#第六届立创电赛#高精度UWB实时定位系统 - 立创电子设计大赛

主页 >

Hechu Tech

赛事

第六届立创电子设计开源大赛

版本协议

GPL 3.0

视频

描述

<div class="document"> </div> <div class="document"> 注：* 为必填项 请在报名阶段填写 ↓ <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">* 1、项目功能介绍</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 时间与空间是物理世界两个最基础的维度，时间的采集当前已经可以很方便的解决，而空间位置的采集特别是室内复杂环境下的空间位置，因为受限于技术实现与成本的因素，一直是整个行业突破的一个重点方向。物联网的第一步就是需要采集各种各样的数据，而位置数据就是其中最重要的一类数据，根据 Machina Research一份研究显示，未来物联网数百亿的连接设备中，有60%的应用将可能包括位置数据，而其中，约三分之一的应用将严重依赖地理位置数据，需要以位置数据为核心才能实现项目的需求。随着物联网时代的快速发展，智慧工厂、智慧停车场、智慧园区、电力电网、养老院、仓储物流等场景对于高精度室内定位技术的需求越来越强烈。 超宽带（Ultra Wide-Band，UWB）是一种新型的无线通信技术，根据美国联邦通信委员会的规范，UWB的工作频带为3.1~10.6GHz，一般带宽至少为500MHz。UWB信号通过发射时间极短（如2ns）的窄脉冲调制到UWB工作频段实现通信功能。超宽带相对于BLE/WIFI等室内定位技术具备低功耗、对信道衰落（如多径、非视距等信道）不敏感、抗干扰能力强、不会对同一环境下的其他设备产生干扰、穿透性较强等优势，具有很高的定位准确度和定位精度，定位精度最高可达厘米级，能够完美的符合大部分企业级应用场景的需求。 目前UWB定位算法包括TOF（飞行时间）、TDOA（到达时间差）等定位算法，其中TDOA更适合于大规模绝对定位部署方案。本定位系统采用TDOA定位方案，使用TDOA技术不需要定位标签与定位基站之间进行往复通信，定位标签只发射或只接收UWB信号，故能做到更高的定位动态、定位精度和定位容量，同时做到标签低功耗。如下TDOA定位原理示意图，有四个基站和一个标签，标签发出广播信号，则可以得到蓝棕绿三组双曲线，其中标签位于基站所包围的区域中的双曲线交点上，可以根据双曲线上的点到两个焦点的距离差为定值这一条件，在平面中表示为双曲线（其中一支），这样便得到三条单支双曲线，而这三个分支双曲线的交点就是我们要求的标签的位置。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ebYqxTk8yxAEvQoea93KEmn3vYzgZOqf87EBNx2O.png"> 本项目实时定位系统（RTLS）采用复杂但是适用性更广的TDOA（到达时间差）定位算法，实现室内高精度定位，最高定位精度可达10cm。本项目UWB实时定位系统硬件部分包括定位基站和定位标签，软件部分包括嵌入式代码、中央解算引擎和控制端等，另外基站通过Wifi或者以太网把数据传输给部署于服务器的中央解算引擎。整个定位系统框架示意图如下： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/iEkYSy0VpisQN0DsBrj9dMrTFKKj63cFWxQWiaMG.png"> 关键技术难点： 1.无线时钟同步技术 高精度的UWB-TDOA定位不仅需要高精度的时间测量技术，还需要稳定可靠的基准时间，由于晶振、锁相环等模拟电路的不确定性电路的不确定性，需要高精度的同步技术解决TDOA定位中的频率同步和时间同步问题。采用TDOA算法的时候遇到的最大的难题就是时钟的同步，系统中1ns的时间误差带来的就是30cm的定位误差，如何确保各个定位基站之间的时钟保持同步，是影响最终定位效果的关键技术难点。目前同步技术分为有线同步和无线同步两种，有线同步指使用网线等线缆将定位基站与单独的同步控制器连接，实现定位基站之间的同步；无线同步指通过无线射频信号实现定位基站之间的同步。由于有线同步需要额外铺设线缆，导致有线同步成本较无线同步高。本系统采用技术上复杂但是部署方案及成本更优的无线时钟同步方案，支持多组基站方案，保证定位系统的性价比更高。 在采用无线同步方案中，时钟偏差存在有两个来源：一是基站硬件中的晶振固有偏差，二是每个基站独立的时钟系统之间的偏差。对于第一个问题，硬件我们采用了高精度有源低频偏晶振。对于第二个问题，我们通过自主算法进行了处理，利用与定位报文最近的之前的两帧同步报文可以将从基站的时钟的同步到主基站的时钟上去，就可以让每个从基站与主基站的时钟同步。 2. 滤波算法 定位坐标的理论计算结果在实际应用场景总会存在各种各样问题，如测量误差、信号干扰、多径效应、硬件一致性偏差等问题，使得测量结果不一定准确并且存在不稳定问题，比如可能不存在唯一的几何交点解。因此在我们的定位算法中加入了扩展卡尔曼滤波器，通过历史轨迹位置对于Tag的位置进行一定的提前预测，另外对于结果的解算不再是固定交点几何解，而是根据一种置信概率近似解，确保位置尽可能精确稳定，以获得良好的定位效果。 3. 多基站级联部署 目前市面上一般采用TDOA定位算法的UWB方案，多数只支持单组4基站定位方案，无法进行大面积部署。本方案采用多级联基站部署算法，通过多级联基站的时钟同步技术及基站分组选择定位策略，实现各类复杂场景的大面积部署。如下图所示中的9个基站采用级联方案部署（PMA为主基站，SMA为二级主基站，SA为从基站），更多基站可以递推进行更多级联，实现大规模不同定位场景全覆盖。 <img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/zEe8692mE9JECzdNx39tB519aL3dI2XVPqFmFAlJ.png"> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*2、项目属性</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 本项目为首次公开的原创项目，项目未参与过其他比赛，公司团队项目未参加过学校答辩。 注：请说明项目是否首次公开；项目是否为原创；项目是否曾经在其他比赛中获奖，若有获奖则叙述获奖详情；项目是否在学校参加过答辩。 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">* 3、开源协议</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 开源代码参考附件。 注：利他即利己，请认真阅读下述内容。 <ol style="line-height: 1.8;"> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt pap-hanging-indent-1.6em" style="line-height: 1.8;">拥抱开源，赋予项目无限价值。建议项目核心功能开源80%以上；</li> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt pap-hanging-indent-1.6em" style="line-height: 1.8;">若某一部分功能不可替代且删掉之后项目无法解决对应的问题，则这一部分实现的功能就是项目的核心功能；比如设计了一台电子负载且设计了一款上位机软件监控功率变化，则电子负载为核心功能，上位机软件为辅助功能；比如电子负载中使用了一款隔离485模块与上位机通信，则此485模块实现的通讯功能为辅助功能；</li> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt pap-hanging-indent-1.6em" style="line-height: 1.8;">项目应选择适合自己的<a href="/posts/98fdb2accd754af7b51990790db3b47a" target="_blank">开源协议</a>，若项目引用其他开源项目，应注明来源并遵循原作者的开源协议规定；原创项目推荐使用GPL3.0开源协议；</li> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt pap-hanging-indent-1.6em" style="line-height: 1.8;">直接引用开源项目的原电路或原代码实现的功能不可作为自己项目的核心功能、使用市场上通用模块直接实现的功能不可作为自己项目的核心功能。</li> </ol> 请在竞赛阶段填写 ↓ <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*4、硬件部分</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> （1）UWB标签 UWB标签（Tag）以UWB脉冲信号形式像基站发送定位报文，发送频率通常是1-10Hz，最大可支持100Hz，但是功耗较高。Tag内部包括MCU、UWB发送模块、电源管理模块，接口等主要硬件部分。定位标签不参与计算，报文发送给解算引擎后解算出坐标结果。产品实际中应用一般以工牌、手环等形式存在。在一些特殊场景中，如养老院手环，标签中可以添加心率、心电等传感器，相关参数可以通过添加到UWB报文中发送给后台。如下图所示，标签硬件主要包括以下部分： 主控MCU：STM32F103； UWB模块：DWM1000； 通信模块：Wi-Fi模块/以太网模块； 电源模块：3.3V-LDO电源模块； 充电输入：5V Micro B端口 调试与烧录端口：SWD下载调试端口和串口； 标签硬件部分设计过程中天线的设计与选型（对于UWB通道的支持，至少保证支持通道2和通道5）、射频部分尽量添加屏蔽罩排除其信号干扰。 硬件模块图： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/DNQZvk2yWSIUjpe607roaNjVYSmvMdDCp8HtOBoZ.png"> PCB图： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/v9uqR2vqw8706RFgRIgOtSlmEwCpocgoLHOd3q5G.png"> （2）UWB基站 本项目UWB定位系统中的基站包括两种，包括用于发送同步报文的同步基站（或称为主基站，MA，Master Anchor）及用于接收定位报文和同步报文的从基站（SA，Slave Anchor）；MA以一定频率（通常10Hz）的广播形式向各个SA发送同步包，并同时将已发送的每一条报文的帧序列号和时间戳发送给CLE（中央解算引擎）；SA处于常接收状态，首先需要接收来自MA的同步报文，记录下每条报文的帧序列号和时间戳，组合成一条TCP同步接收报文，同时SA还需要接收来自Tag的定位报文，同样的方式记录下每条报文的帧序列号和时间戳，组合成一条TCP定位接收报文。TCP报文通过基站中的Wifi模块或者以太网模块持续发送给后台服务器，给到 CLE进行处理解算。 定位基站参数： 定位距离：40-200m 供电：POE 802.3af/DC 12V电源/5V Micro B 通讯方式: UWB/Wifi/以太网 支持通道：Channel 2 通信速率：6.8Mbps （3）PDF原理图、PCB图纸和Gerber文件参考附件。 