基于UWB技術(shù)的智能定位小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容摘要：近年來，超寬帶（UWB）技術(shù)引起了無線領(lǐng)域的極大興趣，它有著強(qiáng)大的通信和高精度測距能力。UWB信號的發(fā)射功率低，頻率范圍廣，幾乎不會(huì)干擾周圍的窄帶技術(shù)，且UWB淹沒于噪聲中，安全性高，使其成為與窄帶RF技術(shù)共存的不錯(cuò)選擇。這些特性使UWB迅速成為基于位置和短距離通信應(yīng)用的首要室內(nèi)定位技術(shù)之一。本文的主要工作和研究成果如下：本文首先概述了常用的無線定位技術(shù)，進(jìn)行對比分析后選擇基于超寬帶（UWB）的無線定位技術(shù)；接著選擇基于飛行時(shí)間的雙向測距方法TW-TOF測距，用三邊定位法進(jìn)行智能小車的室內(nèi)定位。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于UWB的室內(nèi)移動(dòng)車輛的定位系統(tǒng)，包括待測標(biāo)簽、基站、上位機(jī)軟件及智能小車。通過上位機(jī)完成數(shù)據(jù)分析、定位信息解算等功能。最后經(jīng)過測試驗(yàn)證了定位系統(tǒng)的精度和性能。相較于其他無線定位技術(shù)，定位精度更高，延遲更低，且不易受多路徑和干擾影響，使用場景更加廣泛。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，定位精度達(dá)到了厘米級范圍。關(guān)鍵詞：超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）智能車輛定位精度目錄第一章緒論 11.1研究背景及意義 11.2UWB技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.3論文的主要內(nèi)容與安排 2第二章UWB的無線定位技術(shù) 32.1超寬帶技術(shù)簡介 32.1.1UWB定義 32.1.2UWB技術(shù)特點(diǎn) 32.2UWB與其他無線通信技術(shù) 42.3UWB技術(shù)的應(yīng)用 5第三章UWB技術(shù)的測距定位算法 63.1UWB的測距原理 63.2三邊定位算法 73.2.1算法原理介紹 73.2.2誤差分析 8第四章基于UWB技術(shù)的智能小車硬件設(shè)計(jì) 94.1智能車輛硬件設(shè)計(jì) 94.1.1系統(tǒng)框架 94.1.2主控制器 94.1.3避障模塊 104.1.4循跡模塊 114.1.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 124.2UWB定位系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì) 134.2.1系統(tǒng)框架 134.2.2主控制器設(shè)計(jì) 134.2.3信號傳輸模塊 154.2.4串口模塊 16第五章系統(tǒng)測試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 175.1上位機(jī)軟件調(diào)試 175.2搭建試驗(yàn)環(huán)境 175.3試驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 185.4試驗(yàn)結(jié)果及分析 18第六章總結(jié)與展望 206.1總結(jié) 206.2展望 20第一章緒論1.1研究背景及意義智能機(jī)器人在現(xiàn)代工業(yè)和生活中隨處可見，如展廳語音交互機(jī)器人、特種作業(yè)機(jī)器人等。而在一些復(fù)雜的環(huán)境中，有較多的障礙物，行進(jìn)路線比較窄，有多輛小車同時(shí)工作時(shí)，容易發(fā)生碰撞等意外事故，因此智能機(jī)器人作為智能化的體現(xiàn)，應(yīng)該具備自主定位的能力。由于基于衛(wèi)星的定位在建筑物內(nèi)不能很好地工作，GPS和北斗衛(wèi)星系統(tǒng)不適合在室內(nèi)使用，基于位置的服務(wù)，需要一種技術(shù)方案，來精確地對人和物體進(jìn)行室內(nèi)定位。室內(nèi)定位系統(tǒng)必須應(yīng)對嚴(yán)重的多徑情況。由于超寬帶技術(shù)（UltraWide-Band，UWB）信號具備高數(shù)據(jù)傳輸速率，提供了良好的多徑分辨率，較低的功耗且低廉的價(jià)格，并實(shí)現(xiàn)了精確定位，UWB受到了人們廣泛的關(guān)注。UWB在3.1至10.6GHz的非常寬的頻譜上以高帶寬運(yùn)行。它還消耗很少的功率，允許經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且高效的硬件選項(xiàng)，例如帶有紐扣電池的跟蹤標(biāo)簽，可以運(yùn)行多年而無需充電或更換。所以本文采用的是基于UWB的定位方法，可以精確地測量室內(nèi)小車的實(shí)時(shí)位置。1.2UWB技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀精確定位對于智能小車十分重要，因?yàn)樗梢蕴峁┬≤囋诳臻g中的位置，用于小車的導(dǎo)航或跟蹤。