UWB 定位技术方案选择

UWB定位技术方案选择南京沃旭通讯科技有限公司2015-112南京沃旭通讯科技有限公司©2012-2015NanjingWoxuWireless,Allrightsreserved南京沃旭提供的UWB的定位系统，采用了最基本有两种技术：1、基于测距的定位方案；定位标签和定位基站逐一测距，得到所有的距离数据之后，服务器计算标签的位臵。2、基于到达时间差（TDOA）的定位方案基站间位臵相同的时间，标签只需要发送一个广播报文，所有基站将收到这个报文的时间戳发送到服务器，服务器计算标签的位臵。但应用环境千差万别，如何用这两种基础技术来满足主流的需求，下面进行分别说明。1定位系统逻辑单元定位系统由至少三个逻辑单元组成：定位标签：即被定位设备；定位基站：信息收集单元；定位服务器：位臵计算单元；1.1应用架构1.1.1经典架构在这个典型应用架构下，三个逻辑单元有各自对应的物理单元，各自完成功能块。3南京沃旭通讯科技有限公司©2012-2015NanjingWoxuWireless,Allrightsreserved4南京沃旭通讯科技有限公司©2012-2015NanjingWoxuWireless,Allrightsreserved1.1.2精简架构在这种应用架构下，系统并没有运算服务器，而是其中一个锚点充当计算服务器，其他基站将收到的定位信息发送到主锚点，由主锚点进行计算，然后将计算结果输出。这种架构主要是应用在系统比较简单，计算工作量不大的系统中，可以节省一个计算服务器。降低系统建设和维护成本。5南京沃旭通讯科技有限公司©2012-2015NanjingWoxuWireless,Allrightsreserved1.1.3逆向架构逆向架构，计算服务功能在标签上，主要应用场景类似于机器人，AGV小车等，需要被定位目标知道本身的位臵，标签通过和锚点之间测距，锚点将测距信息回传到标签，标签根据所有的信息计算自己的位臵，同时融合其他的定位即使，比如各种传感器。2进入检测这种模式，主要是用于检测目标是否在指定区域。这种模式，只需要一个基站，标签和基站进行测距即可完成。3按“维”定位根据应用场景的不同，可以实现一、二、三维定位。6南京沃旭通讯科技有限公司©2012-2015NanjingWoxuWireless,Allrightsreserved3.1一维定位典型应用为巷道定位，只需要定位目标在这个巷道的相对位臵。一般会忽略巷道的宽度。在这种模式下，可以采用基站时间同步的方式实现一维定位。3.2二维定位二维定位需要确定在空间的X、Y坐标。分两种情况1、类似于道路的伪二维定位和一维定位非常类似，但采用测距的方式实现定位功能。通过标签离基站的距离，计算标签的位臵，有于场景的特殊性，可以计算出标签的最终位臵。2、标准二维定位7南京沃旭通讯科技有限公司©2012-2015NanjingWoxuWireless,Allrightsreserved通过三个以上的基站，确定区域内的标签的位臵。可以得出基站的二维坐标。在这个系统中，由于只有二维坐标，需要关注“垂直投影”带来的误差。如下图：基站4和其他基站不在同一个平面上，若做测距，得到的是标签和基站4的斜边的距离，需要通过投影到平面进行计算。8南京沃旭通讯科技有限公司©2012-2015NanjingWoxuWireless,Allrightsreserved3.3三维定位实现三维定位，需要求出被定位设备的XYZ三维坐标，在基站架设的时候，需要特别拉开Z轴的高度差，以确保在Z轴上的精确度。若用测距的方式，三个基站就可以完成三维定位，用TDOA的方式，必须要四个以上基站才能完成。4方案优势与不足4.1基于测距的不足在上文中提到，采用测距的方式，标签需要和基站逐个测距，然后才能完成定位。在6.8Mbps的工作速率下，完成一次TWR测距，需要2ms，若有4个基站，完成一轮测距需要8ms。导致系统容量比较低；另外一个方面，由于测距需要多次的报文发送，和较长的等待接收的时间，系统的功耗增加，导致电池的待机时间变短。但基于测距的系统，由于不需要时间同步，其实施相对简单，容易上手。4.2TDOA的优势与不足相对于测距，TDOA每次定位，只需要发送一个广播报文，即可完成定位。其容量远高于基于测距模式，同时，功耗也极大降低。理想情况下，按1Hz计算，系统容量可以达到1500个标签。但TDOA实现难度更大，时间同步要求比较高。需要达到0.2ns以下，才能有效的保障系统精度。沃旭通讯提供无线时间同步的方式，系统定位精度达到30厘米。9南京沃旭通讯科技有限公司©2012-2015NanjingWoxuWireless,Allrightsreserved但TDOA也有不足，有一些场景无法适用于TDOA，比如，基站在中间，标签在基站外围的情况下，其定位精度比较差，TDOA不适用。5场景分析方案选择条件电池待机时间长无功耗要求高密度TDOATDOA低密度TDOA测距6如何提高基于测距的系统容量：由于UWB目前不支持CSMA，同时也为了确保系统的容量，若采用自由冲突的方式，进行测距定位，系统的容量非常低。可以通过增加一个中间点，来控制标签的测距流程，以增加系统的容量。比如，在刚才的例子中，若一轮测距需要8号码，1Hz的工作模式下，可以达到125个标签的容量。如何解决基站在中间，标签在外围的定位在这种模式下，无法采用TDOA的方式实现定位，因为TDOA的方式，标签在外围的时候得到的精度会比较差，误差将超过1米以上，系统可用性会比较差。在这个模式，主要采用测距的方式来实现，但是测距的模式需要优化，如何在测距的同时，降低测距所需要的时间。