基于UWB定位技術的多功能移動智能體的開發與應用

廖倩倩 鄭臣志 黎思瑞 陳靜 郭育杉

【摘? 要】針對傳統室內定位技術精度較低的情況，本文設計了基于UWB定位技術的多功能移動智能體系統。選用STM32作為控制核心，基于DW1000的UWB定位模塊作為信號的發生器。實驗結果表明，基于超寬帶（UWB）定位技術的移動智能車能夠運行穩定，可以實現定位功能，并在多基站系統下，能夠達到了更好的定位精度設計要求。

【關鍵詞】超寬帶（Ultra-wideband）定位系統;STM32;移動智能體

引言

超寬帶（Ultra-wideband， UWB）是一種發射納秒級窄脈沖的無線載波通信技術。它具有系統復雜度低，發射信號功率譜密度低，截獲能力低，抗干擾能力強，定位精度高等特點，更適用于室內和地下等密集多徑場所的高速無線接入任務場景。

當今基于全球導航衛星系統（GNSS）和移動通信網基站室外定位技術已日趨完善、統一。而對于室內定位導航技術領域，則出現多元化室內定位方案，且目前這些室內定位技術都存在一定局限，尚無一種較為普適性技術滿足各種場景需求。如藍牙技術穩定性稍差，受噪聲信號干擾也比較大;紅外線定位技術則容易受到室內墻體或物體的阻隔;WiFi技術則只可以覆蓋半徑90米左右的區域，而且很容易受到其他信號的干擾。而UWB技術，它在室內可以實現精確的定位，以及對墻體穿透影響減少，是目前適合室內定位的一種優勢技術。

隨著智能時代的到來，人們愈發需要智能衍生產品以滿足生產，生活需求。尤其需要能滿足特定場景任務的移動智能體。鑒于UWB技術相對于其他傳統室內定位技術的優勢，將UWB技術與移動智能體相結合將成為新的發展趨勢。同時可以用于工業生產、倉儲物流、體育運動等場景?；赨WB室內定位技術的移動智能體可以應用于送餐服務機器人，實現送餐機器人的室內精確定位與遠程觀察與控制，查看實時位置狀態與控制機器人行動。因此，將UWB定位技術用于實際生活，已經成為一種不可或缺的趨勢。本文以載有UWB定位模塊的移動智能車為載體，探討在不同數目的定位基站下，對移動智能車定位導航的精度的影響。

1.UWB的定位原理

對室內定位系統中待測目標進行位置估計，先將定位標簽附著在待測目標上，待測目標的估計位置坐標主要由兩個步驟構成，首先采用合適的方法測量待測目標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間（Time Of Flight，TOF）獲得信號強度信息，然后將距離信息代入具體的定位算法進行計算，得出待測目標的估計位置坐標。

TOF節點A發出測距信息，同時啟動計時器計時，經過時間后節點B收到信息，由于A，B時鐘不同步，B無法確認。節點B收到信息后立即啟動計時，若收到的是奔放測距命令后，則向節點A發出應答信息（其中包括B節點處理時間設為），節點A在時間后收到來自B的應答信息后終止本輪及時。一輪測距往返時間設為

對于節點B來說，是可測常量，因此有單次單向飛行時間為

但是，傳統的TOF算法有一個比較嚴格的約束條件，即發送設備和接收設備必須始終同步，這是一個比較棘手的問題。而雙邊雙向測距（Double-sided Two-way Ranging）算法巧妙的避開了這個問題，它不僅利用了TOF測距的優良特點，而且規避了TOF的同步的強約束問題，從而推動了TOF的實用化進程。

為了避免雙方式方法中A，B晶體頻率引起的計時誤差，引入雙邊雙程（Symmetric Double-Sided Two-Way Ranging， SDS-TWR）算法。如圖2-1所示，可以看出飛行次數為四次，AB分別測距一次。Ta1，Tb1分別為A，B所計時的一輪測距所用往返時間。Ta1，Tb2分別為A，B處理數據的時間，得到的單次單向飛行時間為