因?yàn)閁WB的眾多優(yōu)點(diǎn)，許多國內(nèi)外研究學(xué)者正對其進(jìn)行深入研究。PletsD和HanssensB提出了一種基于UWB信道探測的定位方法，該方法采用傳播路徑幾何特征的三角測量法；同時(shí)，擴(kuò)展了具有高分辨率的RiMAX算法，便于分析與UWB相關(guān)的頻率傳播參數(shù)；在視距和非視距場景中標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)更容易定位。Djaja-JoskoV和KolakowskiM共同設(shè)計(jì)了一套協(xié)同UWB定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用TDOA算法估算待測標(biāo)簽的坐標(biāo)和待測標(biāo)簽與各基站之間的距離；此外，還設(shè)計(jì)了一種典型的協(xié)同系統(tǒng)傳輸方案，并采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法提高了定位系統(tǒng)的精度。WymeerschH和MüllerP分析并改進(jìn)了通用高斯混合(GGM)濾波器。該方法比傳統(tǒng)的一般模型需要更少的元件。該濾波器可用于UWB定位，因此針對非線性測距及在不確定測量的環(huán)境下，GGM濾波器在定位精度和一致性上要強(qiáng)于擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)。在測量通道的數(shù)量不多時(shí)，計(jì)算量也不會(huì)很高。工程應(yīng)用中的自動(dòng)導(dǎo)引車輛(AGV)定位方法往往缺乏靈活性，因此魏培和姜平等研發(fā)了一套UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)。通過使用基站測距，以多標(biāo)簽的調(diào)度方法，克服了標(biāo)簽沖突的問題。通過結(jié)合可信度概念，使用內(nèi)三角形質(zhì)心算法改善了三角形質(zhì)心算法的定位精度和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性均獲得提高。沈重和張桀改進(jìn)TDOA算法，并結(jié)合卡爾曼濾波算法，提出了一種新的定位算法。為了使時(shí)鐘同步更加方便，改進(jìn)了TDOA算法，同時(shí)使用卡爾曼濾波消除了測量誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該方法提高了UWB的定位精度。高憲波和沈國清等在三維空間中使用了Chan-Taylor混合算法。以到達(dá)時(shí)間差和估計(jì)誤差等作為條件進(jìn)行模擬仿真，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Chan-Taylor聯(lián)合算法能夠應(yīng)用于三維空間中。李鵬濤和王磊等人提出了一種基于全質(zhì)心算法和Taylor級數(shù)的聯(lián)合定位算法。首先利用全質(zhì)心算法對測距數(shù)據(jù)進(jìn)行分組計(jì)算，獲得初始定位數(shù)據(jù)；然后用質(zhì)心修正算法對初始定位數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化，最后把優(yōu)化結(jié)果賦為初值，以Taylor級數(shù)作展開。實(shí)驗(yàn)表明，改進(jìn)的聯(lián)合定位算法的定位精度更高。1.3論文的主要內(nèi)容與安排本文以當(dāng)前室內(nèi)定位精度低的問題，對定位方法展開研究，以提高室內(nèi)智能車輛的定位精度。本文利用UWB技術(shù)設(shè)計(jì)了室內(nèi)智能車輛的定位系統(tǒng)。本文各章節(jié)的內(nèi)容安排如下：第一章為緒論。介紹了本文的研究背景及意義，闡述了UWB定位技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，最后介紹了本論文的主要工作內(nèi)容。第二章分析了目前的UWB技術(shù)。首先給出了美國聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC關(guān)于UWB技術(shù)的概念定義，對UWB特點(diǎn)進(jìn)行了說明；然后介紹了幾種室內(nèi)定位方法，并將其與UWB進(jìn)行對比，列舉了各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，說明UWB更適合應(yīng)用于室內(nèi)定位；最后列舉了UWB技術(shù)的應(yīng)用場所，進(jìn)一步驗(yàn)證了UWB的優(yōu)勢。第三章介紹了UWB測距和定位的基本原理。本文采用雙向飛行時(shí)間法TW-TOF進(jìn)行測距。之后解釋說明了所采用的三邊定位算法，指出了該方法在標(biāo)簽數(shù)目大于三時(shí)，會(huì)有誤差累積，可使用最小二乘法求解方程來減小誤差帶來的影響。最后對定位算法進(jìn)行誤差分析。