【《UWB定位算法優(yōu)化及其在智能小車中的應用（論文）》11000字】

UWB定位算法優(yōu)化及其在智能小車中的應用內容摘要：隨著智能小車的發(fā)展，對定位的需求也在不斷增加。北斗定位系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)在戶外定位領域有著卓越的表現，但在室內環(huán)境中的定位問題卻很突出。本文設計并制作一輛基于UWB無線定位技術的智能定位小車，在小車上裝置標簽、電機驅動模塊、紅外線循跡模塊、基于超聲波原理設計的避障模塊等，主控部分使用STM32單片機。在房間內布置基站，在基站與標簽之間傳輸無線信號，根據UWB定位算法來確定標簽與基站之間的距離，之后將數據發(fā)送到上位機，并在上位機上顯示小車的運動軌跡。UWB定位算法包括飛行時間測距算法(TimeofFlight,ToF)和三邊定位算法，ToF算法測距原理為測量基站與標簽之間信號的單向飛行時間，進而求出距離；三邊定位算法原理為以標簽到三個基站的距離為半徑分別作圓，通過確定三個圓的交點實現對標簽的定位功能。最后，做了基于UWB無線定位技術的智能定位小車的實驗，實驗表明，本文所設計的小車可以滿足循跡、避障以及定位功能。關鍵詞：UWBTOF測距算法三邊定位算法目錄第一章緒論 21.1研究背景及意義 21.2國內外研究現狀 21.2.1UWB定位國內外研究現狀 21.2.2智能小車國內外研究現狀 31.3本論文的研究內容及結構 3第二章UWB無線定位技術 42.1UWB定位理論 42.2UWB定位優(yōu)勢 42.3UWB定位方法 2.3.1ToF測距 52.3.2三邊定位 6第三章基于UWB技術的智能小車的系統(tǒng)實現 83.1智能小車系統(tǒng)設計 83.1.1總體框架 83.1.2電源模塊 83.1.3控制模塊 93.1.4電機驅動模塊 93.1.5循跡模塊 3.1.6避障模塊 3.2UWB定位系統(tǒng)設計 3.2.1總體框架 3.2.2DW1000芯片 3.2.3上位機系統(tǒng)設計 3.2.4串口模塊 第四章系統(tǒng)測試結果及分析 4.1測試環(huán)境搭建 4.2測試方案設計 4.3測試結果及分析 4.3.1循跡功能 4.3.2避障功能 4.3.3定位功能 5.2展望 參考文獻 第一章緒論1.1研究背景及意義智能小車是一種可以按照預先設置的模式自動行進的移動機器人，其系統(tǒng)涵蓋了電子、通信、傳感器及人工智能等多個方面，是當前科技領域的研究熱點[]。智能小車在工業(yè)生產中得到了廣泛的應用，極大地提高了生產效率。如今，智能小車變得更加智能化，不僅可以應用于工業(yè)領域，在軍事領域和物流領域也有重要價值。傳統(tǒng)的智能定位小車實現定位功能是通過北斗定位系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)，但他們對室內環(huán)境卻無法實現有效定位(康子淵，盛明澤，2022)。由此可以推知其意為了解決室內定位精準性的問題，科研人員研究出許多技術來實現室內定位，例如：紅外線定位、利用超聲波實現定位、無線定位以及通過超寬帶技術完成定位等。但在這些技術中，室內紅外線定位很容易受到光線的影響，多徑效應會對超聲室內定位的精準性產生干擾，而無線室內定位的缺點則是功耗較高。所以，以上幾種定位技術都難以滿足對室內精準定位的要求(雷啟文，顧清瀾，2023)。