基于UWB技术的高精度定位系统设计.pdf

第34卷第1期2024年3月信阳农林学院学报Journal of Xinyang Agriculture and Forestry UniversityVol.34 No.1Mar.2024基于UWB技术的高精度定位系统设计张佑春1，游志宇，仲济艳（1.安徽工商职业学院智能制造与汽车学院，安徽合肥2 31131；2.西南民族大学电气工程学院，四川成都6 10 0 41）摘要：为了解决传统定位技术的不足，设计了UWB高精度定位系统。定位系统主要包括了电子移动标签系统、UWB天线标签系统等通信接口电路系统的软硬件设计。硬件设计主要包括主控DWM-1000芯片、DWM-1000基站天线芯片和无线通信接口等电路，软件系统主要包括了基本软件逻辑和电子便签P坐标解析算法软件流程设计，系统实现了电磁波信号发送、接收、数据计算分析和精确定位。测试结果表明，系统定位误差范围均小于10 cm，降低了非视距误差和噪声干扰影响，满足了定位系统高精度、强稳定性和低功耗的要求。关键词：UWB;F103VET6；精准定位；非视距误差中图分类号：TP393.1随着无线通信的高速发展，越来越多的智能设备青睐于定位服务（Location Based Services,LBS）。该技术主要分为室外(BDS、G PS、G LO NA SS 和GALILEO)和室内（蓝牙Bluetooth 定位、红外Infrared 定位、地磁Geo-magnetism定位、无线WiFi定位），室外技术已经相对成熟，而室内定位技术仍旧处于快速发展阶段。但是，蓝牙定位覆盖面少、红外信号强度差和地磁时效性较差，主流室内定位主要采用了UWB定位技术2 。徐永立31等人采用UWB超宽带通信定位技术结合超声波模，实现机器人在实验环境下自主避障以及目标的跟踪功能，但是位置坐标解析功能尚待完善。张鹏4等人基于UWB技术利用点对点之间根据飞行时间算法实现对点与点之间的双边测距，但对测距值校正有待提升。王玉磊5等人以STM32F103VET6处理器为核心，运用电磁波通信和TDOA定位算法在线实时获取MT位置坐标，但是MT误差仅控制在18 cm以内。为了进一步克服UWB定位缺陷，设计了基于超宽带（Ultra Wideband,UWB)技术的高精度定位软硬件系统。该系统解决了定位标签、定位基站、噪声干扰和系统非视距误差，满足了室内高精度定位要求，同时实现了低功率消耗、覆盖面广、传输距离长、抗噪声干扰强和数据实时分析。1UWB高精度定位系统总体结构设计上位机显示坐标信息电磁波信号串UWB天线口信基站A发射电磁波信号电磁波信号UWB天线UWB天线信息STM32F103VET6电磁波信号基站B发射标签接收电磁波信号UWB天线基站C发射电磁波信号图1UWB定位系统总体结构设计文献标识码：A文章编号：2 0 95-8 97 8(2 0 2 4)0 1-0 10 5-0 5时间差OLED液晶微控制器位置坐标解析板载显示C通通信信断电存储EPROM串电源管理电路信信收稿日期：2 0 2 3一0 3一14基金项目：2 0 2 2 年职业教育国家在线精品课程“电工技术”（50 5）；安徽省高校自然科学研究重点项目（2 0 2 2 AH052796）；安徽工商职业学院品牌教师培养项目（2 0 2 1ppjs09）。作者简介：张佑春（198 2 一），男，安徽庐江人，教授，研究方向：智能传感、自动化技术。:105第34卷第1期UWB高精度定位系统主要实现了无线信号接收与发送、数据分析、数据处理、数据存储和数据显示等功能 ，主要包括：（1)主控制器位置坐标解析模块，实现了时间差信息的采集、定位标签信息的实时显示；（2）UWB天线标签接收模块，通过电磁波信号实现了与UWB天线基站的信号互传；（3）电源管理电路模块，为系统提供了实时电量支持；（4)断电存储ROM模块，实现了定位标签信号的存储。UWB定位系统总设计如图1所示。基站BUWB高精度定位系统的工作原理是通过3个基站站点确t4定定位平面，利用电子移动标签和基站天线的坐标时间差去计算通信距离，从而得到电子标签的具体定位信息。UWB移动电子标签与基站天线之间通过电磁波信号实现数据交换，电子标签的核心芯片采用型号是DWM一10 0 0 7。该芯片时钟系统通过时间戳模块来实时存储通信信号的接收时间节点和信号发射时间节点，同时利用电磁波信号的传送实现标签位置的解析。基站与移动标签的定位原理如图2 所示。基站A信号发射时间戳为ti，移动标签接收信号的时间戳为t2，移动标签的信号发射时间戳为t3，基站A信号接收的时间戳为ta，电磁信号传送速率为c，那么基站与标签之间的实际距离SA计算为E8SA=(ta t,)-(t,-t)Xc同理计算得知,基站B和基站C距离电子标签的距离 SB和SC为SB=(tg-t)-(t。-t,)X cSC=(ti2-tu)-(tio一t,)X c通过SA、SB和SC的距离可以实现电子标签在室内的精确坐标解析完成室内精确定位。2UWB高精度定位系统硬件电路设计2.1UWB定位系统主控芯片模块UWB高精度定位系统的主控采用了F103VET6芯片，主要完成了上位机数据传输、UWB天线标签DWM-1000时序数据交互、OLTE液晶板载和电源等模块之间的通信桥梁9。系统时钟技术主要通过10MHz无源震荡生成10 MHz的系统时钟，为定位系统提供时间戳服务。系统复位电路主要通过PLL频率加倍技术，实现电子标签定位数据的解析。F103VET6部分引脚功能如表1所示。