第四章以前文為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了基于UWB的智能定位小車。首先介紹智能小車的系統(tǒng)架構(gòu)，并說明各部分組成功能及使用參數(shù)規(guī)格；其次介紹UWB定位系統(tǒng)的系統(tǒng)框架，說明各部分硬件組成功能及參數(shù)規(guī)格。第五章對所設(shè)計(jì)的UWB定位系統(tǒng)進(jìn)行測試。首先介紹定位系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，然后搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過多次測設(shè)驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)，符合設(shè)計(jì)預(yù)期，達(dá)到了厘米級室內(nèi)定位的要求。第六章是總結(jié)與展望，分析總結(jié)了本文主要的研究內(nèi)容及所設(shè)計(jì)定位系統(tǒng)的不足，提出了后續(xù)需要進(jìn)一步提高的研究內(nèi)容。

第二章UWB的無線定位技術(shù)UWB是一種用于無線通信的短距離RF技術(shù)，可用于數(shù)據(jù)高速傳輸和室內(nèi)物體的定位與導(dǎo)航。它使用1GHz以上頻率帶寬進(jìn)行通信，采用短納秒窄脈沖傳輸信號，傳輸速率可以達(dá)到幾百兆比特每秒。2.1超寬帶技術(shù)簡介2.1.1UWB定義UWB定位系統(tǒng)使用3.1至10.6GHz頻段的脈沖無線電傳輸，提供7.5GHz的信號帶寬。FCC對UWB技術(shù)的定義為：UWB信號在-10dB處的絕對帶寬高于0.5GHz或相對帶寬高于、等于其中心頻率20%。相對帶寬FBFB=fU?f公式(2.1)中，F(xiàn)B為相對帶寬，fU為輸出-10dB輻射點(diǎn)對應(yīng)的最高頻率點(diǎn)，fL代表輸出-10dB輻射點(diǎn)對應(yīng)的最低頻率點(diǎn)，fFCC對室內(nèi)外UWB的輻射功率限制如表2.1所示。表2.1FCC對室內(nèi)外UWB的輻射功率限制頻率（MHz）90~16101610~19901990~31003100~1060010600以上室內(nèi)（EIRP/dBm）-75.3-53.3-51.3-41.3-51.3室外（EIRP/dBm）-75.3-63.3-61.3-41.3-61.32.1.2UWB技術(shù)特點(diǎn)與BLE，Wi-Fi這樣的窄帶通信技術(shù)相比，UWB有著厘米級的定位精度、傳輸速率高、低功耗、安全性高，抗干擾等眾多優(yōu)點(diǎn)。（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單UWB發(fā)送超窄短波脈沖信號來傳輸數(shù)據(jù)，不需要進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，不需要中頻處理，因此成本低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。（2）定位精度高UWB的最高定位精度可達(dá)10cm甚至更小，可用于建筑物內(nèi)精確定位。UWB不取決于信號強(qiáng)度，而是使用TOF（飛行時(shí)間），TWR（雙向測距），TDOA（到達(dá)時(shí)間差），AOA（到達(dá)角）技術(shù)等來確定與其他設(shè)備的距離。通過多個(gè)UWB基站，UWB還可以測量信號到達(dá)的角度。角度與定位距離相結(jié)合，可以精確定位物體在空間中的位置。（3）傳輸速率高根據(jù)香農(nóng)信道容量定理可得，信息的傳輸速率與帶寬成正比，UWB的帶寬達(dá)到千兆赫茲，所以其數(shù)據(jù)傳輸速率非常高。（4）發(fā)射功耗低UWB無線電具備1GHz以上的射頻帶寬。UWB使用間歇窄脈沖傳輸信號，所以發(fā)射時(shí)需要的平均功率很低，大約是藍(lán)牙設(shè)備所需功率的1/20，較低的功耗能夠延遲設(shè)備的工作時(shí)長。因此，UWB與無線通信技術(shù)相比，有著很大的優(yōu)勢。（5）安全性好因?yàn)閁WB的頻譜非常寬，通常情況下，UWB信號比噪聲的功率譜密度更低，確保了信號不容易被檢測出來，提高了通信的安全性。2.2UWB與其他無線通信技術(shù)與其他室內(nèi)定位技術(shù)相比，UWB具有更優(yōu)越的定位精度。其他標(biāo)準(zhǔn)通常使用接收信號強(qiáng)度指示器（RSSI）來確定位置，并且通常只能在儀表范圍內(nèi)的精度下執(zhí)行此操作，例如BLE（<5米）和Wi-Fi（<10米）。一些UWB技術(shù)還可以使用到達(dá)角度來更精確地測量位置和測向，這需要具有多個(gè)天線的設(shè)備來測量輸入信號的角度。下文介紹了幾種常見的室內(nèi)定位技術(shù)，并將它們與UWB技術(shù)比較。目前，常見的定位技術(shù)主要有：UWB、藍(lán)牙、RFID、ZigBee、NFC、Wi-Fi等。（1）藍(lán)牙藍(lán)牙是一種無線個(gè)人局域網(wǎng)（WPAN）技術(shù)，用于電信設(shè)備在較小的距離上進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。