劉歡笑

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院 信息工程系，江蘇 鎮(zhèn)江 212016)

近年來，基于位置的信息服務(wù)，如基于GPS的汽車導(dǎo)航、手機定位和追蹤服務(wù)已廣泛用于日常生活[1]。無線電信號非視距傳播衰減的特性導(dǎo)致室內(nèi)和地下場所應(yīng)用效果不佳，甚至無法使用。而人們對室內(nèi)定位系統(tǒng)卻有較為強烈的實際需求，如無人智能倉儲管理系統(tǒng)、大型商場內(nèi)的導(dǎo)航定位等。

相較于室外應(yīng)用，室內(nèi)定位需要更高的精確度，但更加強烈的多徑效應(yīng)(Multi-path effect)制約著精確度[2]。對此，一些研究者嘗試?yán)脠D像運動捕獲技術(shù)彌補無線電測量的固有弱點[3-4]，但有其他不足。比如，需要較多攝像機將方位信息實時傳送中心計算機處理，存在部署時間長、作用距離有限、易受外界亮度變化和其他光源干擾的問題[5]。一些研究者堅持無線電定位方法，如基于RSSI(Received Signal Strength Indicator)的指紋法、基于距離的三邊量測法、基于AOA(Angel of Arriving)的方法等[6-12]，利用新技術(shù)手段來提高系統(tǒng)精確度。對于指紋法，較多研究基于Wi-Fi信號展開，通常需測量大量微格區(qū)域內(nèi)信號強度構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，利用室內(nèi)地圖和信號強度比對法確定目標(biāo)位置[6]。帶寬只有20 MHz，對多徑效應(yīng)敏感，且信號不穩(wěn)定、易受外部干擾源干擾[7-8]。使用聚類算法、慣導(dǎo)輔助等方法能提高精確度，但尚未見滿足應(yīng)用需求的報道[9]?；贏OA的方法需要配置多天線陣列，低頻段天線尺寸較大，軟硬件系統(tǒng)實現(xiàn)困難，難以滿足室內(nèi)應(yīng)用需求[9,12]。相對而言，三邊量測法較傳統(tǒng)，提高定位精確度的邏輯簡單，只需提高無線電測距的精確度。依據(jù)Heisenberg測不準(zhǔn)原理，信號帶寬越寬，其時域脈沖越窄，峰值越集中，檢測時受多徑效應(yīng)影響越小[13]。超寬帶技術(shù)(Ultra Wide-band，UWB)是一種非正弦波窄脈沖無線通信技術(shù)[14]，對多徑效應(yīng)具有較強免疫能力。

1 室內(nèi)定位系統(tǒng)原理和構(gòu)成

室內(nèi)定位系統(tǒng)由模擬GPS衛(wèi)星功能的錨節(jié)點(Anchor nodes)、類接收終端的標(biāo)簽節(jié)點(Tag nodes)、網(wǎng)關(guān)和顯示終端組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。標(biāo)簽位置由無線通信鏈路實時回傳PC，或者結(jié)合在線地圖進一步處理后顯示其運動軌跡。

圖1 室內(nèi)定位系統(tǒng)組成

三邊量測法是一種利用相對距離進行交叉定位的技術(shù)[11]，如圖2所示。

圖2 三邊量測定位法示意圖

假如用戶坐標(biāo)位置為(x，y)，與參考點(xi，yi)的相對距離為di，則有距離公式

(1)

(2)

(3)

(4)

故可將用戶坐標(biāo)(x，y)轉(zhuǎn)化為矩陣求解。當(dāng)N=3時，縮減為平面內(nèi)求(x，y)，則p=A-1b； 當(dāng)N>3時，可用p=(ATA)-1ATb求解。

利用三邊量測法提高室內(nèi)定位精確度，關(guān)鍵是降低接收機檢測回波信號時受到的多徑效應(yīng)影響。標(biāo)簽和錨節(jié)點間采用雙程TOA(Two-way Time of Arrival)測距方法。通常認(rèn)為無線電波傳播速度為定值，只要精確測量傳播時間就能得到精確距離。根據(jù)Heisenberg測不準(zhǔn)關(guān)系式

可知，信號帶寬越寬，其時域脈沖越窄，存在多徑效應(yīng)時，多路回波交疊概率越低。超寬帶信號帶寬為500 MHz，時域脈寬約0.16 ns，對接收通道而言，時間分辨率已相當(dāng)高，足以區(qū)分多徑效應(yīng)帶來的其他回波，極大提高測距的精確度[14]。

