基于无载波脉冲UWB通信的室内高精度定位系统
王建威房兴刚石统照
【摘 要】超宽带（UWB）定位技术凭借其穿透力强、功耗低等优点成为现今室内定位中最具发展前景的技术。论文基于超宽带（UWB）技术的原理与优缺点对其进行优化，设计了硬件系统和软件系统，即一种在室内没有障碍物的情况下定位精度小于10cm的无线定位系统。
【Abstract】Ultrawideband（UWB）positioningtechnologyhasbeethemostpromisingindoorpositioningtechnologyduetoitsstrongpenetration，（UWB）technologybasedonitsprinciple，advantagesanddisadvantages，thispaperdesignsthehardwaresystemandsoftwaresystem，thatis，
【关键词】室内定位技术;超宽带（UWB）技术;无线通信技术;高精度定位
【Keywords】indoorpositioningultrawideband（UWB）
【中图分类号】 【文獻标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）
1引言
随着移动设备和大型娱乐场所的增加，室内定位系统和导航成为刚需，在复杂的室内环境中这一需求特别明显，时刻需要了解用户、移动设备、各类器材和一些特殊物品在复杂的室内环境中的具体位置。
新型无线网络技术不断发展，各种技术都存在着自己的优缺点，所以应取其精华去其糟粕，打造稳定性能强、适应性良好、精度高的短距离室内定位系统。
2UWB技术概述
UWB技术从20世纪就已经开始存在，它的发展备受瞩目，开始仅限用于军事领域，并不能完全应用于日常生活，这也限制了它的发展。随着科技的不断创新，UWB技术也开辟了新的道路，获得了民用产业应用的许可，在利益的推动下，该技术迅猛发展。随着社会不断地发展，我国的移动设备与大型商场日益激增，其定位与导航有了巨大的需求量，更因为该技术拥有发射功率低、穿透性强、安全系数高及不敏感于信道衰落的特点，在复杂的短距离传播室内场所可以得到广泛的应用。
3定位系统整体设计方案
3.1无线定位技术
最初的无线定位系统主要是针对室外环境所开发的，随着科技的发展，物联网技术的兴起，移动端设备数量急剧增加，这种情况下无线定位技术才逐渐应用于室内定位，其原理为：通过已知的数据信息经过算法分析与计算，测出其所需要的移动端的位置信息，从而达到无线定位。而且还可利用IR-UWB技术和多频带复用技术方案：使用多频带技术和正交频分复用技术（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）结合的实现方案。综合多种方案进行分析实验最后得出结果。
3.2系统整体设计
定位系统主要由几部分组成：基站节点、标签节点和上位机。定位系统的硬件层由基站的节点和标签节点组成，基站A1与A2所在直线与A2和A3所在的直线相互垂直，构成一个笛卡尔坐标系，经过优化的卡尔曼滤波实现定位算法，最后得出标签节点的坐标。之后标签节点与硬件设备之间通过无线通信交换数据，通过延时计算得出信号飞行时间，通过网关传输给计算机中的上位机。
3.3系统功能模块选择
定位系统的电路设计包含所有必需的电路，在本设计中只采用必要的模块（见图1）。
其中，系统包括STM32F411主控中心、DWM1000模块、控制器运行电路、电源模块等模块。
4软件设计
4.1MCU软件设计
本室内定位系统MCU软件开发环境采用由ST公司免费提供的跨平台单片机开发软件atollocTrusStudio。该款软件是由ST公司开发的，对STM32单片机客户提供免费使用的嵌入式集成开发环境。
MCU程序的运行流程包含如下几步：MCU的系统寄存器复位、配置程序预设的主频等参数、初始化使用到的外设接口、配置SPI与USART接口的工作方式、中断事件处理等，还需要对预先设置的外部的UWB芯片、数据指示模块等外部器件进行初始化，并按设计需求对定位芯片内部寄存器进行合理的配置，使其运行在适当的模式中。当定位基站中的UWB模块收到来自其他节点传送的通信请求，MCU通过程序预设指令判断收发数据包是否合法，是来自哪一个节点并判断目的，并返回相应数据包。接下来主程序将请求内容执行后的结果进行处理，通过预置算法测算出时间差等参数，并将结果数据打包成合法数据包传送回去。为了使测量出来的结果更加精确，程序在计算结果的过程中进行了适当的数据拟合，并通过实验结果对拟合参数进行了合理的修正。
4.2定位算法
系统使用改进优化后的定位算法，MCU会持续对测算的结果进行矫正，用矫正的基站标签节点的测量结果预测目标的位置。结合优化后的TODA算法，将其与卡尔曼滤波算法合理地结合后可以计算出良好的定位坐标，采用此算法可以快速地预测出标签节点的具体坐标，最终实现理想的定位效果。