超寬帶(UltraWideBand,UWB)是一項全新的無線通信技術，利用非常窄的脈沖來實現數據傳輸[21,而且沒有載波分量，頻帶利用率更高。相比于傳統(tǒng)的定位技術，硬件結構更加簡單、抗多徑衰落更強、定位精度也更加精準，因此，通常被用來對室內的物體進行定位導航。將UWB技術應用于智能小車，可以更好地提高智能小車的定位精度，從而使智能小車完成一系列更為復雜的任務。例如，在物流派送中，通過定位來精準地分發(fā)快遞；在地震、泥石流等災害中，通過定位功能引導救援人員盡快解救被困群眾。因此，研究基于UWB的智能定位小車具有非常顯著的意義。1.2國內外研究現狀1.2.1UWB定位國內外研究現狀定位系統(tǒng)可以實時提供智能小車的位置，所以對于智能小車而言有非常重要的作用。由于超寬帶系統(tǒng)的容量大、抗干擾能力強、功耗小、可以達到很高的定位精度，所以小車的定位系統(tǒng)主要采用UWB定位技術。國外學者HanssensB介紹了一種新型的基于超寬帶信道深度測量的定位方法，該方法是一種充分利用傳輸路徑的幾何特征的三角測量M和Djaja-JoskoV提出了一種利用到達時間差(TDOA)計算標簽之間距離的協(xié)同超寬帶系統(tǒng)。此外，該系統(tǒng)使用的算法為擴展卡爾曼濾波算法。依據這些表現可以判斷出實驗表明，采用這種算法可以使目標定位精度的準確性提高(伍博遠，宋靖，2024)錯誤!未找到引用源。。相較于國外而言，我國對于超寬帶技術的研究和應用起步比較晚。2001年，國錯誤!未找到引用源。2007年，國家“863”計劃提出，要解決目前國內超寬帶協(xié)議芯片的難題，以看出，該方案相比于其他方案具有更好的性價比，同時在用戶體驗和交互性方面表現出色。該方案注重用戶需求的挖掘和滿足，通過優(yōu)化界面設計和交互流程，提供了更加直觀、便捷的操作體驗。用戶在使用過程中能夠快速上手，減少學習成本，同時也能獲得更好的反饋和響應速度。此外，該方案還支持個性化定制，能夠根據不同用戶的需求提供定制化的解決方案，極大地提升了用戶滿意度和忠誠度。這種以用戶為中心的設計理念使其在市場競爭中更具優(yōu)勢。隨著我國政府對超寬帶通信技術的重視，東南大學、南京郵電大學等學校立刻對UWB通信技術進行研究。東南大學憑借一種前所未有的調制方法，增加了UWB的傳輸速率；足以說明南京郵電大學改造了超寬帶信號收發(fā)機，大大改善了信號的傳輸質量。2011年，深圳國人通信公司開發(fā)了一種可以將多種業(yè)務共同接入的超寬帶數字光纖分布系統(tǒng)，實現了協(xié)同發(fā)展(舒俊熙，秦正陽，2020)。此外，還有很多學者也進行了UWB技術的研究。魏培、姜平等人研制了一種采用多個基站測沈重兩人提出了一種超寬帶定位算法錯誤!未找到引用源。°,這種算法將改進到達時間差與卡爾曼濾波相結合，使定位精度得到了提高。1.2.2智能小車國內外研究現狀智能小車經過幾十年的發(fā)展，現在已經廣泛地應用于工業(yè)、科技、運輸等領域。國外相對于國內而言，對智能小車的研究更早。80年代后期，富士通研發(fā)了一款能夠在復持以下推論法國信息與自動化研究所研發(fā)出了一種無人駕駛系統(tǒng)，將其命名Cybercab系統(tǒng)，于2002年開始投入使用，目前已經具備了無人駕駛能力。2010年，谷歌公司開發(fā)了一款搭載有各種傳感器的無人駕駛汽車，并且被授予了全球第一張無人駕駛車牌。