基于UWB在丘陵山地定位的可行性試驗研究*

袁旸媚，楊俊朗，姜申易，胡文武

（湖南農業大學機電工程學院，湖南 長沙 410128）

0 引言

隨著農業現代化的不斷發展，各種應用于農業機械的先進技術不斷涌現。而丘陵山地地區，由于地形復雜多樣以及受到環境等多重因素的影響[1-2]，農業機械的定位技術精度會有較大的誤差，這在一定程度上阻礙了農業機械化的推廣和農業規模化的發展。當前，我國農業機械正朝著智能化和自動化不斷邁進，而要平衡各個區域的農業發展，對于山地丘陵地區農業機械定位技術的研究是勢在必行。

為了實現農業機械智能化和自動化，需要對機械裝置的實時位置進行跟蹤。項目組采用一種基于超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術的測距定位系統，實現農業機械裝備的跟蹤和精準定位。UWB是一種無線載波通信技術，利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，工作頻段在3.25 GHz～6.75 GHz，頻寬典型值為500 MHz或1 GHz[3]，所以可以獲得亞納米的精確時間。UWB技術具有發射信號功率譜密度低、截獲率低、對信道衰落不敏感、系統復雜度低、功耗低、定位精度高等優點[4]。

為了研究UWB定位技術應用于山地丘陵的可行性，從而實現農業機械的精準跟蹤定位，利用浩如科技基于decawave公司的DWM1000模塊研發的高精度實時定位系統HR-RTLS1，進行了UWB定位技術在丘陵山地的模擬試驗以及驗證試驗，對有無樹干、葉簇等遮擋進行了對比試驗，并對于試驗得到的一系列數據和現象進行了分析處理。實踐證明，利用UWB定位技術定位農業機械，對于農業生產發展及實現農業現代化的重要戰略目標具有深遠意義[5]。

1 實驗設備與方法

1.1 技術原理

1.1.1 TWR測距

UWB裝置是通過標簽和基站間互發消息并記錄相關時間戳的方法來實現TWR測距，并計算兩模塊間的距離值。TWR測距原理圖如圖1所示，使用標簽發送一條Poll消息、基站回復Resp消息、標簽發送Final消息為一個測距周期的方法進行測距。

圖1 TWR測距原理圖

Tprop為飛行時間，計算公式為（1），結合電磁波傳播速度c（光速），得出距離公式（2）。

1.1.2 三邊測距算法

在實際定位時，若要獲得標簽的坐標位置，至少需要三個參考基站，采用三邊測量法進行測量[6]。基于UWB測距的三邊測量法理論基礎三邊測量的原理如圖2所示。

圖2 三邊測量法原理圖

以三個節點A、B、C為圓心作圓，坐標分別為（Xa，Ya）、（Xb，Yb）、（Xc，Yc），三個圓周相交于一點D，交點D即為移動節點，A、B、C即為參考節點，A、B、C與交點D的距離分別為da，db，dc。假設交點D的坐標為（X，Y）。

由上式可得到交點D的坐標為：

則：已知無人機上定位基站三點的坐標，得到測量標簽距離三個基站之間的距離，便可得到被測標簽的坐標。

1.2 平臺與硬件結構

該模塊是組成HR-RTLS定位系統的最小單元，可通過撥碼開關配置為基站或標簽；板上配有OLED顯示器，可實時顯示與其他基站或標簽的測距值[7]，如圖3所示，標簽與基站間的距離D=C(T2-T1)。

圖3 標簽（左）、基站（右）

標簽、基站測距的示意圖如圖4所示。通過脈沖在標簽和基站之間的飛行時間計算出標簽基站之間的距離。

圖4 信號傳播示意圖

1.3 試驗方案

為了研究UWB定位技術運用于山地丘陵地區的可行性，首先對于樹林環境進行了模擬。對于樹林中樹干遮擋這一因素，將樹干直徑分解成寬度、厚度兩個維度分別進行模擬分析。利用木板模擬樹干，通過厚度的疊加、寬度的疊加來模擬不同直徑的樹干。接下來在樹林實地利用樹干以及灌木叢進行驗證試驗。

具體試驗過程中，由于考慮到在樹林定位距離不超過30 m，于是模擬試驗定位距離最遠定為30 m。距離數據由電腦端收集，每組試驗收集100組數據，取平均值。

2 定位試驗及數據分析

2.1 模擬試驗

2.1.1 距離變化及視距情況模擬試驗

選擇試驗場地為空曠平直路面，在地面進行距離標記，共30個具體點。將標簽和基站固定于三腳架上，三腳架底部懸掛鉛錘以保證定位。試驗器材放置示意圖，如圖5所示，基站位置固定于O點右端1 m處，標簽從O點左端1 m處依次疊加2 m向左移動直至15 m，在每個標簽放置點都進行木板遮擋與無遮擋的對比試驗。此為一組試驗。之后基站從右端1 m處依次疊加2 m向右移動直至15 m，在每個基站放置點，都重復第一組試驗的步驟。