4.3上位机设计
定位系统的上位机软件开发中，我们使用Python中的一个图形界面库编写。PyQt5提供了一种特殊的安全类型来替代传统的回调方式，该类型为信号槽方式，这一特殊功能大大提高了UI界面中各個组件之间的协调性，使图形界面的布局开发过程简单明了。系统稳定运行时，PC端接收并解析来自标签的数据包，将解析出来的基础数据分配给2D绘图线程。上位机程序与MCU程序可相互配合，可以在线修改MCU程序内置的固定参数，也可通过有线的方式对基站与标签实现在线固件升级等操作。
5测试与误差分析
5.1误差曲线拟合与补偿
在进行实验测试的过程中，发现在通信过程中偶尔会出现几个测量数据差距较大的情况，使实际的定位结果产生较大误差。为了减小类似的误差，对模块进行再次校准，对定位算法优化，之后对实验数据进行拟合。结果如图2所示。
5.2测试结果分析
在实验室内搭建完成定位实验的环境，通过多次的实验所得到的数据对实验结果进行分析，再将定位算法、滤波算法中的具体参数进行了多次调整并优化控制器的程序，最终成功使定位系统稳定高效地运转，测距定位效果与抗干扰能力都达到预期的精度。
6结论
本文设计的系统针对的是目前复杂的室内环境，而传统定位系统具有不易携带、设备成本高、体积大、定位精度较低等方面的问题，本文设计的定位系统可以有效解决以上问题。
取得的主要研究成果如下：①本文分析了多种定位算法的优劣，在传统定位算法基础上进行了适当的优化，并对优化后的算法在MATLAB中进行了模拟测试，采用卡尔曼滤波对传输数据进行处理，同时，提高了系统定位精度。②定位系统的硬件核心是DWM1000模块，辅以STM32F411控制器对定位数据进行处理。采用PyQt5开发定位监控软件，通过WiFi与定位目标进行数据交互，同步标签节点进行位置监测。③在实验室内模拟了实际环境，对移动目标进行了定位和追踪，发现该定位系统运行状态优良，出错率较低，并且定位精度达到了10cm。
【参考文献】
【1】赵红梅.超宽带室内定位系统应用技术[M].北京：电子工业出版社，
【2】余艳伟，徐鹏飞.近距离无线通信技术研究[J].河南机电高等专科学校学报，2012，20（3）：
【3】张和平.浅析短距离无线通信技术[J].信息时代，2012（2）：
【4】张凡，陈典铖，杨杰.室内定位技术及系统比较研究[J].广东通信技术，2012（11）：
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【摘 要】超宽带（UWB）定位技术凭借其穿透力强、功耗低等优点成为现今室内定位中最具发展前景的技术。论文基于超宽带（UWB）技术的原理与优缺点对其进行优化，设计了硬件系统和软件系统，即一种在室内没有障碍物的情况下定位精度小于10cm的无线定位系统。
【Abstract】Ultrawideband（UWB）positioningtechnologyhasbeethemostpromisingindoorpositioningtechnologyduetoitsstrongpenetration，（UWB）technologybasedonitsprinciple，advantagesanddisadvantages，thispaperdesignsthehardwaresystemandsoftwaresystem，thatis，
【关键词】室内定位技术;超宽带（UWB）技术;无线通信技术;高精度定位
【Keywords】indoorpositioningultrawideband（UWB）
【中图分类号】 【文獻标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）
1引言
随着移动设备和大型娱乐场所的增加，室内定位系统和导航成为刚需，在复杂的室内环境中这一需求特别明显，时刻需要了解用户、移动设备、各类器材和一些特殊物品在复杂的室内环境中的具体位置。
新型无线网络技术不断发展，各种技术都存在着自己的优缺点，所以应取其精华去其糟粕，打造稳定性能强、适应性良好、精度高的短距离室内定位系统。
2UWB技术概述
UWB技术从20世纪就已经开始存在，它的发展备受瞩目，开始仅限用于军事领域，并不能完全应用于日常生活，这也限制了它的发展。随着科技的不断创新，UWB技术也开辟了新的道路，获得了民用产业应用的许可，在利益的推动下，该技术迅猛发展。随着社会不断地发展，我国的移动设备与大型商场日益激增，其定位与导航有了巨大的需求量，更因为该技术拥有发射功率低、穿透性强、安全系数高及不敏感于信道衰落的特点，在复杂的短距离传播室内场所可以得到广泛的应用。
3定位系统整体设计方案
3.1无线定位技术