該車可以檢測路面和周邊的情況，而且實際的運行距離已達到22.5萬千米(袁浩淼，唐啟航，2022)。盡管我國對智能小車的研究起步較晚，但是到目前為止，已經有了很多重要的進展。1992年，國內第一輛無人駕駛汽車的成功運行，為我國研究無人駕駛汽車奠定了基礎(孟睿德，姜子淳，2023)[121。2005年，在本文的研究框架下考慮了這一情形魯能智能科技與山東電力研究所聯合研制了一種適用于變電站的巡邏機器人。2013年12月，“玉兔號”月球車順利實現發(fā)射，該車搭載了多種科學探測儀器，既可以進行攀爬，也可以實現越障功能(傅博涵，魏啟軒，2024)。百度公司開發(fā)出一種名為carnet的智能汽車系統(tǒng)，能夠將手機和汽車系統(tǒng)相互連接起來，達到交互功能。1.3本論文的研究內容及結構本文將主要研究基于UWB技術的智能定位小車，通過將UWB技術、飛行時間測距算法、三邊定位算法結合起來，建立基站，在小車上搭載標簽，從而實現小車的定位功能。論文各章節(jié)的內容如下：第一章是緒論。首先介紹了本論文的研究背景及意義；其次，介紹了超寬帶技術和智能小車的國內外研究現狀，最后，概括了本論文的研究內容及結構。第二章是對UWB無線定位技術的介紹。首先介紹了UWB技術的定位理論；其次，介紹了當前傳統(tǒng)的幾種室內定位技術的工作原理，通過比較不同室內定位技術的性能，分析得出UWB技術在室內定位上的優(yōu)勢；最后，本論文還闡述了UWB定位技術的實現方法。第三章是設計基于UWB技術的智能定位小車的定位系統(tǒng)。首先對整個智能小車系統(tǒng)的總體框架進行描述，并對各個模塊展開介紹；其次，介紹了UWB定位系統(tǒng)的各個部分，詳細介紹每個部分所需芯片的工作原理；最后，對該定位系統(tǒng)進行測試驗證。第四章對基于UWB技術的智能定位小車進行測試并分析。主要對定位的精準性進第五章是總結與展望，對基于UWB技術的智能定位小車的研究內容做出總結，指出在研究過程中的不足，在之后的研究中加以改正。第二章UWB無線定位技術2.1UWB定位理論超寬帶(UltraWideBand,UWB)是一項新的無線定位技術，采用3.1GHz-10.6GHz的頻譜范圍，頻譜帶寬為500MHz以上，擁有很強的抗干擾能力和較高的定位精度。一般的通信系統(tǒng)都是采用一種頻率較高的載波對窄帶信號進行調制，而實際情況中信號的帶寬卻很小，從而導致頻帶利用率下降(廖明軒，杜景瀾，2018)。UWB與常規(guī)的定位技術相比，給定這些條件可以推知其情況沒有載波分量，而且脈沖作用時間很短，從而在頻段范圍內實現超寬帶，超寬帶技術的名字正是由此得來。2.2UWB定位優(yōu)勢常見的室內定位技術UWB、Wi-Fi、ZigBee、藍牙技術等。Wi-Fi技術允許把電子設備連接到無線局域網[121,可以在沒有物理連接的情況下，將其它的各種設備如電腦連接但是它的成本很低。藍牙技術是一種低功耗定位技術，適用于近距離定位，在室內安裝藍牙系統(tǒng)，就可以獲取目標的位置信息。其優(yōu)點是無線信號不易受視距因素的干擾，缺點是成本較高。由表2.1可得，與其他的室內定位技術比較，UWB有以下優(yōu)勢(章澤霖，(1)傳輸速率高根據香農公式可以得出，由于信道容量與頻帶寬度成正向相關性，當UWB所具備的頻段范圍更廣，信道的傳輸速率也就會更高(胡啟銘，賀博遠，2020)。