前導碼部分已經結束，開始發送有效信息，一般為一個字節的常量0XA7。PHR(PHY header ,物理頭)，在使用有效信息之前，定義一幀數據的長度，記錄的值不包含該值本身的字節長度，但包含MAC協議數據單元中的幀校驗序列的字節，開始此部分的發送時，DWM1000將會開始記錄該時刻的時間戳。

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

3.2 數據幀格式

數據幀中包含時間戳、距離、幀序號等信息，上位機通過對這些信息的解析和處理得到標簽的位置坐標。數據幀的具體格式以及IEEE 802.15.4 標準編碼方式如圖8、圖9所示。

圖8 數據幀格式

圖9 IEEE 802.15.4 標準編碼

數據幀由7部分組成：1)第0、1字節，框架控制字節(Frame Control)，用于定義數據幀的一些基本配置，例如地址長度、格式等，通常是用常量填充；2)第2字節，序列號(Sequence Number)，相當于數據幀的編號，它會隨著發送的幀數遞增；3)第3、4字節，PAN ID，是基于應用定義的常量，其值為0XDECA；4)第5、6字節，目標地址(Destination Address)，其值是唯一的，在程序代碼中指定數據幀要發送的目標地址；5)第7、8字節，源地址(Source Address)，同目標地址一樣，可以在代碼中指定接受的數據幀的源地址；6)從9字節開始，測距信息(Ranging Message)，字節長度可以自由定義，用于存放測距值；7)最后兩個字節，前面數據都存放完后，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簽的定位系統，通信流程包括：1)標簽向基站發送POLL數據幀，并記錄發送的時間T1,基站負責接收POLL數據幀，并記錄接收時間T2；2)基站延遲發送Response數據幀，并記錄發送時間T3，標簽負責接收Response數據幀，并記錄接收時間T4；3)標簽發送Final數據幀，并記錄發送時間T5，基站負責接收發送Final數據幀并記錄接收時間T6。

通過處理標簽和基站的發送時間和接收時間，可以得出信號在標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 實驗器材及環境

測試環境選取4.8 m×6 m的室內環境，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micio-USB模塊，以及TTL轉USB模塊。其中電源模塊通過USB-type-A轉micio-USB給定位模塊定位，TTL轉USB模塊將數據上傳給上位機。

圖11 硬件設備

搭建的室內定位環境(圖12)。3個基站分別布置在4.8 m×6 m區域的四周，每個基站之間的距離在1 m以上，標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 測試環境

4.2 靜態試驗

測試靜態環境下UWB無線室內定位系統的定位精度。將標簽分別放置在20個不同測量點，進行視距(LOS)環境和非視距(NLOS)環境下的測試。測量點分別為：三基站組成的三角形內部、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環境，使用長方形箱體進行遮擋(圖14)，這種嚴重信號干擾的NLOS環境，對測量精度有較大影響。

圖14 NLOS環境

每個測量點的定位數據是由上位機獲取的，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，記錄所有點的坐標，并分析靜態環境下的定位精度。測量的定位坐標點分布如圖15所示。

圖15 測量的定位坐標點分布

實驗結果表明：LOS環境下，測量精度較高，測量誤差可達到8 cm左右，即達到厘米級別定位精度；在NLOS環境下，測量精度較低，測量誤差在35 cm左右。

標簽定位精度在上位機中顯示對比如圖16所示。

圖16 標簽定位精度在上位機中的顯示

結果表明：在LOS環境下，上位機中標簽位置點的坐標比較準確，標簽重復定位誤差可以達到5 cm左右；在NLOS環境下，上位機中標簽位置的誤差會較大，標簽重復定位誤差可以達到30 cm左右。

表1 靜態定位誤差分析 m

4.3 動態試驗

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

圖17 全移動小車

控制小車以2 m/s的速度在室內環境下勻速直線行駛。由于小車車身上較多的零部件會對定位造成干擾，因此可認為是NLOS環境。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軸，而是與坐標軸有一定偏角。

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、環境噪聲等因素都會對小車行走產生影響，導致額外的定位誤差。以上因素對動態定位的影響大約在5 cm左右，因此，定位系統的直線動態定位誤差在10 cm左右。

5 結論

本文從定位原理、硬件模塊、軟件模塊這三個方面進行研究，搭建基于UWB的室內無線定位系統。以STM32芯片作為主控芯片，DWM100作為無線收發模塊；基于三邊定位算法，運用相交質心定位算法，設計了定位軟件，并在上位機上可視化顯示出標簽和基站的位置坐標。實驗結果表明：在LOS環境下，靜態定位精度可達到8 cm，動態定位精度可達到10 cm左右，相較于文獻[16]的室內無線定位系統所獲取的目標節點坐標與實際坐標誤差，本文的定位精度提升了33.3%～46.7%。此外，本文還在NLOS環境下進行了實驗，NLOS環境下定位平均誤差在35 cm以內。