基于UWB 技术的定位算法设计

黄佳鑫，王民慧

（贵州大学 电气工程学院，贵阳 550025）

0 引言

随着科技的高速发展，各类定位技术手段层出不穷，但有些方法在不同条件下会受到不同的影响。例如卫星信号，这种信号在室内会受到严重影响，从而导致GPS 或是北斗无法发送定位。因此，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 和超声波等。近年来，由于超带宽（UWB）技术的成熟，被广泛应用于各个领域，如移动机器人定位，煤矿人员定位等［1］。2019 年9 月，苹果的iPhone11 系列的创新之一是首发了UWB 技术，用于精准的室内定位和导航。此外，恩智浦也推出了UWB 芯片。今后UWB 在汽车、智能家居、工业等将会有更加广泛的应用。

多年前UWB 仅仅是一种通信协议，着重于高速数据的短距离传输。经过十多年的发展，相对于Wi-Fi 定位、蓝牙定位等其它现有技术，UWB 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势。除此之外，UWB 技术解决了困扰传统无线通信技术多年的有关传播方面的重大难题，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、截获率低、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。

在智能家居逐渐进入人们生活的同时，市场对于UWB 定位技术的需求也随之增加。在日常智能生活使用中，可以通过UWB，拥有某个人的精准定位信息，能够更加个性化地控制智能家居的功能。例如戴儿童手表的孩子，走丢时可以给父母打电话，在短距离的情况下通过手机或手表内的UWB，精准定位小孩的位置［2］。

UWB 技术提供精确、安全、实时的定位功能，主要针对的是人员与设备之间，这是其它无线技术（如Wi-Fi、蓝牙和GPS）无法比拟的。其最大的优势在于它是基于到达时间差原理进行定位。不同于场强原理，因此抗干扰及多径能力更强，不存在累计误差、偏差小、精度更高，可广泛应用于消防抢险、物流跟踪、机器人、监狱管理、医疗设备管控、可穿戴设备等。

本设计是基于STM32 单片机为主控芯片，通过DW1000 芯片进行数据传输，利用TWR 原理，通过时间差算出标签与基站之间的距离［3］。利用三边测量算法，在固定好基站坐标的情况下，求得标签坐标，达到定位效果。

1 系统设计

本设计主要由传感器模块、控制器与处理器模块、显示模块和数据接收模块等构成。系统以STM32F407ZGT6 单片机作为主控核心控制器，通过传感器模块对距离等数据信息进行采集，然后传给STM32F407ZGT6 单片机，数据处理转换后，在显示模块上显示标签实时数据信息。

该设计实现了对标签数据信息的实时监测，同时实现数据可视化，让使用者可以清晰明了的掌握所需信息，为使用者提供更大的便利。

系统包括：数据接收、数据处理、数据显示3 个关键部分。系统总体框架如图1 所示。

1.1 硬件设计

硬件系统以STM32F407ZGT6 单片机作为主控核心控制器，STM32F103RCT6 单片机作为从控数据接收控制器。利用DWM1000 传感器模块采集标签与基站之间的数据后，将数据传输到STM32F103RCT6单片机中，再通过串口通信方式，将STM32F103RCT6单片机上的数据传输到STM32F407ZGT6 单片机中。数据通过STM32F407ZGT6 单片机收处理后，传送到LCD 显示模块进行数据显示。系统方案如图2 所示。

图2 系统方案设计框图Fig.2 Block diagram of system scheme design

1.1.1 DWM1000 传感器

DWM1000 模块是基于Decawave 公司DW1000芯片设计的超宽带收发模组。该模块集成了天线及所有的射频电路、电源管理和时钟电路［4］。这款模块可用于TWR 或TDOA 定位系统中，用来定位目标，其精度一般小于10cm；且该模块支持高达6.8Mbps 的数据传输率。

DWM1000 板上的DW1000 芯片，是基于CMOS的、低功耗的无线收发集成电路，遵循802.15.4-2011 协议中的UWB 标准芯片［5］。DWM1000 并不需要用户设计电路，因为模块上包含了天线、无线通讯模块及相关的电路。