(2)系統(tǒng)抗干擾能力強從射頻原理上來看，UWB的抗干擾能力遠強于一般電磁波，而且與傳統(tǒng)的無線定位技術相比，受到外部環(huán)境干擾信號的影響也會更小(溫子墨，龐啟航，2021)。(3)穿透性強星信號的強度很小，接收機無法接受到有效信號，不能進行準確地定位(何景云，嚴俊馳，2022)。而超寬帶定位技術能夠有效克服這一問題。(4)功耗較低來實現(蘇明杰，吳啟銘，2023)。(5)定位精度高常規(guī)系統(tǒng)要高出百倍，而且定位精度一般不超過幾公分(林浩淼，鄭嘉言，2024)。2.3UWB定位方法定位技術藍牙最大傳輸速率強弱/穿透性強弱強/功耗低較低高/定位最遠距離定位精度ToF(TimeofFlight)飛行時間測距法是通過計算兩個設備之間無線電磁波傳輸所需的時間，也就是說計算無線電磁波的發(fā)送時刻和接收時刻[131,進而換算成兩個設備之間的距離(高啟銘，陳景云，2019)。ToF可以分為直接ToF和間接ToF,直接ToF的原理是直接計算信號的飛行時間，采用脈沖調制方式；間接ToF的原理是利用相位差間接計算信號的飛行時間，采用連續(xù)波調制方式(李文博，王志遠，2018)。直接ToF與間接ToF相比，憑借已有成果可得出推導結果具有功耗更低、測量精度更精準、快速響應等優(yōu)點，所以本文采用的是測距方法為直接ToF。接接收端發(fā)送端T4一共有兩個設備，分別是發(fā)送設備與接收設備，對應到本次設計則為基站與標簽，發(fā)送端在T?時刻將信號發(fā)送給接收端，在一段時間的傳播之后，信號在T?時刻到達接收端，接收端收到信號后，由此可以推知其意又在一段時間后把信號發(fā)送到發(fā)送端，發(fā)送端在T?時刻收到信號。測距原理如圖2.1所示(張子凡，劉一鳴，2019)。把發(fā)送端發(fā)出信號到發(fā)送端接收到來自接收端發(fā)送的信號的時間間隔記為Ta,Ta=T?-T?;把信號到達接收端到接收端再把信號發(fā)出去的時間間隔記為Tb,Tb=T?-T?。因為兩個設備的時鐘頻率相同，因此信號在兩個設備之間的單向飛行時間T=(Ta-Th)/2,將兩個設備之間的距離記為d,則d=Tc,其中c代表無線電磁波傳播速度(陳思遠，趙天磊，2020)。依據這些表現可以判斷出室內定位的測距是以視距為基礎測量的，若有障礙物存在，則會增加接收時間，增加測量距離(周靖宇，徐嘉誠，2021)。另外，不同的基站之間的時鐘會有細微的差別，若能使基站的時間脈沖保持同步，就能提高定位的準確率。在本設計的優(yōu)化流程中，本文著重權衡了經濟效率與方案的普及潛力，相較于原始構想，在諸多層面實施了調整與優(yōu)化。首要之舉是在成本管控上，通過剔除冗余步驟、選用成本效益更佳的方案，顯著削減了總體執(zhí)行費用，提升了方案的性價比。此外，為了拓寬方案的適用范圍，本文在設計階段深入考量了地域與環(huán)境的差異性，保證其在多樣情境下均能穩(wěn)定運作，便于其他實體輕松采納與實施。2.3.2三邊定位三邊定位原理為繪制三個圓，圓心為三個基站所在的位置，半徑為通過ToF算法求得的標簽到三個基站的距離，標簽的位置就是三個圓相交的點的坐標，從而實現對標簽的定位。三邊定位原理如圖2.2所示(吳明杰，孫浩淼，2022)。將三個基站的坐標設為(x?,y1),(x?,y?),(x?,y?),搭載標簽的小車的坐標為(x,y),對應的標簽到基站之間相應的距離分別為d?,d?,d?。足以說明通過一系列方程組即可確定標簽的坐標(鄭皓天，何啟航，2023)。