它在2.4GHz到2.485GHz的短波UHF頻段內(nèi)運(yùn)行，允許同時(shí)連接的最大設(shè)備數(shù)為7，藍(lán)牙通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10米，每秒可以傳輸數(shù)兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。 藍(lán)牙設(shè)備的特點(diǎn)是相對較小且易與集成，因此推廣普及十分方便。但是其缺點(diǎn)是通信距離有限，功耗高，穩(wěn)定性較差，也容易受到噪聲的影響。（2）ZigBeeZigBee是一套基于IEEE802.15.4的通信協(xié)議規(guī)范，支持網(wǎng)狀低功耗無線個(gè)人局域網(wǎng)（WPAN），具有多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)和多點(diǎn)對點(diǎn)設(shè)備間通信。主要用于近距離低速率通信的場景。ZigBee的主要特點(diǎn)是適用于不需要大量帶寬的低功耗設(shè)備；使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，適用于設(shè)置智能家居和建筑物，具有可擴(kuò)展的傳輸范圍和更好的穩(wěn)定性。但由于信道擁堵，ZigBee的信號容易受噪聲影響；主要適用于低速數(shù)據(jù)傳輸，而且安全性較差。（3）WI-FIWi-Fi是一種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用于將計(jì)算機(jī)、移動(dòng)設(shè)備和其他設(shè)備無線連接到互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信。這是一個(gè)行業(yè)術(shù)語，代表一種基于IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)（LAN）協(xié)議。Wi-Fi站通過發(fā)送數(shù)據(jù)包相互通信。數(shù)據(jù)塊通過無線電單獨(dú)發(fā)送和傳遞。與所有無線電一樣，這是通過對載波進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)來完成的。Wi-Fi的優(yōu)點(diǎn)是范圍廣泛，可以從Wi-FiAP（接入點(diǎn)）覆蓋范圍內(nèi)的任何地方訪問Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，成本低廉，能夠大規(guī)模部署。但很容易受到其他信號的干擾，從而影響精度，設(shè)備的功耗也較高，安全性差。（4）RFID射頻識別（RadioFrequencyIdentification，RFID）是一種使用無線電波被動(dòng)識別標(biāo)記對象的技術(shù)。該系統(tǒng)完全自動(dòng)工作，用于貨物，藥品，車輛或生物等物體的非接觸式通信，識別和定位。因此，RFID也屬于關(guān)鍵字Auto-ID（自動(dòng)識別和數(shù)據(jù)采集）。為了成功使用，需要發(fā)射器，接收器，能量和一定的距離。RFID電子標(biāo)簽的價(jià)格低廉，可以大規(guī)模部署。但RFID無法做到實(shí)時(shí)跟蹤，要達(dá)到相同的定位精度時(shí)，RFID讀寫器的部署相對復(fù)雜，數(shù)量較多。表2.2給出了各個(gè)定位技術(shù)的比較。表2.2幾種定位方法比較定位技術(shù)定位精度（米）優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)成本頻段UWB0.1~0.5結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，精度高，抗干擾能力強(qiáng)成本高高3.1~10.6GHz藍(lán)牙3~5低功耗、易集成抗干擾性不強(qiáng)、傳輸距離有限高2.4~2.485GHzZigBee>5低功耗、低成本精度低、傳輸距離有限高2.4GHz（主流）、868MHz（歐）、915MHz（美）Wi-Fi<10覆蓋范圍廣、速度快、安全性較差、功耗較高低2.4GHz、5GHzRFID3~5體積小、造價(jià)低作用范圍有限，不具備通信能力，不易于整合低30KHz~300KHz3MHz~30MHz、433.92MHz2.45GHz、5.8GHz2.3UWB技術(shù)的應(yīng)用相較于其他定位技術(shù)，UWB技術(shù)擁有很多優(yōu)點(diǎn)。所以，UWB技術(shù)在各行各業(yè)均有應(yīng)用，最典型的是在軍用雷達(dá)和通信應(yīng)用中，軍用領(lǐng)域如軍用通訊、雷達(dá)探測等；民用方面用于安檢人員調(diào)度、消防救援和停車管理等。（1）軍事方面軍備競爭是推動(dòng)技術(shù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。UWB技術(shù)發(fā)明之初也是應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。