基于移动手机的UWB定位技术研究

    宋璐辉　崔岩

    

    

    

    摘 要：UWB（Ultra-Wideband）是一种无载波通信技术，它利用纳秒～微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，从而实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率，这是其他无线通信技术不可比拟的。

    关键词：UWB技术;室内定位技术;移动端定位

    1 项目背景及应用现状

    随着全国机动车保有量突飞猛进，与之配套的停车场规模越来越大。基于物联网的智慧停车的概念也成为一个热点。但如何实现智能定位快速找车的功能，成為是否真正体现智慧停车的技术瓶颈。

    国外最早运用于室内停车的技术是无线射频技术（RFID），RFID进定位的准确性取决于识别的角度，时间和信号的强度等。RFID在室内定位的好处主要是能够在各种室内环境下进行定位，但缺点在于精度不够高，只有在有大量的样本标签情况下才可以提高精度，这样无疑极大的增加了工作难度和部署的成本。

    国内也在使用类似方法。如，采用Bluetooth作为地下停车场的定位技术。Bluetooth的优势在于组网简单，价格低廉、安全性好、受众广泛。通过停车场内部署的多个Bluetooth的站点，人们可以通过手机建立与站点的连接，将车辆最近的Bluetooth站点作为分析车辆所在位置的依据。但Bluetooth的技术理论误差高达10米以上。无线网络的定位技术是另一个技术的方向。它需要根据网络的信号强度以及位置信息库两个维度结合机器学习算法进行预测从而实现定位，同样定位的精度不够。

    2 UWB技术分析

    2.1 UWB定位原理

    UWB技术顾名思义是超宽带定位技术，UWB具有抗干扰能力强，定位精度高，部署简单，成本低廉，功耗极小，通信速率高等众多出色之处。与Bluetooth技术相比，UWB的功耗大约只有Bluetooth的1/20，精度是Bluetooth的10倍以上，UWB的通信速率也要比Bluetooth高出不少。

    UWB大致可分为以下几种：（1）根据信号强度进行定位，根据信号强度的差异来计算物体的距离，从而有效的判断定位，即比较信号的发出方和信号的接收方的强度大小，通过算法计算出预测的距离大小，依据多个距离大小进行判断车辆的位置，此种方法易受到外部环境的影响，导致信号出现不稳定性。（2）根据信号的到达方向进行定位，此种方法就是通过预测各信号发送的方向信息来进行定位，即通过天线矩阵实现对信号发送的方向进行收集，然后通过算法预测出其车辆的位置，此种方法和上一种方法均是依靠信号来判断，因此，受环境的程度很大。（3）根据接收信号的时间来进行定位，此种方法主要是先对信号在各个站点所传送的时间进行统计，然后对其进行距离的预测，将不同的多个预测值进行分析，从而进行车辆的定位。这种时间计算方法能够受环境的影响较小，定位的精度比较准确，可以更好的实现定位的效果。

    2.2 UWB定位方法

    UWB定位方法最为恰当的是依据信号的反馈时间进行定位，根据信号反馈时间进行定位也大致可以进行分类，主要包括：根据信号的到达时间来进行定位和根据信号信号到达时间的差值进行定位。

    2.2.1 根据到达时间进行预测

    （1）单向判定。单向判定就是指在同一时刻，站点的发送方将信号传递给站点的接收方，站点的接收方对此信号到达的时间进行统计，并根据式（1）计算单项判定的时间，根据式（2）计算站点间的距离。

    2.2.2 到达时间差值进行预测

    到达时间差值预测主要是通过信号在站点之间传送的时间差异来判断站点的距离，但前提需要所有节点发送信号的时间是保持一致，这在实施上有很大的难度，并不能保证时间发送一致的精准性，而且其维护的成本也非常高，因此选取此方法作为定位的价值较小。

    3 UWB车辆定位系统的设计

    室内定位系统主要由四个模块的构成：搭载UWB技术的移动手机模块;车辆移动标签模块;UWB定位模块;最后是服务器模块。手机通过与服务器连接，发送对车辆位置的查找请求。根据手机提供的车辆信息，UWB定位模块在停车场寻找相匹配的车辆标签。从而完成车辆位置查找。

    3.1 本系统的测距定位的方法

    首先，移动标签被激活等待测距，UWB定位模块中的信源节点测得与移动标签之间的距离，然后参照附近一个信源节点为参照，计算相对距离就能实现精准定位，本文选取的定位方法为双向的到达时间预测法，以下对定位方法进行具体进行阐述。