式(2.1)為非線性方程組，由方程組中前(n-1)個方程減去第n個方程，便可得到線性其中Ax=b用最小二乘法解得(黃俊馳，高逸，2024)X=(ATA)-1ATb理想條件下，畫的三個圓剛好交于唯一—點。但各個部分的功耗都不相同，所以測量出的距離不會是理想條件下的(林澤昊，唐振宇，2020)。事實上，三個圓是在一片小區(qū)域內相交，所以利用三邊定位算法計算出的(x,y)坐標值有偏差存在?，F有結果支持以下推論要解決這一問題，就要求使用一種更優(yōu)的算法來估算出一個比較理想的位置，并將它作為該坐標的最優(yōu)解。本研究在此采納了既有的策略來構建計算框架，并對其進行了適度簡化，旨在增強其實際應用價值和易操作性。通過詳盡剖析與評估現有策略，本文識別并剔除了繁瑣且非必要的環(huán)節(jié)，優(yōu)化了整個流程，最終打造出一個更加精簡高效的計算模型。此舉不僅縮減了資源消耗，還加快了處理速度，使得本方案在維持原有效能的基礎上，更便于執(zhí)行與普及。同時，本文還實施了一系列驗證流程與質量控制手第三章基于UWB技術的智能小車的系統(tǒng)實現本文所設計的智能小車系統(tǒng)的總體框架如圖3.1所示。電源模塊采用兩節(jié)18650鋰電池供電?？刂颇K使用STM32單片機。給定這些條件可以推知其情況電機驅動模塊需要使用到L298N芯片來達到驅動電機轉動的目的(邱奕辰，余睿哲，2019)。循跡模塊使用的傳感器為TCRT5000傳感器，實現小車根據目標軌跡行進的功能。避障模塊鑒于超聲波原理實現檢測障礙物功能。標簽模塊采用DW1000芯片。電源模塊該模塊使用兩節(jié)18650型的鋰電池來為智能小車提供工作電壓。18650鋰電池如圖3.2所示。18650是索尼公司制定的一款長65毫米、半徑18毫米的標準型鋰離子電池。18650鋰電池與一般電池相比電池容量更大，于此特定環(huán)境不難看出其端倪而且使用時間也比一般的鋰離子電池要長一倍(夏煜宸，魏宏毅，2021)。此外，18650鋰電池的工作性能非常穩(wěn)定，所以在工業(yè)上得到了廣泛應用。I/=Doublepow925WUB?N-on該模塊以STM32單片機為主控制器，STM32單片機與51單片機相比，接口資源更加豐富，運算速度也更快，依據該理論框架研究可推導出大約是52單片機的幾十倍(顧家明，錢文博，2018)。該模塊的系統(tǒng)采用的是STM32F103C8T6芯片，這款芯片為32位微處理器，以Cortex-M3為內核，芯片硬件為LQFP48封裝151,屬于ST公司的STM32系列。STM32F103C8T6芯片如圖3.3所示。sNRSTvss_223456789圖3.3圖3.3該芯片一共有44只引腳，主控制器根據引腳16和引腳17設置模塊參數，并對所接收的信息進行控制(謝天磊，馮子凡，2019)。引腳27和引腳28的功能是與無線傳輸模塊完成通信，在SPI接口與WiFi數據包之間實現數據的雙向透明轉發(fā)，完成數據傳輸的功能。引腳20和引腳44是模式選擇引腳，憑借已有成果可得出推導結果其功能是確定芯片運行程序的位置(潘一帆，楊思遠，2020)。該模塊使用的芯片是是L298N驅動芯片。L298N芯片的作用是與周圍電路共同構成電機驅動模塊，使電機轉動(羅志剛，蔡一鳴，2021)。由此可以推知其意電機不能直接連接電源進行轉動，L298N能夠接受高電壓，一片芯片能夠同時對兩臺電機實現控制，使其工作電壓為6V到46V,輸出電流為2A,具有反饋檢測功能。