2 室內(nèi)定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)和終端技術(shù)已比較成熟，主要研究標(biāo)簽和錨節(jié)點設(shè)計。標(biāo)簽與錨節(jié)點經(jīng)由無線UWB方式交互測距信息包和錨節(jié)點位置報文，藉此計算相對距離和坐標(biāo)位置。標(biāo)簽和錨節(jié)點硬件設(shè)計基本相同，通過軟件配置和下載不同驅(qū)動程序即可實現(xiàn)硬件節(jié)點的功能轉(zhuǎn)換。如圖3所示，標(biāo)簽節(jié)點由主控模塊(框內(nèi)部分)、UWB測距定位模塊、Zigbee通信模塊等組成。主控實現(xiàn)系統(tǒng)控制、上位機通信、模塊間數(shù)據(jù)交互、系統(tǒng)供電等功能； UWB測距模塊完成距離測量和位置解算； Zigbee通信模塊實現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)交互。

圖3 標(biāo)簽(錨)節(jié)點硬件電路組成

2.1 標(biāo)簽節(jié)點主控電路設(shè)計

主控模塊是標(biāo)簽節(jié)點的控制中樞，由微控制器、USB通信電路、電源電路、調(diào)試電路和ADC信號采集電路組成。綜合考慮功能、成本、功耗、設(shè)計復(fù)雜度，微控制器選用ATmega328P單片機，該單片機具備16 MHz主頻、32 KB程序存儲空間、2 KB內(nèi)部SRAM空間、集成8通道10位ADC采樣器、內(nèi)外部中斷源、I2C通信接口、1路異步串行接口，完全滿足設(shè)計需求[15]。USB用于上位機通信，主要是數(shù)據(jù)傳輸和基于USB在線調(diào)試，傳輸帶寬要求不高，因此，選擇CH340G實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)異步串口功能，通過USB提供仿真串口，電路設(shè)計如圖4所示。

電源電路提供硬件節(jié)點所需的+5 V和+3.3 V電壓。采取DC/DC降壓器件串接LDO器件方式設(shè)計，可保證電源效率，減少開關(guān)頻率影響?？紤]應(yīng)用需求，采用USB和鋰電池雙供電模式，鋰電池優(yōu)先。選用LM358為比較器，SI2301為開關(guān)控制器，同時供電時，LM358同相輸入端電壓大于反相輸入端的+3.3 V電壓，SI2301控制信號為高電平，它將進入關(guān)斷狀態(tài)，USB供電被斷開，電路實現(xiàn)如圖5所示。

圖4 微控制器和USB通信電路

圖5 標(biāo)簽節(jié)點電源供電電路

2.2 標(biāo)簽節(jié)點UWB測距模塊

由于模塊采用雙程TOA測距方法，標(biāo)簽和錨節(jié)點之間無需同步操作。UWB模塊通過I2C總線和IRQ中斷請求功能與主控電路交互信息。依據(jù)IEEE 802.15.4A標(biāo)準(zhǔn)的測距協(xié)議，標(biāo)簽節(jié)點發(fā)出測距請求包，確認(rèn)請求幀和時間戳收到，便可以計算兩者相對距離[14]。錨節(jié)點坐標(biāo)位置可預(yù)先獲取，一旦得到3個以上錨節(jié)點位置及其相對距離，MCU內(nèi)固件程序便可基于三邊量測法實時解算標(biāo)簽節(jié)點的位置。UWB模塊功能框圖如圖6所示，物理層協(xié)議芯片采用DW1000器件，兼容IEEE 802.15.4A UWB標(biāo)準(zhǔn)，支持從3.5 GHz到6.5 GHz的4個RF頻帶，可通過SPI接口與MCU通信[14]。它的信號時間戳分辨力可達(dá)15 ps，測距精確度達(dá)到厘米級。除了距離，定位算法還可融合IMU和高度計信息，進一步提高定位精確度，實現(xiàn)3D應(yīng)用。

圖6 標(biāo)簽(錨)節(jié)點測距與定位解算模塊

2.3 標(biāo)簽節(jié)點Zigbee通信模塊設(shè)計

Zigbee通信模塊將標(biāo)簽節(jié)點解算的坐標(biāo)位置回傳網(wǎng)關(guān)。鑒于系統(tǒng)傳輸帶寬要求不高，采用XBee通信模塊設(shè)計，使用ISM通信頻段，發(fā)射功率1 mW，直接序列擴頻通信抗干擾能力強，室內(nèi)作用距離30 m，TTL異步串行通信方式[16]，電路詳見圖7。