    本文系统UWB定位模块主要包括：无线传输模块、信源节点模块以及计算处理模块。测距流程如下：（1）确认移动标签处于激活状态，信源节点向移动标签传送信号，标记发送时间为te1;（2）移动标签将信号接收时间记为tf1，然后向信源节点发送一个回应信息，此时时间记为tf2;（3）信源节点收到信号后，将接收时间记为te2。

    由此，根据公式（3）可以计算出移动标签的信号传输时间T。

    各节点传输的信号为无线电信号，其传播的速度与光速相近，可以根据公式（2）计算移动标签和信源节点之间的距离D。

    然后，信源节点就对移动标签进行定位，取周边一个信源节点为参照，建立信源节点的坐标，记（x1，y1），（x2，y2），…，（xn，yn），移动标签坐标记为（a，b）通过移动标签与信源节点的距离计算出移动标签的坐标。

    根据公式（2）计算出移动标签与信源节点距离后，代入公式（4）就可以计算出移动标签的坐标。

    xn-a2+yn-b2-xn-1-a2+yn-1-b2=Dn-Dn-1（4）

    3.2 各模块的详细设计

    本文系统主要分为四大模块，移动标签、信源节点、计算处理模块和服务器模块。

    3.2.1 信源节点和移动标签的设计

    移动标签激活后，与服务器分配的地址连接，当信源节点发送信号，就可以被移动标签记录，然后发送回应消息和记录时间;信源节点主要负责发送测距信号到移动标签，记录时间，同时通过无线网络传递到服务器端进行计算处理，得出移动标签的坐标。

    信源節点的流程如下：（1）初始化时钟，串口等资源，配置网络;（2）发送测距信号到移动标签节点，并记录发送时间;（3）等待接收移动标签的返回信息，并记录到达时间;（4）信号传送流程结束，信源节点将处理信号传送至服务器端的处理模块，流程结束。

    移动标签的流程如下：（1）初始化时钟，串口等资源，配置网络;（2）等待接收信源节点发送的测距信号，记录到达时间;（3）发送信号响应信源节点，并记录时间;（4）信号传送流程结束，移动标签将处理信号传送至服务器处理模块;（5）接收处理后的停车位坐标，流程结束。

    3.2.2 核心计算层设计

    核心计算是本系统的核心，核心计算模块接收来自移动标签和新源节点的到达时间后，根据协议进行解析数据包，并对应进行标号，并计算距离和移动标签的坐标，同时以无线网络的方式传送到手机端，从而服务大众。

    3.3 服务器端设计

    本文的服务器是手机端的浏览器通过http的get方法建立与服务器间的连接，和传送请求数据，服务器收到信号后，向数据库发送建立连接请求，就可以实现手机端的结果展示，以实现交互的效果。服务器端设计如下图所示。

    4 系统的测试

    4.1 测距精度验证

    本文在室内停车场设置本文的UWB定位模块和一个移动标签，在测试过程中移动标签在不断的进行移动，取两者距离为2米、5米、8米、10米等位置，每个距离进行一段时间的测试，分别求出80个距离的均值、误差以及标准差。

    4.2 定位精度验证

    以一个信源节点作为原点，将其他信源几点标记坐标系，取两点坐标系移动标签点1，记（1，1.6），移动标签点2，记（3，5.5），通过处理计算模块最终计算出的两节点位置分别为（0.937，1.511）、（3.068，5.383），两节点实际误差均在20cm内，定位精度较高。

    5 结语

    本文UWB精准定位系统的设计是在不断总结各种系统的设计经验和人们的调研需求基础上，综合考虑而形成的稳定可靠的系统，能够满足人们日常的停车的需要，不仅给人们的停车带来快捷和便利，还为现阶段无人停车场系统带来新的技术应用启迪。下一步将进一步优化系统的误差，引入新算法进行改进，以最大可能提高定位系统的实用性。

    参考文献：

    [1]尚虎军，王志颖，李志鑫.UWB定位的智能小车避障技术研究[J].单片机与嵌入式系统应用，2020（8）：59.

    [2]李丽娜，尤洪祥，张晓东，等.机器人UWB定位系统的设计与实现[J].辽宁大学学报（自然科学版），2018，45（01）：40-44.

    [3]徐晓苏，赵北辰.室内环境下基于图优化的UWB定位方法[J].中国惯性技术学报，2019（3）：124-125.

    [4]高思琪，孙建平.UWB定位技术的应用研究[J].仪器仪表用户，2019，026（003）：77-82.

    作者简介：宋璐辉（1997— ），男，汉族，陕西咸阳人，研究方向：软件工程专业;崔岩（1976— ），男，汉族，河北邯郸人，高级工程师，研究方向：软件工程、数据库应用。