L298N利用芯片的I/O輸入來調節(jié)控制電平，從而直接控制電機使電機實現驅動，適應大電流驅動的要求。L298N芯片引腳圖如圖3.4所示(韓嘉誠，馬浩淼，2022)。該模塊采用的是紅外傳感器，紅外傳感器可以不斷地發(fā)出紅外線，小車在運動過程中，它會向地面持續(xù)發(fā)出紅外線，依據這些表現可以判斷出它碰到地面會產生一種反射，產生的反射光會被小車上的傳感器所吸收；而紅外光觸碰到黑線，不會發(fā)生任何反應(朱啟航，林逸靖，2023)。循跡模塊的工作原理就是通過紅外線有無被接收管接收來判斷小車的運動路線，實現小車的循跡功能。本系統(tǒng)采用的TCRT5000傳感器，但紅外傳感器探測距離有限，一般不超過3cm。TCRT5000傳感器如圖3.5所示。足以說明該傳感器的工作電壓為3.3V-5V,可用來檢測障礙物以及電度表的數據采集(何振宇，王宏毅，2024)。該傳感器一共有四個引腳，分別是VCC、GND、DO、AO。引腳VCC與電源正極相連接；引腳GND與電源負極相連接；引腳DO用于輸出開關信號；引腳AO用于輸出模擬信號，此引腳一般可以不接。在此背景下，本文針對原始數據的處理方式相較于以往的研究顯得更為簡潔且高效。本文采納了一種更為簡捷的預處理手段，這一手段削減了多余的轉換環(huán)節(jié)，優(yōu)化了數據清洗與標準化流程，進而顯著提升了信息處理的速率與效能。采用此法，本文得以迅速籌備好分析所需的信息集合，同時減少了復雜處理流程可能帶來的誤差風險。此外，經過對不同渠道和種類的信息實施全面測試，本文進一步確認了本方案的穩(wěn)固性與可信度。3.1.6避障模塊該模塊采用的是超聲波避障模塊。超聲波在傳播的過程中，能量容易被集中，而且擁有很強的方向性(李澤昊，趙睿哲，2020)。現有結果支持以下推論測距原理為首先測出在小車和障礙物之間傳輸超聲波所需的時間t,然后再用超聲波傳輸速度乘以傳輸超聲波所需的時間t,就可以求出小車和障礙物的距離。將小車紅外循跡模塊與超聲波相結合，利用程序編程，可以實現功能：在超聲波檢測到前方有障礙物時，小車停止運動；在前方沒有障礙物時，小車會根據紅外循跡模塊探測到的運動軌跡行駛(宋靖宇，孫啟明，2019)。本系統(tǒng)使用了HC-SR04超聲波測距傳感器，由兩個傳感器組成。其中一臺是將電子信號轉換為40KHz超聲波脈沖的發(fā)射機，在本文的研究框架下考慮了這一情形另一臺是接收機，負責監(jiān)測所發(fā)射的脈沖。若接收到這些信號，就會生成一個輸出脈沖，其寬度可以用來決定脈沖的傳輸距離。該傳感器的尺寸非常小，能夠實現2-400cm的無接觸距離檢測，測量精度可達到3mm。HC-SR04超聲波測距傳感器如圖3.6所示(崔皓天，該模塊共有四個引腳，分別是Vcc、Trig、Echo、Gnd。引腳Vcc是電源輸入端；引腳Trig用于輸入觸發(fā)信號；引腳Echo用于輸出回響信號；引腳Gnd是接地端。3.2UWB定位系統(tǒng)設計UWB定位系統(tǒng)主要由三部分構成，分別是通信基站、電子標簽和上位機。本系統(tǒng)利用DW1000芯片通過撥碼開關實現了基站與標簽的確立[16]。給定這些條件可以推知其情況設計框圖如圖3.7所示。基站1基站1交換機基站2基站3圖3.7UWB定位系統(tǒng)設計框圖接到上位PC機(譚明杰，吳逸飛，2022)。