圖5 試驗器材放置示意圖

當基站和標簽位于每個固定點時，進行木板遮擋與無木板遮擋的對比試驗。觀察定位信號與有無木板遮擋以及距離變化的變化情況。在每個固定點進行的試驗如圖6所示。

圖6 距離變化及有無木板遮擋模擬試驗圖

記錄數據結果如表1所示。根據試驗數據發現，有無木板遮擋對定位信號存在一定的影響，誤差隨著基站標簽距離的增大有一定的波動，但波動起伏在5 cm以內，誤差保持在5 cm之內且隨著距離增大整體有下降的趨勢。

表1 模板遮擋有無及距離模擬試驗數據

2.1.2 厚度試驗

在第一步得到的數據中，當標簽基站距離為10 m時誤差為最大，為保證其廣泛可用，選取10 m作為厚度以及寬度試驗中基站標簽之間的距離。試驗確保木板能將基站標簽完全遮擋，從一塊木板開始，依次疊加木板增加厚度，標簽基站位置保持不變，距離為10 m，觀察厚度變化對于定位信號的影響。

記錄數據結果如表2所示。根據試驗數據發現，木板厚度的變化對于定位信號的影響很小，誤差僅在10 cm以內波動。

表2 厚度試驗模擬數據

2.1.3 寬度試驗

從一塊木板寬度依次增加，確保各塊木板間沒有間隙（釘住），標簽基站的位置不動，觀察寬度變化對于定位信號的影響。考慮到樹直徑的實際因素，最大寬度定為1 m。

根據試驗數據發現，木板寬度的變化對于定位信號的影響很小，誤差僅在5 cm以內波動。記錄數據結果如表3所示。

表3 寬度模擬試驗數據

2.2 實地驗證試驗

2.2.1 樹干試驗

根據以上的木板厚度、寬度的模擬試驗以及基站標簽的距離試驗，可以看到這些因素對于定位信號的影響很小。于是在樹林進行實地試驗，以進一步檢測、驗證結論。

樹林實地——樹干遮擋試驗，如圖7所示，在樹林中選取直徑大小不一的樹干，標簽基站間的距離依次增加，分別記錄在空地以及有樹干遮擋的距離數據，觀察誤差情況。選取樹干直徑為25.25 cm以及34.06 cm的兩棵樹進行試驗，數據記錄如表4、表5所示。

圖7 樹林實地——樹干遮擋試驗

表4 25.25 cm樹干試驗數據

表5 34.06 cm樹干試驗數據

通過以上試驗發現，樹林實際環境的測距誤差較模擬試驗誤差有10 cm～35 cm的差距，誤差都保持在35cm左右，且以上數據中90%以上的誤差值處于10 cm～30 cm之間。

2.2.2 葉簇試驗

對于樹林環境下的葉簇遮擋，利用灌木叢進行試驗。選取了疏密程度不一的四個灌木叢，分別定位1級、2級、3級，數字越大表示灌木叢越密即表征樹林葉簇更加茂盛，灌木叢如圖8所示。

圖8 灌木叢試驗

首先將基站和標簽置于無遮擋的環境下，記錄無遮擋時的定位距離。再將基站和標簽分別置于灌木叢兩端，距離保持于無遮擋情況下相同，觀察隨著密度的增大定位精度的變化情況，試驗數據記錄如表6所示。從數據中發現，隨著灌木叢密度增大，定位誤差也隨之增大，但是也保持在可控范圍30 cm以內。根據以上樹干實地試驗與灌木叢試驗得知，UWB定位信號會受到樹干直徑、葉簇疏密程度的影響，但而對于實際應用，基站標簽距離只需保持在亞米級即可[8]，因此，UWB定位可滿足實際樹林的生產需求。

表6 灌木叢試驗數據

3 結論

本試驗研究UWB定位在山地丘陵地區的可行性，分別利用木板進行了模擬試驗以及樹林實地的檢測驗證試驗。試驗結果表明：在樹林環境下，由于受到樹干、葉簇遮擋，UWB定位信號會受到影響，但試驗中測距誤差在36 cm以內，能夠滿足實際樹林生產需求；將UWB定位運用于農業生產定位，可比較準確地監測控制農用機械的移動，具有一定創新性，符合當今農業生產自動化、智能化的需求。