由于UWB信號的極寬頻譜和非常低的功率譜密度，使得UWB信號安全性很高，不易被檢測出來。UWB信號具有工作頻率高和低占空比的特點(diǎn)，所以能有效抗多徑干擾。因此，利用UWB技術(shù)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品非常適合應(yīng)用于軍事方面。經(jīng)過漫長的發(fā)展，UWB技術(shù)在雷達(dá)方面的應(yīng)用的已經(jīng)十分成熟。雷達(dá)、定位、通信三種功能相結(jié)合的產(chǎn)品已經(jīng)可以利用UWB技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，特別適合高檢測分辨率雷達(dá)和設(shè)備便捷化的要求，易于安裝在無人機(jī)和機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)車輛上。（2）民用方面近年來，UWB技術(shù)在民用領(lǐng)域得到了飛速發(fā)展。UWB的精度使其成為一種有效的選擇，特別是在需要高精度的高級室內(nèi)定位用例中。在室內(nèi)導(dǎo)航領(lǐng)域，通過由UWB定位精度提供支持的室內(nèi)導(dǎo)航和尋路功能，讓空間立即變得熟悉和探索。也可以用于人員的定位跟蹤，在緊急情況和疏散中，利用低成本、低功耗標(biāo)簽和員工徽章，UWB精準(zhǔn)定位能快速獲得人員的精確位置。UWB的高精度定位使其成為資產(chǎn)跟蹤的重要手段，許多行業(yè)可以利用UWB的準(zhǔn)確性，快速性和可靠性來跟蹤關(guān)鍵資產(chǎn)和設(shè)備的實(shí)時(shí)位置和狀態(tài)，比如在企業(yè)中，通過UWB能清晰地了解大型企業(yè)園區(qū)和設(shè)施中的資源、資產(chǎn)和設(shè)備，提高生產(chǎn)力和資源。

第三章UWB技術(shù)的測距定位算法3.1UWB的測距原理本文采用雙向時(shí)間飛行法測距法（TwoWay-TimeOfFlight，TW-TOF）測距，之后使用三邊定位算法計(jì)算標(biāo)簽坐標(biāo)。TW-TOF是通過測量信號從源（飛行時(shí)間傳感器）傳播到物體并返回所需的時(shí)間的測距方法，降低了對設(shè)備的要求，不用考慮時(shí)間同步所帶來的誤差影響。當(dāng)一個(gè)設(shè)備靠近另一個(gè)設(shè)備時(shí)，兩個(gè)設(shè)備將開始相互測距以確定它們的距離，即使它們在通信時(shí)也是如此。然后，將信號在它們之間傳播所需的時(shí)間乘以光速，便能確定它們的相對位置，通常用于實(shí)現(xiàn)位置感知通信。測距步驟如圖3.1所示。圖3.1TW-TOF測距步驟TW-TOF的測距原理是標(biāo)簽在TSP向基站發(fā)送輪詢信號（包括如響應(yīng)請求等信息）。當(dāng)基站接收到輪詢信號后，基站保存此時(shí)的時(shí)間戳TRP，延時(shí)后在向標(biāo)簽發(fā)送回復(fù)信號且保存發(fā)送時(shí)間TSR。當(dāng)標(biāo)簽受到回復(fù)信號后保存接受時(shí)間TRR，延時(shí)后在（1）標(biāo)簽信號的往返時(shí)間TTRT=TRR?（2）基站信號的往返時(shí)間TART=T之后再將以上所求得的四次飛行時(shí)間取平均值，就能得到單次飛行時(shí)間TOF。這樣就解決了時(shí)間同步問題，標(biāo)簽和基站只需要使用它們自己的時(shí)鐘。令TRSPTOF=TRR?T若TRSPTOF=TTRTTART?飛行距離S等于光速C乘以TOF。（C=300000km/s）3.2三邊定位算法3.2.1算法原理介紹三邊定位算法是一種基于TOA的算法，在給定三個(gè)圓的中心和半徑的情況下確定三個(gè)圓的交點(diǎn)的方法。通過此方法至少要獲得三個(gè)標(biāo)簽到基站的距離Ri。以基站A、B、C為圓心，以Ri為半徑作圓，則三個(gè)圓的唯一交點(diǎn)即為標(biāo)簽的位置，通過設(shè)立方程組求解便能得到標(biāo)簽的實(shí)際坐標(biāo)。定位原理如圖3圖3.2三邊定位算法原理在二維平面坐標(biāo)系下，基站以A、B、C表示，標(biāo)簽以D表示，利用TW-TOF測得的三個(gè)標(biāo)簽到基站的距離Ri，可得到標(biāo)簽的坐標(biāo)D（x，y當(dāng)標(biāo)簽的數(shù)目大于三個(gè)時(shí)，可利用最小二乘法求解方程組，以減小測量誤差對定位結(jié)果的影響。設(shè)標(biāo)簽坐標(biāo)分別為x1,y(3.3)式(3.3)中的第一個(gè)方程與其他方程相減，可得：(3.4)將式(3.4)進(jìn)行矩陣變換，得：(3.5)再進(jìn)行變換： AX=B(3.6)利用最小二乘法求解式(3.6)，可得到基站的位置為：x,y=ATA?1A3.2.2誤差分析理想的三邊定位算法所測出的Ri沒有誤差，這時(shí)可求得標(biāo)簽的唯一解（x，y（1）給定的距離由于測量的誤差，以不同基站為中心繪制的圓弧或球面可能不交于一點(diǎn)。