最初的无线定位系统主要是针对室外环境所开发的，随着科技的发展，物联网技术的兴起，移动端设备数量急剧增加，这种情况下无线定位技术才逐渐应用于室内定位，其原理为：通过已知的数据信息经过算法分析与计算，测出其所需要的移动端的位置信息，从而达到无线定位。而且还可利用IR-UWB技术和多频带复用技术方案：使用多频带技术和正交频分复用技术（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）结合的实现方案。综合多种方案进行分析实验最后得出结果。
3.2系统整体设计
定位系统主要由几部分组成：基站节点、标签节点和上位机。定位系统的硬件层由基站的节点和标签节点组成，基站A1与A2所在直线与A2和A3所在的直线相互垂直，构成一个笛卡尔坐标系，经过优化的卡尔曼滤波实现定位算法，最后得出标签节点的坐标。之后标签节点与硬件设备之间通过无线通信交换数据，通过延时计算得出信号飞行时间，通过网关传输给计算机中的上位机。
3.3系统功能模块选择
定位系统的电路设计包含所有必需的电路，在本设计中只采用必要的模块（见图1）。
其中，系统包括STM32F411主控中心、DWM1000模块、控制器运行电路、电源模块等模块。
4软件设计
4.1MCU软件设计
本室内定位系统MCU软件开发环境采用由ST公司免费提供的跨平台单片机开发软件atollocTrusStudio。该款软件是由ST公司开发的，对STM32单片机客户提供免费使用的嵌入式集成开发环境。
MCU程序的运行流程包含如下几步：MCU的系统寄存器复位、配置程序预设的主频等参数、初始化使用到的外设接口、配置SPI与USART接口的工作方式、中断事件处理等，还需要对预先设置的外部的UWB芯片、数据指示模块等外部器件进行初始化，并按设计需求对定位芯片内部寄存器进行合理的配置，使其运行在适当的模式中。当定位基站中的UWB模块收到来自其他节点传送的通信请求，MCU通过程序预设指令判断收发数据包是否合法，是来自哪一个节点并判断目的，并返回相应数据包。接下来主程序将请求内容执行后的结果进行处理，通过预置算法测算出时间差等参数，并将结果数据打包成合法数据包传送回去。为了使测量出来的结果更加精确，程序在计算结果的过程中进行了适当的数据拟合，并通过实验结果对拟合参数进行了合理的修正。
4.2定位算法
系统使用改进优化后的定位算法，MCU会持续对测算的结果进行矫正，用矫正的基站标签节点的测量结果预测目标的位置。结合优化后的TODA算法，将其与卡尔曼滤波算法合理地结合后可以计算出良好的定位坐标，采用此算法可以快速地预测出标签节点的具体坐标，最终实现理想的定位效果。
4.3上位机设计
定位系统的上位机软件开发中，我们使用Python中的一个图形界面库编写。PyQt5提供了一种特殊的安全类型来替代传统的回调方式，该类型为信号槽方式，这一特殊功能大大提高了UI界面中各個组件之间的协调性，使图形界面的布局开发过程简单明了。系统稳定运行时，PC端接收并解析来自标签的数据包，将解析出来的基础数据分配给2D绘图线程。上位机程序与MCU程序可相互配合，可以在线修改MCU程序内置的固定参数，也可通过有线的方式对基站与标签实现在线固件升级等操作。
5测试与误差分析
5.1误差曲线拟合与补偿
在进行实验测试的过程中，发现在通信过程中偶尔会出现几个测量数据差距较大的情况，使实际的定位结果产生较大误差。为了减小类似的误差，对模块进行再次校准，对定位算法优化，之后对实验数据进行拟合。结果如图2所示。
5.2测试结果分析
在实验室内搭建完成定位实验的环境，通过多次的实验所得到的数据对实验结果进行分析，再将定位算法、滤波算法中的具体参数进行了多次调整并优化控制器的程序，最终成功使定位系统稳定高效地运转，测距定位效果与抗干扰能力都达到预期的精度。
6结论
本文设计的系统针对的是目前复杂的室内环境，而传统定位系统具有不易携带、设备成本高、体积大、定位精度较低等方面的问题，本文设计的定位系统可以有效解决以上问题。
取得的主要研究成果如下：①本文分析了多种定位算法的优劣，在传统定位算法基础上进行了适当的优化，并对优化后的算法在MATLAB中进行了模拟测试，采用卡尔曼滤波对传输数据进行处理，同时，提高了系统定位精度。②定位系统的硬件核心是DWM1000模块，辅以STM32F411控制器对定位数据进行处理。采用PyQt5开发定位监控软件，通过WiFi与定位目标进行数据交互，同步标签节点进行位置监测。③在实验室内模拟了实际环境，对移动目标进行了定位和追踪，发现该定位系统运行状态优良，出错率较低，并且定位精度达到了10cm。
【参考文献】
【1】赵红梅.超宽带室内定位系统应用技术[M].北京：电子工业出版社，
【2】余艳伟，徐鹏飞.近距离无线通信技术研究[J].河南机电高等专科学校学报，2012，20（3）：
【3】张和平.浅析短距离无线通信技术[J].信息时代，2012（2）：
【4】张凡，陈典铖，杨杰.室内定位技术及系统比较研究[J].广东通信技术，2012（11）：
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