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

1、    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?！娟P(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

2、一種發(fā)射納秒級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所的高速無線接入任務(wù)場景。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)滿足各種場景需求。如藍(lán)牙技術(shù)穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號干擾也比較大;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的干擾。而uwb技術(shù)，它在室內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)精確的

3、定位，以及對墻體穿透影響減少，是目前適合室內(nèi)定位的一種優(yōu)勢技術(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景任務(wù)的移動(dòng)智能體。鑒于uwb技術(shù)相對于其他傳統(tǒng)室內(nèi)定位技術(shù)的優(yōu)勢，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。同時(shí)可以用于工業(yè)生產(chǎn)、倉儲物流、體育運(yùn)動(dòng)等場景。基于uwb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。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，對移動(dòng)智

4、能車定位導(dǎo)航的精度的影響。1.uwb的定位原理對室內(nèi)定位系統(tǒng)中待測目標(biāo)進(jìn)行位置估計(jì)，先將定位標(biāo)簽附著在待測目標(biāo)上，待測目標(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量待測目標(biāo)到定位基站的距離信息，獲得距離信息可以通過信號飛行時(shí)間（time of flight，tof）獲得信號強(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，得出待測目標(biāo)的估計(jì)位置坐標(biāo)。tof節(jié)點(diǎn)a發(fā)出測距信息，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

5、到來自b的應(yīng)答信息后終止本輪及時(shí)。一輪測距往返時(shí)間設(shè)為對于節(jié)點(diǎn)b來說，是可測常量，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

6、出飛行次數(shù)為四次，ab分別測距一次。ta1，tb1分別為a，b所計(jì)時(shí)的一輪測距所用往返時(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，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l(fā)ed和按鍵6個(gè)部分。主控板以stm32為控制核心，通

7、過各個(gè)接口實(shí)現(xiàn)對各個(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

8、發(fā)送uwb信號，后者將計(jì)算接收到的uwb信號的時(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

9、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組

10、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，疊加在a、b兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號;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。通過定位基站對定位標(biāo)簽測距即可計(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)，來估測移動(dòng)體的定位精度情況，采用均方根

11、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

12、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