當標簽分別向3個基站發(fā)送信號時，于此無線通信標準，數據包的最大長度為1023字節(jié)，依據該理論框架研究可推導出能適應所以在室內定位時也得到了廣泛的應用(許文博，鄭啟航，2023)。DW1位系統(tǒng)。DW1000芯片引腳圖如圖3.8所示。DW1000芯片支持四種SPI通信模式。一共有49個引腳，用戶可以直接對8個GPIO引腳進行獨立的配置。引腳39,40,41和24都是SPI通訊接口。數據傳輸協(xié)議允許對一個字節(jié)或多個字節(jié)進行讀寫訪問，憑借已有成果可得出推導結果全部字節(jié)的傳送都是按照從高到低的順序。引腳SPICSN為SPI芯片選擇引腳，輸入低電平有效(孔天磊，黃嘉誠，2024);引腳RSTn為復位引腳，作用是實現DW1000芯片的重置，由此可以推知其意該引腳持續(xù)輸入低電平時DW1000就會被重置；引腳GND是接地端。為削弱外部環(huán)境對方案成效的干擾，本研究在策劃及執(zhí)行流程中采納了多項措施來保障數據的精確度和方案的穩(wěn)固性。首要步驟是深入探討了可能左右方案執(zhí)行質量的外部要素。基于此探討，本文在方案構思階段融入了環(huán)境響應性評估的手段，借助模擬多樣化的外界環(huán)境條件來預估它們對方案成效的潛在作用，并依據這些預估調整方案的設計指標，以提升其靈活性和耐抗性，保證方案能敏捷適應外界變動，保持其效用和時效性。3.2.3上位機系統(tǒng)設計本文的上位機使用PC機，用于顯示小車的運動軌跡以及搭載標簽的智能小車到各基站的距離(嚴啟明，邱逸皓，2020)。依據這些表現可以判斷出下位機收到來自上位機的動作命令后，先對該命令進行分析，然后再將該命令傳送給電機驅動器，從而使智能小車根據上位機的命令做出相應的動作。上位機和下位機的端口電平不同，上位機和下位機之間不能直接連接，所以需要通過串口模塊使端口電平一致。串行接口能把從CPU接收到的并行數據變換成連續(xù)的串行數據傳輸；足以說明并且將接收到的串行數據轉換成向CPU傳送的并行數據(姜一帆，余嘉誠，2019)。通常用來實現這個功能的線路叫做串行接口，目前通用的標準是本文的串口模塊采用的是MAX232芯片，在本文的研究框架下考慮了這一情形這款芯片是一種電平變換芯片[17]。使用+5v的單電源提供工作電壓，符合RS-232標準。MAX232芯片引腳圖如圖3.9所示。MAX232芯片內部結構可分為三部分：(1)電荷泵電路部分：該部分為引腳1到引腳6組成。功能是為串口電平提供+12V和-12V電源。(2)數據轉換通道部分：此部分為引腳7到引腳14組成。數據通道可以分為第一數據通道和第二數據通道(陸啟航，高皓逸，2021)。第一數據通道由引腳11、引腳12、引腳13、引腳14組成。第二數據通道是由引腳7、引腳8、引腳9、引腳10組成。在進行數據轉換時，先把數據從引腳10和引腳11輸入，然后將轉換后的數據從引腳7和引腳14送入計算機DB9;再將DB9的數據由引腳8和引腳13輸入，最后由引腳9和引腳12輸出數據。(3)供電部分：引腳15和引腳16。第四章系統(tǒng)測試結果及分析在房間內布置三個通信基站A1、A2、A3,給定這些條件可以推知其情況再把三個基站與交換機連接，最終與上位機PC相連。其中三個基站要保持高度一致，位置固定，在實驗過程中，搭載標簽的小車可以隨意移動。測試環(huán)境如圖4.1所示(戴振宇，陳嘉誠，2022)。4.2測試方案設計根據3.2節(jié)所設計的UWB定位系統(tǒng)可知，標簽和基站是通過DW1000芯片上的撥碼開關來設置。