實(shí)際上，由于測距算法只能得到實(shí)際距離在一定誤差范圍內(nèi)的結(jié)果，給定一個(gè)基站坐標(biāo)，我們通常只能假設(shè)標(biāo)簽在以基站為中心的、具有一定寬度的圓環(huán)范圍內(nèi)。這樣一來，如何設(shè)計(jì)坐標(biāo)計(jì)算方法以最小化定位誤差就成了實(shí)際系統(tǒng)部署時(shí)必須考慮的問題。（2）在實(shí)際環(huán)境中，基站的數(shù)量可能多于三個(gè)，當(dāng)基站數(shù)量多于坐標(biāo)維度時(shí)，如何選擇最優(yōu)基站也成為在定位時(shí)必須要解決的問題。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，為了解決測距誤差對定位的影響，我們通常采用最優(yōu)化二乘法的方法求解目標(biāo)標(biāo)簽的坐標(biāo)。不妨假設(shè)已知的基站坐標(biāo)為Paii=1,2,3…N，N為基站數(shù)量。待求解的標(biāo)簽坐標(biāo)為Ri=||Pt同時(shí)已知測得的標(biāo)簽到各基站的距離Ri Pt=argminpi=1N?Ri

第四章基于UWB技術(shù)的智能小車硬件設(shè)計(jì)4.1智能車輛硬件設(shè)計(jì)4.1.1系統(tǒng)框架本文研究基于UWB技術(shù)的智能定位小車，小車實(shí)物圖如圖4.1所示。圖4.1智能小車實(shí)物圖智能小車系統(tǒng)以STC89C52為主控芯片，利用I/O口控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通過達(dá)林頓管調(diào)速電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)轉(zhuǎn)彎等功能，通過安裝在車頭的HC-SR04超聲波測距模塊實(shí)現(xiàn)小車的測距避障功能，使用TCRT5000紅外光電傳感器實(shí)現(xiàn)小車的循跡功能。智能小車系統(tǒng)框圖如圖4.2所示。電源模塊電源模塊圖4.2智能小車系統(tǒng)框圖4.1.2主控制器51系列單片機(jī)能實(shí)現(xiàn)本文所預(yù)期的定位目標(biāo)，并且操作簡單，快捷，易于上手。綜合各因素考慮，本文智能小車控制系統(tǒng)的主控芯片選擇51系列單片機(jī)的STC89C52。STC89C52單片機(jī)引腳圖如圖4.3所示。圖4.3STC89C52單片機(jī)引腳圖STC89C52芯片的特點(diǎn)如表4.1所示。表4.1STC89C52芯片特點(diǎn)8K字節(jié)閃存FLASH256字節(jié)隨機(jī)存取存儲器RAM2個(gè)數(shù)據(jù)指針3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器32位雙向I/O端口線5個(gè)中斷源，兩級中斷優(yōu)先級看門狗定時(shí)器1個(gè)全雙工異步串行口片內(nèi)晶振以及時(shí)鐘電路靜態(tài)邏輯設(shè)計(jì)，工作范圍：0～24MHz保護(hù)和掉電兩種工作方式

寬溫度范圍，-40℃~85℃4.1.3避障模塊本文避障模塊選用HC-SR04。它是一種超聲波傳感器，主要用于確定與目標(biāo)物體的距離。發(fā)送和接收波所需的時(shí)間取決于物體與傳感器的距離。測量目標(biāo)物體所需的距離不會(huì)造成任何損壞，能提供準(zhǔn)確的測距。該傳感器的檢測范圍為2cm至400cm，應(yīng)用廣泛，包括速度和方向測量、無線充電、醫(yī)用超聲設(shè)備、聲納和無損檢測。由于發(fā)出信號和接收信號的功率較小，所以需要通過信號放大器提高發(fā)射功率，并將接受信號進(jìn)行放大，以能更穩(wěn)定地將信號傳輸給單片機(jī)。整體模塊電路如圖4.4所示。圖4.4HC-SR04模塊原理圖表4.2顯示了該超聲波傳感器的主要規(guī)格。表4.2HC-SR04傳感器的主要規(guī)格參數(shù)規(guī)格主要部分發(fā)射器和接收器使用技術(shù)非接觸式技術(shù)工作電壓5V工作頻率4MHz檢測范圍2cm~400cm測量角度30°分辨率3mm工作電流<15mA傳感器尺寸45mm×20mm×15mm4.1.4循跡模塊循跡模塊采用紅外檢測的方法，本文選用TCRT5000紅外光電傳感器，原理圖如圖4.5所示。TCRT5000的封裝中耦合了光電二極管和光電晶體管。光電二極管有兩個(gè)引腳（陽極和陰極），可用于產(chǎn)生IR信號。同樣，光電晶體管也有兩個(gè)引腳（集電極和發(fā)射極），可用于讀取反射回來的IR信號。該傳感器可用于檢測物體的存在或其前方的任何其他反射表面，并且通過一定程度的編程，它還可以計(jì)算出其前方物體的距離。但距離只能計(jì)算短距離物體，并且還受到環(huán)境干擾。此外，該傳感器非常適合檢測其前方物體的接近程度。它還可以很容易地區(qū)分黑色和白色，因此廣泛用于循跡和迷宮解決機(jī)器人。圖4.5TCRT5000紅外光電傳感器原理圖表4.3顯示了TCRT5000的主要規(guī)格。表4.3TCRT5000傳感器的主要規(guī)格參數(shù)規(guī)格主要部分帶晶體管輸出的紅外傳感器工作電壓5V二極管正向電流60mA輸出模擬或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)晶體管集電極電流100mA（最大值）工作溫度-25℃至+85℃4.1.