功能USRT4TXPA10RXPA11SCLKPA12nCTSPA13nRTSPA142.2UWB天线基站系统设计UWB高精度定位天线基站系统采用了DWM一板载天线1000芯片，该芯片主要模块包括了板载天线、模拟接收机、PLL时钟、模拟发射机、数字收发信机、电源管理、知已接口SPI。状态控制器、板载晶振时钟和SPI控制接口，支持无线电磁波信号频段3.0 6.0 GHz、最大传输数据单元10 2 4字节和实时发射功率控制等10。DWM1000芯片内部连接如图3所示。DWM一10 0 0 提供了GPIO0G PI O 6 共计7 个配置引脚，系统复位RESET后，配置引脚自动关闭数据录人功能。GPIOO一GPIO3可以实现LED的驱动，GPIO4、G PI O 5和 6 GPIO6实现了 SPI控制接口的操作控制,LED的状态变化可以查看系统的工作模式。106：信阳农林学院学报基站A图2 基站与移动标签定位原理框图表1F103VET6芯片引脚功能APB2总线(最大7 2 Hz)USRT12024年3月ttt移动标签tsttiotut+t12基站CAPB1总线(最大36 Hz)USRT2USRT3PAOPB10PA1PB11PA2PB12PA3PB13PA4PB14模拟接收机数字收发信机OPLL/时钟模拟发射机iDWM-1000IC图3DWM一10 0 0 芯片内部连接taUSRT5PCOPC3PC1PDO一板上电源管理2.83.6V电源直流供电管理DC/DCH主机接SPIIF口/SPI状态控制器(1)(2)(3)SPI控制接口板载晶振及时钟管理张佑春，等：基于UWB技术的高精度定位系统设计VDDAON接口实现了DWM一10 0 0 芯片的电池供应，可以采用低功耗模式实现数据的采集。当需要从DWM-1000中下载存储数据时，系统恢复正常供电模式11。DWM一10 0 0 芯片数据发射接口为SPI,通过SPI控制接口实现了与系统核心芯片F103VET6的对接，支持系统时钟的时间戳记录功能。2.3定位系统通信接口电路设计UWB高精度定位系统采用了UART通信接口完成了数据的传输（速率最高为1.5Mbps），通信数据的发送与接收利用FIFO功能来完成实时性保障。移动电子标签的定位解析后数据通过USB接口定时传送至上位机12 。UART主要包含了VCC接口、GND接口、RX接口和TX接口，接口低电平V=0v，接口高电平V=3.3v。定位系统通信接口电路如图4所示。定位数据的发送过程为：通过TXD接口实现数据字节的启动，利用数据的奇偶校验实现数据传输，最后通过down实现数据发动的终止。数据发送的控制由主控芯片F103VET6来完成操控，时序中断1次发送1位，经过若干次循环中断完成数据帧的完整发送。定位数据的接收通信过程为：通过时钟系统RXD接口实时采集波特率电平值，当电平值依次为0 0 1时，系统默认数据接收起始位启动。数据帧的接收控制由主控芯片F103VET6来完成操控，时序中断1次接收1位，经过若干次循环中断完成数据的完整接收13。3UWB高精度定位系统软件逻辑设计UWB高精度定位系统利用时间戳参数去计算移动标签的位置信息，设基站A的坐标为（x1，y i）、基站B坐标为（x2,y2）、基站C坐标为（x3，y:）,移动电子标签P的坐标为（x，y），电子标签P到基站A的距离为di，到基站B的距离为d、到基站C的距离为d3，A/B/C/P的位置示意如图5所示。基站A、B、C 与电子便签P之间的距离方程组可得(i-)+(yi-y)=d(2-)2+(y2-y)=d2(s-)+(ys-y)=d非线性方程组线性化的方程为AX=b,由此解得2(i-)2(a1-as)A一十2(2-13)2(a2-1s)b=-a+xi+d.di,a-ai+ya-yi+ds-ds代人A、b 后，可解出X=（A T A）-1A T b,X 便是电子便签P的坐标值。电子便签P坐标解析算法软件流程设计如图6 所示。4UWB高精度定位系统测试UWB高精度定位测试环境选择在一个10 mX9 m的室内场所进行测图6 电子便签P坐标解析算法软件流程试，测试系统由3个定位基站和3个移动标签构成，电路板由控制电路、射频天线电路、通信串口电路组成。配置基站天线参数和电子标签参数后，移动标签1、2、3的定位路径如图7 所示。为了进一步验证系统的有效性，在移动标签2.0 4.5m与4.0 8.0 m范围内做了12 0 次测量实验，通过DWM一10 0 0 芯片记录电磁波时间戳数据，在F103VE6芯片内实现标签位置坐标解析，移动标签定位节点如图8 所示。:107100nF/50V3.3V100nF/50V01C1+02V+03C1-04C2+05C2-HH06V-100nF/50VT2OUTT2IN100nF/50VR2INR20UT图4定位系统通信接口电路PBR,AR,图5A/B/C/P的位置示意图开始上初始化环境因素变量(4)时间戳记录电磁波发射和接收时间文符合位置解析标准？(5)Y求组合数立A基站处理B基站处理(6)立返回终端到返回终端到A基站的距离B基站的距离C基站的距离STM32F103VET6返回定位结果结束HIGND100nF/50V/H3.3VGNDVCC1615GNDRS232-GND14RS232-TXDT1OUT13RS232-RXDR1IN12RS232-UARTR1OUT11RS232-UARTT1IN10*C基站处理返回终端到R,N第34卷第1期109876543210系统的非视距误差计算公式为：E=V(X测-X实）?+(Y测-Y实）2经过2 0 组坐标数据信号采集并对数据进行误差分析，系统误差值分析如表2 所列。