基于UWB的室内导航系统研究

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　　摘要：针对传统定位方法部署成本高但定位精度差及基于二维码等定位方法用户体验不好的缺点，提出了一种基于UWB定位技术与三维激光扫描仪建模结合的定位方法，通过基站标签组合、三点定位算法、导航地图的绘制等技术实现室内定位导航。实验表明，该方法具有定位精度高和用户体验较好的优点。
　　随着信息化社会的发展与各种通讯技术的革新，人们对家居环境安全、商场购物的便捷等方面有了更高的需求。室内定位系统就时在这种需求下催生的产物，如S.T.Shih等人提出了基于无线射频识别RFID的室内定位技术[1]，因RFID标签默认不提供信号强度信息，需要进行手工估计，因此会造成误差较大;杨波波、张会清等人提出了基于WiFi信号进行定位的方法[2-3]，存在部署成本很高，WiFi信号容易受到电磁影响的缺点;杨宝等人采用iBeacon信标节点，设计了一种蓝牙技术为基础的室内定位系统[4]，在500m2的室内环境下，定位精度优于2m，依然无法实现较小物品的定位。陈文建、吴友宝等人提出了基于二维码的室内定位方法[5-6]，该种方法部署较为简单，但是需要频繁扫描二维码，用户的体验并不太好。漆军等人提出了使用超声波实现室内定位的方法[7]，有效降低了误差，但是需要布置较多节点导致其成本大幅度提高不适合民用。本文提供的基于UWB的室内导航系统是一种超窄脉冲的无线载波通讯，在实现更大的带宽的同时由于没有调制波所以具有超强的抗干扰能力，其还具有更小的功率、更小的电磁辐射等诸多优点，在导航系统的设计上使用点云数据绘制三维地图A*算法实现路径规划，使得其操作起来更加便捷快速。
　　1 系统设计
　　本文提出的基于UWB技术的室内导航系统，主要有PC端，手机移动端，基站和标签组成，其系统结构如图1所示。
　　其中基站和标签是我们导航系统的定位中枢。在单个室内定位时基站数一般为4个，也可随用户需求添加或者减少。基站和标签在一定范围内可以准确测量各个基站到达指定标签的直线距离并通过主基站将距离数据在通信范围内传给PC或手机端。UWB基站标签原理如图2所示，T4为标签，T0为主基站，T1、T2、T3三个为协助基站，主机站T0将各个基站到达标签的距离数值以十六进制的形式通信给计算机，再通过三点定位算法計算出标签在室内的具体位置，最后将数据传送到移动端并可视化地显示出来。
　　2 三点定位算法简介
　　（1）在使用UWB模块实现定位导航时首先需要准确测量基站与标签之间的距离。本文使用的算法有两种TOA和TDOA这两种算法都是使用时间与光速的乘积计算相对距离。其中TOA是单独的基站与标签互传定位，基站发出数据给标签，标签收到后返回数据给基站，基站收到数据的同时记录时间差算的相对距离。而TDOA是使用双基站的方式测距，测距时标签主动向两个基站发送数据，基站收到数据时分别记录两个时间段，通过两个基站的时间差计算到定位距离。
　　（2）位置计算使用三点定位的三维算法。本文采用的计算方法如图3图示。空间定位我们在原有的三点定位如左图所示改进添加z轴来表示标签在空间内的高度，其坐标计算方法如下：
　　由此矩阵式子算出标签在空间中的相对坐标。
　　3 导航模块的实现
　　3.1 地图的制作
　　关于地图的绘制，为了方便与准确，我们使用三维激光扫描仪对我们需要绘制地图的单个房间进行点云数据采集。将采集好的点云数据模型使用Auto CAD打开，并获取地面点云数据的投影切图。最后根据点云数据上的切图结合我们库中关于障碍物的模型选择性的添加，最终生成三维的模拟实物地图。同时为了适应更多的用户需求我们的实物模拟图也可以使Auto CAD自定义生成。
　　3.2 路径导航的实现
　　路径导航的规划我们使用结合了Dijkstra算法、BFS算法优点的A*算法来实现最优路径的选择，A*算法既可以像Dijkstra一样选择最佳路径，又可以像BFS算法一样基于贪心策略的快速规划路径。
　　在实现路径规划时我们首先通过三维地图的底面切图获得障碍物与路径的方格迷宫图如图4所示。我们把接收到的手持标签三维坐标数据投影在底面切图的方格点作为起点，要到达的目标三维坐标点在底面切图投影的方格点作为终点。当进行路径规划时，采用启发式的方法，从起点开始不停的向周围的点计算总路径代价（总路径代价=实际路径代价+估算路径代价。实际路径代价我们的计算方法是起点到当前点的实际最短路径长度计算值;估算路径代价就是当前点到终点的无障碍物的最短路径长度计算值），在计算代价值时，网格之间的移动我们只考虑二维平面的8个运动方向，网格之间的路径值使用欧几里得距离计算方法。
　　当从起点的格子就开始不停的向可能行进的方向扩散，这是一个带有启发式搜索的过程，每个格子都会记住前一个格子，而前一个格子的搜索目标是通过代价函数找到它周围总路径代价最小并且是可以使用的（不包括障碍物）格子，直到扩散找到目标节点。
　　4 结语
　　本文提出的基于UWB的室内导航系统中，通过UWB技术作为定位技术，可以提高定位精度，增加抗干扰能力，并减少定位成本。空间定位算法可以解决楼层高度等涉及三维定位的场景。点云数据绘制和A*算法的最优路径规划都大大提高了我们对室内定位的体验，具有较大的市场优势和商业价值。
　　参考文献
　　[1] Shih ST，Hsieh K，Chen PY.An improvement approach of indoor location sensing using active RFID[C].Proceedings of the 1st Intemational Conference on Innovative Computing，Information and Control，IEEE，2006：453-459. 　　[2] 楊波波，张磊.基于WiFi的室内迭代定位算法的研究[J].计算机应用与软件，2016（4）：262-264.
　　[3] 张会清，苏园竟，陈一伟.基于WiFi位置指纹室内定位算法的研究与实践[J].自动化技术与应用，2018（3）：55-58+64.
　　[4] 杨保，张鹏飞，李军杰，等.一种基于蓝牙的室内定位导航技术[J].测绘科学，2019（6）：89-95.
　　[5] 陈文建，王晓蒙，彭玲，等.一种基于二维码的室内定位方法[J].测绘科学，2016（7）：1-8.
　　[6] 吴友宝，徐建闽.基于二维码和A*算法的室内精准定位导航系统[J].电子设计工程，2016，24（23）：25+28.
　　[7] 漆军，刘国平.基于无线传感网络和超声波的室内定位系统的设计与实现[J].控制与决策，2018（8）：1391-1398.
　　Abstract：For the shortcoming of the traditional positioning method has high cost but poor positioning accuracy ，and user experience of positioning methods based on two-dimensional code is poor. A positioning method based on UWB positioning technology and 3D laser scanner is proposed， which can realize indoor positioning navigation by base station tag combination， 3D positioning algorithm， and mapping of navigation map. Experiments show that this method has the advantages of high positioning accuracy and good user experience.
　　Key words：UWB;indoor positioning;navigation;base station;tag
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