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用由達(dá)林頓管組成的H型橋式電路。H橋電路可以構(gòu)建為分立元件或集成到集成電路中，通常用于逆變器（DC-AC轉(zhuǎn)換）。H橋式電路原理圖如圖4.6所示，通過單片機(jī)控制開關(guān)的閉合與打開，現(xiàn)電機(jī)頻繁的正反轉(zhuǎn)控制，直流電源被逆變?yōu)橐欢l率或可變頻率的交流電源，用來驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)（異步電機(jī)）等。圖4.6H橋式電路原理圖4.2UWB定位系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)4.2.1系統(tǒng)框架UWB定位系統(tǒng)主要由標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)和基站節(jié)點(diǎn)組成，標(biāo)簽安裝在智能小車上，基站固定在確定位置上。本文采用UWBMini3sPlus模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)UWB定位系統(tǒng)。模塊采用STM32F103C8T6單片機(jī)為主控芯片。外圍電路包括DW1000芯片、電源模塊、LED指示模塊、復(fù)位電路等。UWBMini3sPlus正面圖如圖4.7所示。圖4.7UWBMini3sPlus正面圖標(biāo)簽和基站的硬件結(jié)構(gòu)一樣，但分工不同，通過USB指令進(jìn)行切換。系統(tǒng)框架圖如圖4.8所示。上位機(jī)上位機(jī)圖4.8系統(tǒng)框架圖4.2.2主控制器設(shè)計(jì)UWBMini3sPlus定位模塊的主控制器采用STM32F103C8T6芯片，是基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位RISC架構(gòu)的微控制器，最高工作頻率為72MHz，集成了128KB的程序存儲器Flash和20KB的隨機(jī)存取存儲器SRAM，工作溫度為-40℃~85℃。圖4.9為STM32F103C8T6芯片引腳原理圖，引腳配置如表4.4所示。圖4.9STM32F103C8T6芯片引腳原理圖表4.4STM32F103C8T6引腳配置類型引腳名稱功能電源VCCGND1.工作輸出電壓3.3V~5V2.由USB或5V外部源引腳供電3.提供接地引腳模擬引腳PA0-PA7，PB0-PB12個(gè)12位ADC引腳I/O引腳PA0-PA15，PB0-PB15PC13-PC15、PD0-PD137個(gè)通用I/O引腳串行通信（UART）TX1，RX1，TX2，RX2，TX3，RX3RTS，CTSUSART引腳定時(shí)器TIM1、TIM2、TIM3、TIM4測量輸入信號的脈沖長度產(chǎn)生輸出波形等SPIMISO0，MOSI0，SCK0，MISO1，MOSI1，SCK1，CS02個(gè)串行通信引腳CANCAN0TX，CAN0RX控制器局域網(wǎng)總線引腳I2CSCL1，SCL2，SDA1，SD2內(nèi)部集成電路串行數(shù)據(jù)和時(shí)鐘引腳內(nèi)置發(fā)光二極管LEDPC13用于指示的LEDSTM32芯片在獲得供電的瞬間，若不先進(jìn)行復(fù)位，其內(nèi)部的FLASH、計(jì)數(shù)器等電路直接開始工作，可能會(huì)導(dǎo)致主控芯片不能正常工作。為了使其能正常工作，需要對其添加一個(gè)復(fù)位電路。7引腳NRST為復(fù)位引腳，復(fù)位電路如圖4.10所示。圖4.10復(fù)位電路原理圖4.2.3信號傳輸模塊信號傳輸模塊所使用的芯片是DW1000。DW1000是一款超寬帶無線收發(fā)器芯片，支持基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線通信。高數(shù)據(jù)速率，低成本，低功耗，范圍可達(dá)290米。它能夠通過精確測量它們之間發(fā)送的無線數(shù)據(jù)包的飛行時(shí)間來測量兩個(gè)DW1000節(jié)點(diǎn)之間的距離。 DW1000芯片參數(shù)規(guī)格如表4.5所示。表4.5DW1000參數(shù)規(guī)格工作電壓：2.8V~3.6V符合IEEE802.15.4-2011UWB標(biāo)準(zhǔn)工作頻段：3.5~6.5GHz支持雙向TOF測距和TDOA定位調(diào)制方式：BPM/BPSK支持低功耗波特率：110Kbps，850Kbps，6.8Mbps支持最大封包長度1023字節(jié)發(fā)射功率：最大20dBm通訊距離：300米DWM1000芯片的原理圖如圖4.11所示。DWM1000中的3、4引腳為晶振引腳，能夠?qū)⒕д衽c狀態(tài)控制器連接，為DW1000提供穩(wěn)定脈沖源。16、17引腳為射頻接口，能夠連接至板載天線。17~20引腳分別與STM32F103C8T6芯片中的14~17連接實(shí)現(xiàn)通信。3引腳為復(fù)位引腳，激活低電壓輸出，將DW1000恢復(fù)到初始態(tài)。