UWB室内定位
2024-02-23 08:45:34 0 举报AI智能生成
UWB室内定位相关技术
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大纲/内容
定位系统的组成
电池供电的定位标签，能够发射UWB信号，标签的数量由需要被定位的目标对象数量决定，多个标签可以和基站同时通信
位置固定的定位基站，能够接收从标签发送过来的信号，少则3-5个，多则上千个
上位机软件，用来传输信息给用户和其他相关信息系统
注：至少有三个基站才能定位出标签的位置
定位原理
相关概念
UWB测距
定义
通过测量信号的传播时间来计算标签和基站的距离
测距方法
TOF（Time of Fly）飞行时间测距法
解释：通过测量两个设备间UWB信号的飞行时间来计算距离
分类
单边双向测距（SS-TWR）
原理图
Ra为设备A从发出信号到接收到设备B的信号的时间差，Db为设备B在收到设备A的信号到自身发出信号的时间差，Tf为信号在空气中的飞行时间
相关公式
根据原理图中，飞行时间Tf=(Ra-Db)/2，通过将飞行时间乘以光速，可以得到两个设备的距离
考虑误差
由于设备的时钟误差，所以根据公式可以的到误差的影响因素为Db
典型的误差关系如下（1ms的Db，在时钟误差为40ppm的情况下，Tf误差为20ns，那么距离误差为7m）
结论
随着设备应答时间和时钟偏移的增加，会增加飞行时间的误差，从而使得测距不准确，因此单边双向测距并不常用
双边双向测距（DS-TWR）
概述
双边双向测距是单边双向测距的一种扩展测距方法，记录两个往返的时间戳，最后得到飞行时间，虽然增加了响应的时间，但会降低测距误差
原理图
在SS-TWR的基础上，设备A收到信号后再给设备B发送一次信号，所以设备B也可以算出时间Rb
相关公式
根据原理图，可以得到公式1Ra = 2Tf + Db ，
公式2 Rb = 2Tf + Da
公式2 Rb = 2Tf + Da
解法1
Tf=（Ra-Da+Rb-Db）/4
产生的误差
计算误差公式
分析
当Da和Db相等时，误差最小，但是很难保持，这个误差和上面的单边单向的误差精度差不多
解法2
使用公式1*公式2得到Tf =
（RaRb − DaDb）
/（Ra + Da + Rb + Db）
（RaRb − DaDb）
/（Ra + Da + Rb + Db）
产生的误差
计算误差公式
结论：双向测距是UWB中常用的测距方法之一，使用解法2计算Tf能使得误差最小
优缺点
优点
算法简单，可靠，相比TDOA而言，鲁棒性强，抗环境干扰能力强
通过TWR，可以基本可以抵消时钟精度的误差，无需时钟同步。精度较高
算法可以前置在各定位区域主基站，不同场景定义不同定位算法。使用灵活
采用定位算法前置，避免了集中定位引擎，系统可靠性高
缺点
相比TDOA，标签费电，大致在5倍以上。需要类似集成加速度传感器、BLE等技术实现非定位状态下的低功耗
系统容量小，TOF是采用分区定位策略，典型单个定位区域<200个标签，多数可以满足应用要求。
采用TDM的通讯方式，带宽有效利用率低，相比TDOA，定位延时大，对于实时要求高的定位需求，不建议采用
严格的划区部署，部署复杂度相比TDOA要高
适合场景
适合环境较为复杂的应用场景，例如制造型工厂、电厂、化工厂、办公楼等。
TDOA（Time Difference of Arrival）基于时间差的定位方法
定义
利用到达时间差进行定位的方法，利用多个基站接收到信号的时间差来确定移动目标的位置
要求
要求基站之间的时钟严格同步，对基站和标签之间则没有时钟严格同步的要求
定位过程
预先将所有的基站时钟同步，标签发出信号，不同基站在不同时刻接收该信号，选取某个基站接收到信号时刻为基准，其他基站减去基准时间，得到信号到达时间差，即为TDOA值，根据标签与两个基站之间的TDOA值可以建立一条双曲线，实现二维定位需要至少三个基站建立一组双曲线方程求解
原理图
相关公式
r1-r2=(t1-t2)*c r2-r3=(t2-t3)*c r1-r3=(t1-t3)*c
优缺点
优点
标签和基站交互少，标签省电
系统容量大，如果采用时钟同步器的有限同步方式，理论上标签数量可以超过6000个
增加基站，补定位盲点容易，扩展容易
缺点
需要基站之间做高精度时间同步，跨组定位算法复杂，采用有线同步需要时钟同步器，实施复杂。采用无线时钟同步，只能分区同步，带来跨区及标签数量限制问题
因为同步误差不可能消除，整体定位精度低于TOF
适合场景
适合环境空旷较为简单的应用场景，例如户外运动、仓库等
UWB定位
定义
UWB定位利用测量的距离信息和其他定位算法，如三角定位，三边定位等，确定标签在空间总的位置
求解标签位置方法
TDOA定位方法
背景知识：双曲线方程
需要求解的方程组
对于TWR的定位方法
方法
基本原理
根据测距结果，以基站的位置为圆心，做半径为di的圆，圆的焦点即为标签的位置
需要求解方程组
由于测量误差的存在，基于基站的定位圆并不会刚好交于一点
近似求解算法
最小二乘法
推导过程
总结：最小二乘法定位算法通过将n个方程的误差最小化，从而获得最优的估算坐标值
可扩展到三维情况
三角质心法
适用条件
三个圆必须两两存在交点
原理图
推导过程
三边测量定位算法
最简单情况
需要基站的位置符合上述情景
decowave提供的算法
总结：UWB测距是实现UWB定位的基础。通过测量距离，可以获得标签和基站之间的准确距离信息，从而为定位算法提供输入数据
相关概念
UWB（Ultra Wide Band）超宽带
概述
同wifi，蓝牙技术一样属于通信技术的一种
是一种无线载波通信技术，不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，所占的频谱范围宽
特点
系统结构实现简单
具有高速的数据传输能力
功耗低
安全性高
多径分辨能力强
可用于精确定位
应用场景
主要包括司法监狱、医院、矿井、化工厂、工厂与仓库等对于物资或者人员管理需求比较高的应用场景
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