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    来源:平行机器人

    整理:李肖遥

    我们都知道卫星信号在室内会被严重影响,从而导致GPS或是北斗无法定位。所以在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系统,从而实现对人员、物体等在室内空间中的位置监控。除了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,今天我们就来谈谈UWB(超宽带)定位原理。

    UWB是什么?

    UWB(Ultra Wideband)超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波,而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据,从而具有GHz量级的带宽。

    UWB与传统的窄带系统相比有什么区别?

    超宽带系统与传统的窄带系统相比,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点。因此,超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航,且能提供十分精确的定位精度。

    UWB的测距原理

    双向飞行时间法(TW-TOF,two way-time of flight)每个模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳 。模块A的发射机在其时间戳上的Ta1时刻发射请求性质的脉冲信号,模块B在Tb1时刻发射一个响应性质的信号,被模块A在自己的时间戳Tb2时刻接收。由次可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间,从而确定飞行距离S。S=Cx[(Tb2-Ta1)-(Tb1-Ta2)](C为光速)

    TOF测距方法属于双向测距技术,它主要利用信号在两个异步收发机(Transceiver)之间飞行时间来测量节点间的距离。因为在视距视线环境下,基于TOF测距方法是随距离呈线性关系,所以结果会更加精准。我们将发送端发出的数据包和接收回应的时间间记为TTOT,接收端收到数据包和发出回应的时间间隔记为TTAT,那么数据包在空中单向飞行的时间TTOF可以计算为:TTOF=(TTOT-TTAT)/2

    然后根据TTOF与电磁波传播速度的乘积便可计算出两点间的距离D=CxTTOF

    TOF测距方法和两个关键侧约束:

    1、发送设备和接收设备必须始终同步

    2、接收设备提供信号的传输时间的长短

    为了实现时钟同步,TOF测距方法采用了时钟偏移量来解决时钟同步问题。但由于TOF测距方法的时间依赖于本地和远程节点,测距精度容易受两端节点中时钟偏移量的影响。为了减少此类错误的影响,这里采用反向测量方法,即远程节点发送数据包,本地节点接收数据包,并自动响应,通过平均在正向和反向所得的平均值,减少对任何时钟偏移量的影响,从而减少测距误差。

    UWB的定位原理

    知道了UWB的测距原理,再来了解UWB的室内定位原理就很容易了。UWB的室内定位功能和卫星原理很相似,就是通过室内布置4个已知坐标的定位基站,需要定位的人员或设备携带定位标签,标签按照一定的频率发傻脉冲,不断和4个已知位置的基站进行测距,通过一定的精确算法定出标签的位置!

    遮挡对UWB室内定位的影响

    遮挡主要指室内定位UWB基站和定位标签之间存在障碍物,阻碍了信号直接被互相接收,从而影响定位。

    遮挡对UWB定位的影响主要分以下几种情形:

    1、实体墙:一堵实体墙的这种遮挡将使得UWB信号衰减60-70%定位精度误差上升30厘米左右,两睹或者两睹以上的实体墙遮挡,将使得UWB无法定位。

    2、钢板:钢铁对UWB脉冲信号吸收很严重,将使得UWB无法定位。

    3、玻璃:玻璃遮挡对UWB定位精度没太大影响。

    4、木板或纸板:一般厚度10厘米左右的木板或纸板对UWB定位精度没太大影响。

    5、电线杆或树木:电线杆或者树木遮挡时需要看他们之间距离基站或者标签的距离,和基站和标签的相对距离比较是否很小,比如,基站和定位标签距离50米,电线杆或者树木正好在两者中间,25米处,这种遮挡就无大的影响,如离基站或者标签距离很近小于1米,影响就很大。

    来源整理于网络素材,版权归原作者所有,如有侵权,请联系删除,谢谢。
    
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  • UWB定位技术原理图解

    万次阅读 多人点赞 2019-11-25 17:51:56
    ToF为飞行时间测距法,通过测量脉冲信号从出发到返回的时间,乘以传播速度(脉冲信号在空气中的传播速度为定值v=30万KM/秒),得到往返一次的距离,除以2即为UWB定位标签到定位基站间的距离。 UWB定位基站的坐标已知...