引腳2為WAKEUP接口，能夠喚醒DW1000，進(jìn)入到工作狀態(tài)。圖4.11DW1000芯片引腳原理圖4.2.4串口模塊PC機(jī)通過串口連接進(jìn)行設(shè)置節(jié)點(diǎn)以及獲取定位信息，同時(shí)將程序燒錄進(jìn)STM32F103C8T6主控芯片。PC機(jī)與下位機(jī)的端口電平不一致，所以需要設(shè)置串口模塊。串口模塊采用MAX232芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路原理圖如圖4.12所示。圖4.12串口電路原理圖TXD、RXD引腳分別與STM32F103C8T6芯片的30、31引腳連接通信。利用串口電路模塊，實(shí)現(xiàn)STM32芯片電平與RS232的電平信號的轉(zhuǎn)換。

第五章系統(tǒng)測試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析5.1上位機(jī)軟件調(diào)試本文上位機(jī)軟件采用QT5.11.3MinGM開發(fā)。Qt是用于創(chuàng)建應(yīng)用程序的跨平臺框架。由QML語言，QTDeclarativeC++模塊（將QML語言與C++對象集成在一起）和QtCreator工具（現(xiàn)在包括支持環(huán)境的擴(kuò)展）組成。本上位機(jī)實(shí)現(xiàn)的主要功能如下表5.1所示：表5.1上位機(jī)軟件主要功能與UWB模塊的虛擬串口COMPort建立連接讀取來自UWB基站節(jié)點(diǎn)的定位信息基站列表，可以設(shè)置基站的實(shí)際位置標(biāo)簽列表，可顯示各基站距離標(biāo)簽的距離、以及標(biāo)簽的坐標(biāo)地圖顯示，支持自定義導(dǎo)入地圖PNG格式的地圖，能實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的縮小放大與微調(diào)其他參數(shù)設(shè)置圖5.1為上位機(jī)軟件界圖面。界面主要分為四個(gè)區(qū)域，分別為基站坐標(biāo)設(shè)置區(qū)、標(biāo)簽坐標(biāo)顯示區(qū)、標(biāo)簽軌跡實(shí)時(shí)顯示區(qū)以及軟件設(shè)置區(qū)?；咀鴺?biāo)設(shè)置區(qū)包含基站的ID及定位坐標(biāo)；標(biāo)簽坐標(biāo)顯示區(qū)既可以顯示標(biāo)簽的ID和定位坐標(biāo)，也可以顯示每個(gè)基站到標(biāo)簽之間的距離；標(biāo)簽軌跡顯示區(qū)是根據(jù)標(biāo)簽固定安裝的位置建立坐標(biāo)系，實(shí)時(shí)顯示出標(biāo)簽運(yùn)動(dòng)軌跡；軟件設(shè)置區(qū)包含Config、Map和Grid三個(gè)表，用來對軟件進(jìn)行配置。圖5.1上位機(jī)軟件界面圖5.2搭建試驗(yàn)環(huán)境為了進(jìn)行測試UWB定位系統(tǒng)的性能指標(biāo)，比如定位精度，定位誤差等，需要搭建一個(gè)符合測試條件的環(huán)境。定位系統(tǒng)需要一部筆記本、一個(gè)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)、四個(gè)基站節(jié)點(diǎn)。此外，還需要四個(gè)移動(dòng)電源為基站供電。實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖5.2所示。圖5.2測試環(huán)境5.3試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)測試環(huán)境如上圖5.2所示，在此測試環(huán)境中布置四個(gè)基站節(jié)點(diǎn)，并將標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)固定在智能小車上。標(biāo)簽向基站發(fā)送UWB信號，當(dāng)基站收到信號后利用TW-TOF測距法計(jì)算出與標(biāo)簽的實(shí)際距離，最后基站A0將這些距離數(shù)據(jù)通過USB虛擬串口發(fā)送給上位機(jī)，最后上位機(jī)利用三邊定位算法算得標(biāo)簽的坐標(biāo)位置，從而顯示出標(biāo)簽的實(shí)時(shí)坐標(biāo)及軌跡。具體試驗(yàn)步驟如下：（1）在試驗(yàn)場地中布置好小車所要循跡避障的路線；（2）安裝基站，將四個(gè)基站的坐標(biāo)分別設(shè)置為（0，0，3）、（5，0，3）、（0，5，3）、（5，5，3），并給基站進(jìn)行供電；（3）打開上位機(jī)軟件，根據(jù)設(shè)定條件設(shè)計(jì)基站坐標(biāo)；（4）建立上位機(jī)與標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)之間的通信，開始進(jìn)行智能小車的循跡避障實(shí)驗(yàn)，重復(fù)五次實(shí)驗(yàn)并保存試驗(yàn)結(jié)果。5.4試驗(yàn)結(jié)果及分析智能小車動(dòng)態(tài)定位測試結(jié)果如圖5.3所示，圖中曲線表示小車循跡路線