2.多功能移動智能體系統設計

2.1多功能移動智能體總體功能的系統框圖

本系統硬件可以分為3部分：UWB定位模塊、主控板、電機驅動板。UWB定位模塊通過單獨的電源供電，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據發送到主控板中，以便主控板進行解析。主控板上主要有STM32最小系統、穩壓電路、驅動隔離接口電路、超聲波接口電路、OLED接口電路、以及LED和按鍵6個部分。主控板以STM32為控制核心，通過各個接口實現對各個模塊的控制和驅動。電機驅動板也分為主控制器電路、穩壓電路、電流采樣電路、功率驅動電路4個部分。系統框圖如圖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內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器（高達128K字節的閃存和20K字節的SRAM），豐富的I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設。主要實現與上位機的通信、運動控制指令的執行、電機的運動控制等功能。

DWM1000模塊實現基站與標簽之間的無線通信，完成TOF原理的定位操作。DWM1000模塊向另一塊DWM1000模塊發送UWB信號，后者將計算接收到的UWB信號的時間以飛行時間來確定兩者之間的距離，可通過飛行時間的長短確定距離的遠近。

DWM1000板上的DW1000芯片是基于CMOS的低功耗無線收發集成電路。DW1000可通過提供收發時的數據幀紀錄時間戳，計算兩節點間的距離公式：

進行兩點間測距。同時，得到數據幀收發時間戳，還必須提供足夠高的時鐘精度，由于1ns的時間電磁波就傳輸了30cm，通過鎖相環（Phase-Locked Loops，PLL）使得時鐘達到了64G頻率，使得DW1000具備了超高精度的時間戳。此外，實現定位功能則需要一個終端分別和多個基站通信，分別得到終端與各個基站的距離。從而得到了終端在此定位系統中的位置。

2.3避障模塊

本設計采用超聲波傳感器HC-SR04實現避障，最大射程為4m，最小射程為2cm，測距精度可達3mm。超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播時，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時。聲波在空氣中的傳播速度為，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離：

通過超聲波傳感器不斷發射和接收，小車做出相應的反應動作即可實現避障。

2.4移動智能體的運動模塊

該模塊為載有含增量式霍爾編碼器的電機。該編碼器中心含有光電碼盤，其上有環形通、暗的刻線，通過光電發射和接收器件進行數據傳輸，獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D，每個正弦波相差90度相位差（相當于一個周波周期），將反向的C、D信號，疊加在A、B兩相上，可增強穩定信號;另每轉輸出一個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與反轉，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。

3.實驗數據與分析

實驗進行于的房間內，以房間橫向方向設為X軸，縱向方向設為Y軸，移動智能小車攜帶一塊UWB定位標簽。移動智能小車如圖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簽測距即可計算出坐標，通過記錄預設定的自定軌跡與小車跟隨軌跡的實驗數據，來估測移動體的定位精度情況，采用均方根誤差（Root mean square error， RMSE）

其中，表示在采樣點處的移動小車的跟隨軌跡點坐標，表示在采樣點處的移動小車的自定義軌跡點坐標，為實驗采樣點坐標的個數。

自定軌跡采用正常步速運動。單基站定位跟隨系統其運動路徑與單基站定位跟隨小車運動路徑如圖3-2所示。通過測試數據分析可知，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其運動路徑與雙基站定位跟隨小車運動路徑如圖3-3所示。通過測試數據分析可知，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。

三基站定位跟隨系統其運動路徑與三基站定位跟隨小車運動路徑如圖3-4所示。通過測試數據分析可知，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。

實驗結果表明，三定位基站系統下，移動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。同時表明，隨著定位基站的數目和安置基站的位置的合理布局，可提高移動小車的定位精準度。

4.結語

本文設計了一種基于UWB技術的多功能移動智能體，主要分析UWB系統的定位原理及方法，并且以STM32和DWM1000模塊為主體進行硬件電路設計和相應的軟件執行程序。經過實驗測試，本系統能夠在既定環境內完成準確定位。隨著小車定位基站的布局不斷優化，可以提高移動智能體的定位效果，減少定位誤差。

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基金項目：西北民族大學國家級創新創業訓練資助項目 （202010742064）。

作者簡介：廖倩倩，女，漢族，湖南衡陽人，學生，本科，研究方向為物聯網工程。

鄭臣志，男，漢族，湖北荊門人，學生，本科，研究方向為物聯網工程。

黎思瑞，男，土家族，湖南張家界人，學生，本科，研究方向為電子信息工程。

陳靜，女，漢族，湖北仙桃人，學生，本科，研究方向為物聯網工程。

郭育杉，女，漢族，遼寧大連人，學生，本科，研究方向為電子信息工程。

西北民族大學? ? 甘肅蘭州? ? 730000