圖7 XBee無線通信模塊設(shè)計

3 室內(nèi)定位系統(tǒng)的固件程序設(shè)計

室內(nèi)定位系統(tǒng)的固件程序主要有主控程序和UWB模塊驅(qū)動程序。主控程序負(fù)責(zé)程序初始化配置、與UWB模塊的I2C通信、數(shù)據(jù)通信、人機交互等。初始化配置包括ATmega328p微控制器、UWB模塊和Zigbee無線通信鏈路功能的初始化； 響應(yīng)UWB模塊的通信中斷請求，并通過I2C總線方式獲取距離和定位解算信息； 控制無線數(shù)據(jù)通信鏈路，傳輸定位解算信息到Xbee模塊的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，經(jīng)由射頻發(fā)射機、天線輻射發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。主控程序業(yè)務(wù)流程如圖8所示。

UWB模塊微處理器具備無線電測距和實時位置解算功能。前者主要是通過SPI接口利用DW1000器件發(fā)出測距請求和接收響應(yīng)數(shù)據(jù)。后者主要是存儲和處理接收到的無線電信號飛行時間(Flight of Time)、處理延遲時間等信息，通過這些數(shù)據(jù)計算標(biāo)簽和錨節(jié)點的相對距離，并利用三邊量測法解算標(biāo)簽的坐標(biāo)位置。解算前，解算程序先使用Grubbs檢驗方法對獲取的數(shù)據(jù)進行“野值”剔除和擴展卡爾曼濾波處理，以降低測量過程和通信鏈路中存在的噪聲對定位精度的影響。另外，還可以結(jié)合IMU信息、高度計等傳感器獲取的數(shù)據(jù)，經(jīng)過加權(quán)融合處理，進一步提高定位精確度。

圖8 主控軟件業(yè)務(wù)流程圖

4 室內(nèi)定位系統(tǒng)構(gòu)建和驗證

基于前節(jié)描述的室內(nèi)定位系統(tǒng)的工作原理和軟硬件設(shè)計方案，設(shè)計如圖9所示的硬件節(jié)點，可配置為標(biāo)簽或錨節(jié)點。為驗證所設(shè)計節(jié)點和定位系統(tǒng)的功能，創(chuàng)設(shè)如下實驗場景：在長6 m，寬7.5 m的房間內(nèi)，4個角落分別部署1個靜止的錨節(jié)點，將標(biāo)簽節(jié)點放置在小車上按照圖10中箭頭指示方向移動，每隔一定時間停止并進行測距和定位操作，使用更高精度激光測距儀采集標(biāo)簽節(jié)點所在位置坐標(biāo)，形成可信數(shù)據(jù)集(The Ground Truth Set)，以便與標(biāo)簽節(jié)點獲得的位置數(shù)據(jù)比對。實驗比對結(jié)果如圖10所示。另外，與前述各類方法的性能對比如表1所示。

圖9 研制的標(biāo)簽(錨)節(jié)點硬件

圖10 空房間內(nèi)軌跡測量對比

名稱精確度價格復(fù)雜度受干擾情況基于圖像的運動捕獲處理技術(shù)毫米量級高中受光線變化和其它光源干擾基于Wi-Fi的指紋特征定位技術(shù)分米量級中高多徑效應(yīng)和其它射頻干擾源基于超寬帶和三邊量測法技術(shù)厘米量級低低多徑效應(yīng),有一定免疫能力

雖然基于超寬帶和三邊量測法構(gòu)建的室內(nèi)定位系統(tǒng)與基于圖像的方式在定位誤差指標(biāo)上存在較大差距，但它不受室內(nèi)光線變化的影響，即使在黑暗環(huán)境中亦可正常使用，如地下礦井的弱光環(huán)境下； 它的定位精確度要優(yōu)于分米量級的基于Wi-Fi信號指紋特征的方法，且無需提前大量測量室內(nèi)的信號強度構(gòu)建數(shù)據(jù)庫。不過，為了獲得更好的定位效果，最好在正式使用前進行初始化測量校準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

超寬帶技術(shù)具備非常窄的短脈沖，在測距精確度上具有應(yīng)用優(yōu)勢。自行設(shè)計標(biāo)簽和錨節(jié)點的軟硬件，利用超寬帶技術(shù)和三邊測量法構(gòu)建室內(nèi)定位系統(tǒng)方案，實現(xiàn)了室內(nèi)對象的定位功能。構(gòu)建的實現(xiàn)系統(tǒng)驗證結(jié)果表明，系統(tǒng)能實時定位標(biāo)簽節(jié)點運動軌跡，具有相對較高的定位精確度，達(dá)到了厘米量級，但在多傳感器系統(tǒng)融合方面還有提升空間。

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