    ToF(Time of Flight) 飞行时间测距法

    ToF为飞行时间测距法,通过测量脉冲信号从出发到返回的时间,乘以传播速度(脉冲信号在空气中的传播速度为定值v=30万KM/秒),得到往返一次的距离,除以2即为UWB定位标签到定位基站间的距离。

    UWB定位基站的坐标已知,测得标签到基站距离后,通过三点定位法画3个圆,交点即为UWB定位标签的位置。

    UWB定位算法原理示意图(ToF)
    如上图所示:UWB定位基站的坐标分别为R1(x1、y1)、R2(x2、y2)、R3(x3、y3),基站R1、R2、R3在安装部署时位置固定且坐标已知,所求定位标签的坐标为Ro(xo、yo)。设定d1、d2、d3分别为3个定位基站与定位标签Ro之间通过信号的传播时间计算的相对距离,每个基站以相对距离为半径画一个圆形轨迹。利用三个圆形方程能够计算出唯一的交点,计算公式如下公式所示:
    UWB定位算法公式(ToF)
    测距方法属于双向测距技术,它主要利用信号在标签和基站之间往返的飞行时间来测量节点间的距离。传统的测距技术分为双向测距技术和单向测距技术。ToF属于双向测距技术,而TDoA则是单向测距技术,只需要测量定位基站到定位标签之间的单程距离即可。

    TDoA(Time Difference of Arrival) 到达时间差

    TDoA定位是一种利用时间差进行计算的方法。精准的绝对时间相对较难测量,通过比较信号到达各个UWB定位基站的时间差,计算出信号到各个定位基站的距离差,就能作出以定位基站为焦点,距离差为长轴的双曲线,三组双曲线的交点就是定位标签的位置。
    UWB定位算法原理示意图(TDoA)
    如上图所示:UWB定位基站的坐标分别为R1(x1,y1)、R2(x2,y2)、R3(x3,y3)、R4(x4,y4),基站R1、R2、R3、R4在安装部署时位置固定且坐标已知,所求定位标签的坐标为Ro(xo,yo)。脉冲信号的传播速度为常数v=30万km/秒,假设脉冲信号从标签O到达基站R1、R2、R3、R4的时间为t1、t2、t3、t4,分别以(R1、R4),(R2、R4),(R3、R4)做为焦点,定位标签Ro发送的信号到两基站间的距离差为常数,可以得到3组双曲线,双曲线的交点即是定位标签O的坐标。求解坐标(xo,yo)的方程组如下公式所示:
    UWB定位算法公式(TDoA)
    不同于ToF的是,TDoA是通过检测信号到达两个基站的时间差,而不是到达的绝对时间来确定移动台的位置,因此降低了系统对时间同步的要求。TDoA算法是对ToF算法的改进,与ToF算法相比,不需要加入专门的时间戳,定位精度也有所提高。

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  • UWBUWB基本定位原理

    万次阅读 多人点赞 2019-11-11 17:31:35
     UWB定位技术主要以dw1000芯片为基础实现室内外高精度定位工作,之所以能够实现定位的关键性因素有如下一个方面:  1.dw1000提供数据帧收发时纪录时间戳,这是能够进行两点间测距的基本条件,简单来说, 通过...

    UWB基本定位原理

    一、

      UWB定位技术主要以dw1000芯片为基础实现室内外高精度定位工作,之所以能够实现定位的关键性因素有如下一个方面:

        1.dw1000提供数据帧收发时纪录时间戳,这是能够进行两点间测距的基本条件,简单来说,

                     通过计算数据在空中飞行时间*光速=数据飞行距离,从而测出两节点间的距离。

        2.有了数据帧收发时间戳,那么就必须提供足够高的时钟精度,因为1ns的时间电磁波就传输了30cm,

                     dw1000提供了LDE的微代码,通过PLL使得时钟达到了64G的频率,当然,这个时钟仅提供给LDE使用,

                     使得dw1000具备了超高精度的时间戳,64G的时钟可以使得dw1000时钟分辨率为15.65ps。

        3.在以上基础上,可以实现两点间测距的功能,那么如果需要实现定位呢,则需要一个终端分别和多个基站通信,

                     分别得到终端与各个基站的距离,且,基站之间的位置与距离在部署前期通过测绘手段可以得到这些数据。

                     从而得到了终端在这个定位系统中的位置,一般使用球面相交法,通过输入终端离基站的距离,计算出精确的位置信息。

    二、TOF测距方式

      TOF即 time of flight飞行时间,直译为飞行时间测距法。

      这个方法最大的特点就是实现起来简单,最大的缺点就是精度低,既然是高精度定位,那么使用这种方法就不太合适了。

           