序号实际坐标1(180,60)2(400,20)3(115,244)4(77,88)5(303,110)6(44,350)7(276,589)8(109,100)9(615,569)10(8,15)通过对定位范围内经过的2 0 组定位数据对比，可以看出移动标签定位误差均在10 cm以下，满足了室内高精度定位要求。5结语UWB高精度定位系统通过基站与电子标签之间实时完成电磁信号的发射、接收和存储，,DWM一10 0 0通过时间戳信息实现电子标签的实时位置信息解析，通过中断操作实现数据字节发送和数据字节接收。主控F103VET6芯片实时解析定位参数并通过LED状态来完成系统状态监测，并时戳参数去计算移动标签的位置信息。参考文献：1周军，魏国亮，田昕，等.融合UWB和IMU数据的新型室内定位算法JJ.小型微型计算机系统.2 0 2 1（8）：17 41一17 46.2 李英明，任升莲，陈义华，等.基于无线数据的高精度超宽带定位方法综述JI.测控技术，2 0 2 2，417)：1一9.3徐永立.基于UWB技术的自主跟随机器人设计D.西安：长安大学，2 0 18.4张鹏，王晓，代作晓，等.基于超宽带技术测距的室内定位系统J.科学技术创新，2 0 2 0（2 8）：118 一119.5王玉磊，王浩全，任时磊，等.超宽带通信对移动目标的高精度定位技术研究J.单片机与嵌入式系统应用，2 0 2 0，2 0（5）：53一57.6王洋，李向国，梅志千，等.基于红外阵列传感器的火源定位方法J.系统仿真技术，2 0 2 2，18（2）：7 3一7 6 十10 2.7汪金花，杨华文，李鸣铎，等.井下地磁匹配数据的小波降噪性能研究J门.昆明理工大学学报（自然科学版），2 0 2 2，47（2）：35一46.8王春琦，孔祥琦，丁晓欢，等.基于无迹卡尔曼滤波的IMU和UWB融合定位算法研究J.南昌航空大学学报（自然科学版）.2 0 2 0（3）：8 一17.9下伟雄，朱蕴璞，何子路.基于交互式多模型的UWB定位算法及实验研究JI.国外电子测量技术.2 0 2 1（4）：2 2 一2 6.108信阳农林学院学报标签1定位数据采集标签1定位路径4.5标签2 定位路径标签3定位路径123456789图7电子标签定位路径示意图表2 系统误差值分析采集坐标误差值E(183,62)3.606(405,23)5.831(107,240)8.944(81,82)7.211(299,105)6.403(47,347)4.243(280,592)5.000(112,101)3.162(620,564)7.071(10,13)2.8282024年3月标签2标签3定位数据采集定位数据采集4.0单3.5位3.02.52.04.04.5图8电子标签定位节点示意图序号实际坐标11(103,99)12(819,728)13(796,132)14(565,338)15(201,188)16(879,341)17(463,175)18(19,56)19(309,411)20(701,650)5.05.56.0单位：米采集坐标(109,103)(825,730)(799,130)(569,340)(198,185)(870,340)(460,181)(21,55)(315,413)(696,644)6.57.07.58.0单位：cm误差值E7.2116.3253.6064.4724.2439.0556.7082.2366.3257.810（编辑：严佩峰）张佑春，等：基于UWB技术的高精度定位系统设计10徐庆坤，王天皓，宋中越.UWB与里程计融合的室内移动机器人定位设计JJ.机械设计与制造.2 0 2 1（8）：2 95-2 99.11张媛，缪相林.UWB测距室内定位算法误差分析J.导航定位学报.2 0 2 0（6）：132 一136.12史雷冰，郝建楼.UWB人员定位系统在火力发电厂的应用J.机电信息.2 0 2 0（36）：41一43.13曹江浩，谭晓东，陈乐鹏.基于UWB技术的室内移动机器人跟随系统设计J.科技创新与应用.2 0 2 1（4)：10 6 一10 8.Design of High Precision Positioning System Based on UWB TechnologyZHANG Youchun,YOU Zhiyu,ZHONG Jiyan(1.School of Intelligent Manufacturing and Automobile,Anhui Business and Technology College,Hefei 231131,China;2.School of Electrical Engineering,Southwest University for Nationalities,Chengdu 610041,China)Abstract:In order to solve the shortcomings of traditional positioning technology,a UWB high-precision positioning system isdesigned.The positioning system mainly includes the software and hardware design of communication interface circuit systemssuch as electronic mobile tag system and UWB antenna tag system.The