撥碼開關功能如圖4.2所示，于此特定環(huán)境不難看出其端倪通過調節(jié)撥碼開關，可以實現對節(jié)點的類別、數量進行設置。因為本系統(tǒng)使用三個基站和一個標簽節(jié)點完成定位，因此將三個節(jié)點設置為基站，一單元數量：錨點[0~2]標簽[0~7]單元類型：5[ON]實驗步驟如下：1.如圖所示布置三個基站，三個基站坐標分別為(0,20),(0,0),(20,0)。2.打開上位PC機，根據已知條件來設置各個基站的坐標。3.建立上位PC機和搭載標簽的小車之間的通信，先依次算出標簽到基站的距離，之后開始進行定位，重復五次實驗并記錄實驗結果(湯皓志，胡嘉誠，2024)。理論上，如果實施方案時輸入的信息與預期相符，則可以期待產出的結果達到設計標準。這意味著，初始設定和參數選擇準確，并且使用的模型或理論框架構建得當的話，結果的可靠性和有效性會較高。這不僅需要精確的數據輸入，還需要科學合理的分析方法、先進的技術工具以及恰當的研究手段。同時，也要考量外部因素對研究結果的影響，確保整個過程具有可控性及可重復性，為結論的廣泛適用提供保障。4.設置目標軌跡，觀察小車的行進軌跡。5.在有障礙物的平面上，觀察小車的運動情況。對比目標軌跡與小車的行進軌跡可得出所設計的小車能夠實現循跡功能，但由于存在系統(tǒng)誤差，小車的運動軌跡會略有波動。小車遇到障礙物后，依據該理論框架研究可推導出可以根據紅外探頭的反饋來判斷往哪個方向前進，從而實現小車的自主避障功能(彭啟航，徐逸天，2021)。4.3.3定位功能利用PC機實現小車的運動軌跡和小車的位置坐標的實時顯示，如圖4.3所示，定位結果如表4.1所示。位置編號12345通過對測試數據進行分析，標簽和基站之間實際距離與測量距離的誤差在10cm以第五章總結與展望隨著智能小車的發(fā)展，智能小車在許多領域都得到了廣泛應用。對智能小車的主要研究方向是定位，定位按照環(huán)境的不同，可以分為室外定位和室內定位兩種。室內定位需要用到UWB定位技術。通過以上的分析，本文的主要工作內容如下：首先介紹了智能小車的重要性，對于室內定位，最適合的方案就是UWB無線定位技術，不僅定位精度高，而且功耗小，成本低，之后分別簡述了智能小車和UWB技術對UWB無線定位技術從三個方面做了充分的介紹，分別是UWB定義，優(yōu)勢以及UWB定位技術。UWB定位技術與傳統(tǒng)的無線定位技術相比，憑借已有成果可得出推導結果定位精度更高、功耗也更低。UWB技術采用的定位方法主要包括ToF測距與三邊定位算法兩部分。對本文所需的智能小車進行系統(tǒng)設計。之后介紹了UWB定位系統(tǒng)的組成，包括電子標簽、基站和上位機三部分，標簽和基站都是通過撥碼開關對DW1000芯片的配置來建立。最后通過系統(tǒng)測試得出結果并分析，UWB定位技術的誤差在10cm以內。5.2展望本論文所設計的基于UWB技術的智能小車雖然具有較高的定位精度，但由于實驗環(huán)境存在限制性，本論文的研究中仍存在著一些不足之處：(1)由于不同的環(huán)境對基站的測距有一定的影響，例如標簽與基站的本機時鐘不同源，會造成同步誤差、經緯度誤差等，所以在進行定位系統(tǒng)部署之前，必須先對UWB無線收發(fā)器進行標定。(2)超寬帶定位系統(tǒng)中由于受噪聲干擾會產生波動偏差，所以必須進一步優(yōu)化超寬帶定位算