注：推荐使用<a href="https://lceda.cn/editor" target="_blank">立创EDA</a>。若选择其他EDA工具，请在附件上传PDF格式的原理图，PDF格式的PCB图纸，Gerber格式的PCB文件。这里可以详细说明您的项目实现原理和机制、注意事项、调试方法、测试方法等。推荐图文并茂的形式向别人介绍您的想法。 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*5、软件部分</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> （1）嵌入式代码 标签嵌入式软件包括四层。第一是Target Specific Code层，通过SPI/I2C/UART等接口进行Code specific的读写；第二是Device Driver层，主要包括对UWB射频芯片DW1000的控制，另外其他包括电源管理等；第三是基于IEEE 802.15.4z协议对定位报文的编码处理，纤细可以参考最新的IEEE 802.15.4z协议。第四是应用层，用于对标签功能参数的配置，包括通道、SFD、定位频率、前导码长度等等信息进行配置，以实现良好的定位效果和功耗控制。 （2）中央解算引擎（CLE） 中央解算引擎（CLE）相当于整个定位系统的大脑，部署于服务器或者电脑端，接收来自各个基站的报文，并对报文进行解析。根据解析出的数据，利用同步后的时间差数据，基于自主开发的TDOA算法对标签的位置进行结算，最后给出标签的二维或者三维坐标数据，本系统默认给出的是二维数据。 CLE的整个软件框架如下图，从下到上，整体可以分为三个部分。第一部分主要处理与MA/SA基站的通信连接和控制功能，主要通过TCP/IP sockets方式来进行处理。第二部分主要是内部算法对于定位信息的处理和解算，包括基站定位报文的数据处理、无线时钟同步处理、滤波算法、基站配置和控制等，最后输出标签定位坐标数据。第三部分是与客户端接口，包括两个接口，一个是控制接口实现控制端对基站的管理控制，另外一个是显示接口实现定位坐标数据的输出和图形化。其中的难点在于无线时钟同步技术和定位报文的处理和解算。 <img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/j26gLI4O7obfN1LWY9rARCaUVdVFLNQw8MblxDnL.png"> （3）控制端 控制端上位机主要包括两大功能模块。一是基站配置和管理功能，包括基于TDOA定位算法对于基站类型、坐标、射频等参数进行对应的配置；对于基站的属性如UWB射频参数等进行相关的配置。二是实时定位结果显示和管理功能。对于CLE计算出的标签坐标数据和轨迹进行实时显示，对于历史轨迹数据进行管理。控制端软件框架图如下： <img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/oC9ZjvJXOQyFQlzHTn5kDyAMhyFw5Ay1CQY26ieF.png"> 注：若您的项目涉及软件开发，请在附件上传对应的工程源码。这里可以详细说明您的软件流程图、功能模块框图、相关算法的解释或科普、源码结构、编译环境的搭建和配置、源码编译方法、程序烧录方法等。推荐图文并茂的形式向别人介绍您的想法。 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*6、BOM清单</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 标签BOM截图如下： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/oboc8SAZHdssieKgeEqV95yqeZAzrCLr6JkZcruu.png"> 注：项目涉及的BOM清单。这个位置请上传BOM的截图。清单详情请以PDF的格式上传到附件中。建议包括型号、品牌、名称、封装、采购渠道、用途等内容。具体内容和形式应以表达清楚项目构成为准。 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*7、大赛LOGO验证</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/WxwgOx1BORjapSEwLW0VCOeeQCHXdNEi2sbEtZPa.png"> 请上传包含大赛logo的项目图片，logo以丝印形式印刷在PCB上面。 点击zip下载大赛logo标识！ <a href="https://lceda.oss-cn-shenzhen.aliyuncs.com/diy/uploads/file/2019/05/29/0e4d93a463d7ceb5e7dc77d774b7a4ae.zip" target="_blank">（大赛标识）.zip</a> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">* 8、演示您的项目并录制成视频上传</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 视频要求：请横屏拍摄，分辨率不低于1280×720，格式Mp4/Mov，单个视频大小限100M内； 视频标题：立创电赛：{项目名称}-{视频模块名称}；如立创电赛：《自动驾驶》-团队介绍。 更多详情：<a href="/posts/06c94d90c2c447dfbd9ed7339ff4a5b1" target="_blank">https://diy.szlcsc.com/posts/06c94d90c2c447dfbd9ed7339ff4a5b1</a> </div>