      以上测距方式理论上是说得过去的,但是其中存在几个影响测距精度的因素:

        1.当设备B在T2时刻收到POLL后需要等待一个固定的时间Tdelay然后在T3时刻发出RESPONSE数据包,那么,

                     问题出现了,我们在此处讲的Tdelay是一个绝对时间单位,比如3000us,但是A,B设备都有自己的时钟源,

                     并且要命的是时钟源的存在自我偏差,俗称PPM,比如:我们想Tdelay=3000us但是由于时钟源的偏差问题,

           导致真实时间过去了3000.5us,可是在设备A端进行计算的时候还是按照3000us的Tdelay进行计算,那么,

                      因为时钟源的偏差引入的0.5us的时间就被错误的当成是数据飞行的时间了。这样导致的结果就是,

                      两设备A,B的真实距离为1m,结果测试得到的距离为2.5m。

        2.再一个,Tdelay必须要事先双方约定好。不能有丝毫的差异,这对于设备B来说有些苛刻,

                      因为有时候设备B可能在Tdelay时间内无法将数据从芯片取出分析然后将要返回的RESPONSE数据包送入芯片内,

                      并让芯片在T3时刻发送出去。出现这样的情况将会导致测试失败。

      

     三、TW_TOF测距方式

      基于上述TOF的缺陷,引入了TW_TOF这种测距方式,用于消除TOF的不良影响。

      

    转自:https://www.cnblogs.com/wslblog/articles/9155995.html

    三种无线局域网定位技术:Wi-Fi、蓝牙和UWB

    在万物互联的大背景下,位置信息的获取和应用在项目落地中越来越重要。相对于室外定位,室内定位的工作环境更为复杂、精细,其技术更是多种多样。

    一般情况下,我们根据技术原理和使用信号源的不同,可以将室内定位技术分为以下这些:

    按定位原理划分:ID 定位、区间定位、三边定位、信号到达角定位、指纹定位、惯性推算等;按定位所使用的信号源划分:Wi-Fi定位、ZigBee定位、蓝牙定位、UWB定位、RFID定位、卫星定位、低频触发定位、基站定位、声波定位、光定位、地磁定位等。未来,室内定位技术将席卷我们生产、生活的方方面面,例如:智慧工厂人员及货物管理与调度、 生产安全管理、地下停车场寻车导航、智慧大楼人员/访客定位管理、 会展位置导航等。

    下面我们就来探讨一下,目前的行业应用中比较常见的、基于无线局域网的三种室内定位技术。

    Wi-Fi

    Wi-Fi定位,2010年前后,开始在基于定位标签的人员监控行业领域应用起来,2013年,基于手机的Wi-Fi探测等应用也随之崭露头角。

    目前,Wi-Fi定位是比较流行的一种室内定位技术,其定位方法是基于信号强度的传播模型法和指纹识别法。

    信号强度的传播模型法,是指使用当前环境下假设的某种信道衰落模型,根据其数学关系估计终端与已知位置AP间的距离,如果用户听到多个AP信号,就可以通过三边定位算法来获得用户的位置信息;指纹识别法,则是基于Wi-Fi信号的传播特点,将多个AP的检测数据组合成指纹信息,通过与参考数据对比来估计移动物体可能的位置。

    在定位精度为米级的一些场景,可利用Wi-Fi进行覆盖,该技术适用于对人/车的定位导航,医疗机构、商场、主题公园等场景。

    蓝牙

    2014年左右,基于蓝牙的定位技术开始在监控定位领域被应用。

    2017年7月,蓝牙mesh正式推出,在一年半的时间里,已经有超过105种具有蓝牙mesh网络功能的产品获得认证,其中包含芯片、协议栈、模组及终端产品供应商等。

    为了满足位置服务市场不断增长的需求,全新蓝牙5.1标准新增了寻向功能,可帮助设备明确蓝牙信号的方向,进而帮助开发者解读设备方向的蓝牙接近(proximity)解决方案,实现厘米级位置精度的蓝牙定位系统。

