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室内定位——UWB测距及定位原理

发表时间:2020/12/22 17:53:10

室内定位——UWB测距及定位原理

 

我们都知道卫星信号在室内会被严重的影响,从而导致GPS或是北斗无法发定位。所以在室内定位主要采用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系,从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。除通讯网络的蜂窝定位技术外,常见的室内无线定位技术还有:Wi-Fi、蓝牙、红外线、超宽带、RFID、ZigBee和超声波,今天我们来谈谈UWB-Ultra Wideband(超宽带)定位原理。

UWB是什么?

超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波,而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据,从而具有GHz量级的带宽。

UWB与传统的窄带系统相比有什么区别?

超宽带系统与传统的窄带系统相比,具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此,超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航,且能提供十分精确的定位精度。

UWB的测距原理

双向飞行时间法(TW-TOF,two way-time of flight)每个模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳 。模块A的发射机在其时间戳上的Ta1发射请求性质的脉冲信号,模块B在Tb2时刻发射一个响应性质的信号,被模块A在自己的时间戳Ta2时刻接收。有次可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间,从而确定飞行距离S。S=Cx[(Ta2-Ta1)-(Tb2-Tb1)](C为光速)

 

TOF测距方法属于双向测距技术,它主要利用信号在两个异步收发机(Transceiver)之间飞行时间来测量节点间的距离。因为在视距视线环境下,基于TOF测距方法是随距离呈线性关系,所以结果会更加精准。我们将发送端发出的数据包和接收回应的时间间记为TTOT,接收端收到数据包和发出回应的时间间隔记为TTAT,那么数据包在空中单向飞行的时间TTOF可以计算为:TTOF=(TTOT-TTAT)/2

                                                                              

 

然后根据TTOF与电磁波传播速度的成绩便可计算出两点间的距离D=CxTTOF

TOF测距方法和两个关键侧约束:

1、发送设备和接收设备必须始终同步

2、接收设备提供信号的传输时间的长短

为了实现始终同步,TOF测距方法采用了始终偏移量啦解决始终同步问题,单由于TOF测距方法的时间以来与本地的远程几点,侧距精度容易受两端节点中的始终偏移量的影响。为了减少此类错误的影响,这里采用反向测量方法,即远程节点发送数据包,本地节点接收数据包,并自动响应。通过平均正向和反向多次测量的平均值,减少对任何始终偏移量的影响,从而减少测距误差。

 

 

UWB的定位原理

知道了UWB的测距原理,再来了解UWB的室内定位原理就很容易了。UWB的室内定位功能和卫星原理很相似,就是通过室内布置4个已知坐标的定位基站,需要定位的人员胡总恶化时设备携带定位标签,标签按照一定的频率发傻脉冲,不断和4个已知位置的基站进行测距,通过一定的精确算法定出标签的位置!更多咨询:0755-83408210

 

UWB室内定位原理

 

 

    遮挡主要指室内定位UWB基站和定位标签之间存在障碍物,阻碍了信号直接被互相接收,从而影响定位。

室内定位UWB障碍展示





遮挡对UWB定位的影响主要分以下几种情形

 

1、实体墙:一睹实体墙的这种遮挡将使得UWB信号衰减60-70%定位精度误差上升30厘米左右,两睹或者两睹以上的实体墙遮挡,将使得UWB无法定位。

 

2、钢板:钢铁对UWB脉冲信号吸收很严重,将使得UWB无法定位。

 

3、玻璃:玻璃遮挡对UWB定位精度没太大影响。

 

4、木板或纸板:一般厚度10厘米左右的木板或纸板对UWB定位精度没太大影响。

 

5、电线杆或树木:电线杆或者书面遮挡时需要看他们之间距离基站或者标签的距离,和基站和标签的相对距离比较是否很小,比如,基站和定位标签距离50米,电线杆或者树木正好在两者中间,25米处,这种遮挡就无大的影响,如离基站或者标签距离很近小于1米,影响就很大。

 

                                                         UWB室内定位基站布置原则

一:精准的三维定位每隔50-100米步骤一个定位基站,使得任意时刻 都有四个基站能接受到标签发出的脉冲!

UWB室内定位三维布点

 

二:一维定位就是测距应用,适用于隧道,矿井对定位精度不高场景,精度在0.3米左右

UWB室内定位一维布点

 

 

 

1.3系统定位维度

根据应用场景的不同,可以实现一、二、三维定位。

1.3.1一维定位

典型应用为巷道定位,只需要定位目标在这个巷道的相对位置。一般会忽略巷道的宽度。

在这种模式下,可以采用基站时间同步的方式实现一维定位。

1.3.2二维定位

二维定位需要确定在空间的X、Y 坐标。分两种情况

1.3.2.1 类似于道路的伪二维定位

和一维定位非常类似,但采用测距的方式实现定位功能。通过标签离基站的距离,计算标签的位置,有于场景的特殊性,可以计算出标签的最终位置。

1.3.2.2标准二维定位

通过三个以上的基站,确定区域内的标签的位置。可以得出基站的二维坐标。在这个系统中,由于只有二维坐标,需要关注“垂直投影”带来的误差。如下图:

基站4 和其他基站不在同一个平面上,若做测距,得到的是标签和基站4 的斜边的距离,需要通过投影到平面进行计算。

1.3.3三维定位

实现三维定位,需要求出被定位设备的XYZ 三维坐标,在基站架设的时候,需要特别拉开Z 轴的高度差,以确保在Z 轴上的精确度。若用测距的方式,三个基站就可以完成三维定位,用TDOA 的方式,必须要四个以上基站才能完成。

二、系统组成及特性

2.1系统组成

系统包含三部分:电池供电的活动标签,能够发射UWB信号来确定位置;位置固定的传感器,能够接收并估算从标签发送过来的信号;以及综合所有位置信息的软件平台,获取、分析并传输信息给用户和其他相关信息系统。  

2.2系统特性

系统定位精度高达三维15cm,为目前无线电定位最高精度;

标签刷新率从0.002Hz-33Hz可以根据环境自动分配;  

标签内置振动传感器、纽扣电池可供1年供电;

支持Linux和Windows环境,分布式结构;

定位平台功能丰富,图形化操作界面,提供API开发支持;

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