DWM1000 模块中嵌入了一个38.4 MHZ 参考晶振，可以把初始化频率误差降到大约百万分之二［6］。DWM1000 电路原理如图3 所示。

图3 DWM1000 电路原理图Fig.3 DWM1000 circuit schematic

1.1.2 LCD 屏幕设计

LCD（Liquid Crystal Display）俗称液晶显示屏，属于平面显示器的一种，用于电视机及计算机的屏幕显示。该显示屏的优点是耗电量低、体积小、辐射低。TFT 型的液晶显示器较为复杂，主要由荧光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等构成。液晶显示器必须先利用背光源，也就是荧光灯管投射出光源，这些光源先经过一个偏光板后再经过液晶，这时液晶分子的排列方式进而改变穿透液晶的光线角度。之后这些光线接还必须经过前方的彩色滤光膜与另一块偏光板［7］。因此，只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，进而使液晶面板上变化出不同深浅的颜色组合。LCD 屏幕原理如图4所示。

图4 LCD 屏幕原理图Fig.4 LCD screen schematic

1.2 定位算法设计

利用P1、P2、P3 作为基站，对标签N进行定位。假定基站为P1（x1，y1，z1），P2（x2，y2，z2），P3（x3，y3，z3），标签为N（x，y，z），S1 为N与P1 之间距离；S2 为N与P2 之间距离；S3 为N与P3 之间距离［8］。如图5 所示。

图5 位置图Fig.5 Location Map

由此可得：

因此，（3）式可转化为：

1.3 软件设计

三边定位系统的主程序流程如图6 所示。首先系统分别进行时钟初始化、中断分组配置、串口初始化、LED 初始化、LCD 初始化以及按键等初始化，将各个部分初始为最佳状态；通过DWM1000 得到各个基站位置坐标（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3），以及标签与各基站相距位移S1、S2、S3。通过这些数据，判断基站是否处于同一条直线或者相距位置是否过近。根据三点确定一个平面的原则，若基站处于同一直线上，则无法进行坐标确定。如果基站相对位置过于贴近，会由于误差的影响导致测量坐标不准确。因此，无论哪种情况出现都需要重新调整基站位置再进行实验。STM32F407ZGT6 单片机接收到传来的数据信息后，通过三边定位算法，随后对矩阵求解，计算出标签最终坐标。标签坐标求得后，通过STM32F407ZGT6 单片机驱动LCD 屏幕，在屏幕上对标签位置坐标进行显示［10］。与此同时DWM1000 不断测量数据传给STM32F407ZGT6 单片机然后进行处理，随后展示与LCD 屏幕上，达到实时效果［11］。

2 实验结果分析

本设计系统在学校实验室进行，为便于使用与测量，3 个基站设置成直角三角形。3 个基站位置坐标分别为（0，0）、（2.4，0）、（0，3.0）。将标签与STM32F407ZGT6 单片机连接，分别将3 个基站与标签同时上电。连接成功后将程序烧录于主控芯片之中，此时可以在LCD 屏幕上看到位置信息。实验显示的实际坐标、测量坐标位置及坐标误差值见表1。

图6 系统程序设计图Fig.6 System programming diagram

表1 实验结果对比Tab.1 Comparison of experimental results

由此可见，实际误差基本在9 cm 以内，部分点误差在10 cm 以内。由于实验过程中标签与基站之间偶尔会出现遮挡物，则造成一定测量误差。

3 结束语

本设计实现了对标签数据信息的实时监测，同时实现数据可视化，让使用者可以清晰明了的掌握所需信息，为使用者提供更大的便利。但在测试过程中也发现些许不足，传感器处于工作状态时，组成测量区域内有金属等干扰源及过多障碍物出现，会对测量结果产生一定影响。所以，为尽量降低干扰，提高测量准确率，安装基站时一般应高于标签所处水平面位置。除此之外，后期应优化算法，软硬件配合共同提高使用精度。