    基于位置的蓝牙服务解决方案通常分为两类:接近类解决方案和定位系统。无论是实时定位,还是室内定位,原理都是类似的,即在数据包传输中加入RSSI(接收信号强度)机制,通过RSSI来虚拟出产品的大致范围,再通过三边测量法,实现相互交集的测量算法,最终完成室内定位。

    蓝牙定位,只要设备的蓝牙功能开启,就能够对其进行定位。蓝牙传输不受视距的影响,但对于复杂的空间环境,蓝牙系统的稳定性稍差,受噪声信号干扰大,且蓝牙器件和设备的价格比较贵。

    根据《2019蓝牙市场最新资讯》显示,位置服务已成为增长最快的蓝牙解决方案,预计未来五年其年复合增长率将达到43%。

    蓝牙定位主要用于对人的小范围定位,例如单层大厅或商店,现在已经被某些厂商开始用于LBS推广。

    UWB

    近年来,随着UWB芯片方案的成熟和成本的下降,国内研究UWB定位技术的公司不断涌现。UWB是一种传输速率高(最高可达1000Mbps以上),发射功率较低,穿透能力较强的无线定位技术。

    UWB定位是由多个传感器采用TDOA(Time Difference of Arrival,到达时间差)和AOA定位算法对标签位置进行分析,具有多径分辨能力、精度高、定位精度可达厘米级等特点。

    TDOA是一种利用到达时间差进行定位的方法又称为双曲线定位。标签卡对外发送一次UWB信号,在标签无线覆盖范围内的所有基站都会收到无线信号。如果有两个已知坐标点的基站收到信号,标签距离两个基站的间隔不同,那么这两个基站收到信号的时间点是不一样的。

    基于信号时间的定位系统,例如UWB,一旦遇到墙体遮挡的情况就需要重新部署。同等面积,房间数量增加一倍,基站用量也将增加一倍,其在空旷场景基站更易部署。

    目前使用UWB定位技术的行业是隧道、化工厂、监狱、医院、养老院、矿井等行业。

    局域网定位技术的比较

    上述几种基于无线局域网的定位技术,其中,超宽带的定位系统,定位精度一般可达厘米级,但这样的定位应用范围较小,需对网络重新进行部署,并且使用者需要使用专用的信号测量设备,实现成本较高;其他定位方式的精度虽然稍差,同时成本也较低,一般使用信号强度作为参考。

    这几种无线局域网一般应用于室内场景,受到室内环境的复杂影响,信号接收强度会容易波动,仅使用信号强度很难实现精确定位。

    因此,根据测量参数的不同,还可以使用基于接收信号到达时间法和基于接收信号到达角度的方法实现定位。

    Wi-Fi、蓝牙和UWB这三种技术,就定位精度来讲,UWB可达厘米级的定位,蓝牙为厘米到米级,而Wi-Fi仅为米级的精度;就抗多径和抗干扰方面,UWB明显好于其他两者;就传输距离来看,Wi-Fi是最远的,UWB次之,蓝牙传输距离最近;此外,在建设成本方面,UWB的成本要远远高于Wi-Fi和蓝牙。

    无线局域网定位主要应用于室内定位,根据信号的特点以及网络架构不同,其定位精度可从厘米级到米级。不同的场景,我们在选择具体的定位技术时,不光要考虑精度性能,还得考虑成本和功耗。因此,尽管UWB精度最高,但是其他的定位技术也各有自己的市场。

    http://baijiahao.baidu.com/s?id=1640120927967730287&wfr=spider&for=pc

    UWB和其他定位技术的优劣:

    UWB定位技术与其他定位技术比较

    zigbee 带宽小,不适合大量数据通信,一个节点也很难与大量其他节点通信。

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  • 室内定位---UWB测距及定位原理

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    室内定位---UWB测距及定位原理

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空空如也

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uwb室内定位技术原理