hardware design mainly includes the main controlDWM-1000 chip,DWM-1000 base station antenna chip,wireless communication interface and other circuits.The softwaresystem mainly includes the basic software logic and the software flow design of electronic note P coordinate analysis algorithm.The system realizes the transmission,reception,data calculation and analysis and accurate positioning of electromagnetic wavesignals.The test results show that the positioning error range of the system is less than 1ocm,which reduces the influence ofnon line of sight error and noise interference,and meets the requirements of high precision,strong stability and low power con-sumption of the positioning system.Key words:UWB;F103VET6;precise positioning;non-line-of-sight error(上接第10 4页）Analysis of Volatile Component of Myrmeleon bore(Tjeder,1941)by Headspace Solid Phase Microextraction-GasChromatography-Mass SpectrometryZHAOMin,YANG Yujie,GUO Fangfang,ZHAO Xuge,CHEN Lijun,YIN Jian,XU Yunfei(School of Agriculture,Xinyang Agriculture and Forestry University,Xingyang 464000,China)Abstract:This article studies the chemical composition of volatile component in Myrmeleon bore(Tjeder,1941)and providesscientific basis for its exploitation and utilization.Methods:The volatile components from of the larva were extracted and ana-lyzed by headspace solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry(HS-SPME-GC-MS),and therelative percentage content of each component was calculated by chromatographic peak area normalization method.Results:28kinds of volatile components were isolated and 24 kinds were identified,which could be divided into types of alkanes,alcohols,esters,amines and so on.The relative content of Benzoic acid,3-(dimethylamino)-(22.98%)was the highest in Myrme-leon bore(Tjeder,1941),followed by Eucalyptol(9.971%),Terpinen-4-ol（8.0 0 4%),Et h y l-2,4,6-t r i m e t h y l b e n z o a t e(7.926%),Caryophyllene(7.050%),L(-)-Borneol(6.092%),respectively.Conclusion:In summary,the volatile compo-nent in Myrmeleon bore(Tjeder,1941)which have a variety of pharmacological activities.The results provided a theoreticalbasis for the further development and utilization of the medicinal insect resources.Key words:Myrmeleon bore(Tjeder,1941);headspace solid phase microextraction.;gas chromatography-mass spectrome-try;volatile components109