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同樣的UWB定位系統為什么定位精度不一樣?

發布時間 :

2020-05-19

點擊:3319

縱觀以UWB技術為核心的應用與電廠、化工廠等工業企業人員定位(wei)系統,在定位精度上都聲稱能夠達到厘米級精準,然而實際應用上卻總是差了些許意思。任何產品都有理論值與實際值,例如某些新能源汽車號稱標準續航300公里,但實際上可能連200都不到,某些手機號稱可以待機7天,也沒見有多少人能堅持1天不充電的。定位系統同樣如此,不管是UWB技術,還是WIFI、藍牙技術等等,拋開實際應用場景及部署情況談精度都是耍流氓。

在了解(jie)定位精度之前,我們先了解(jie)下(xia)UWB的測距(ju)方法:TDOA與TOF。

TOF

飛(fei)(fei)行(xing)(xing)時(shi)間(jian)(jian)法(Time of flight,TOF)是一種雙(shuang)向測距技術,它(ta)通(tong)過(guo)測量UWB信(xin)號在(zai)基站與(yu)標簽(qian)之(zhi)間(jian)(jian)往返的(de)飛(fei)(fei)行(xing)(xing)時(shi)間(jian)(jian)來計算距離(li)(li)。根據數(shu)學關系,一點(dian)(dian)到已(yi)(yi)知(zhi)點(dian)(dian)的(de)距離(li)(li)為(wei)常數(shu),那么這點(dian)(dian)一定在(zai)以已(yi)(yi)知(zhi)點(dian)(dian)為(wei)圓心,以該常數(shu)為(wei)半(ban)徑的(de)圓上。有兩(liang)個已(yi)(yi)知(zhi)點(dian)(dian),就有兩(liang)個交(jiao)點(dian)(dian)。以三個已(yi)(yi)知(zhi)點(dian)(dian)和距離(li)(li)作(zuo)三個圓,他們交(jiao)于同一個點(dian)(dian),該點(dian)(dian)就是標簽(qian)的(de)位(wei)置(zhi)。

基(ji)于(yu)TOF的(de)(de)定位方(fang)法測(ce)距(ju)(ju)不依賴基(ji)站(zhan)與標簽的(de)(de)時(shi)(shi)間(jian)同(tong)步,故沒有時(shi)(shi)鐘(zhong)同(tong)步偏(pian)差帶來的(de)(de)誤(wu)差,但TOF測(ce)距(ju)(ju)方(fang)法的(de)(de)時(shi)(shi)間(jian)取決于(yu)時(shi)(shi)鐘(zhong)精(jing)度,時(shi)(shi)鐘(zhong)偏(pian)移(yi)會帶來誤(wu)差。為了(le)減少(shao)時(shi)(shi)鐘(zhong)偏(pian)移(yi)量造成的(de)(de)測(ce)距(ju)(ju)誤(wu)差,通常采(cai)用(yong)正反兩(liang)個方(fang)向的(de)(de)測(ce)量方(fang)法,即遠(yuan)端(duan)基(ji)站(zhan)發(fa)送(song)測(ce)距(ju)(ju)信(xin)(xin)息,標簽接收(shou)測(ce)距(ju)(ju)信(xin)(xin)息并回(hui)(hui)復,然后再由標簽發(fa)起測(ce)距(ju)(ju)信(xin)(xin)息,遠(yuan)端(duan)基(ji)站(zhan)回(hui)(hui)復,通過求取飛行時(shi)(shi)間(jian)平均值,減少(shao)兩(liang)者之間(jian)的(de)(de)時(shi)(shi)間(jian)偏(pian)移(yi),從(cong)而(er)提高測(ce)距(ju)(ju)精(jing)度。

TDOA

到(dao)達時間差(Time Differenceof Arrival,TDOA)是一種利用到(dao)達時間差進(jin)行定(ding)位(wei)的(de)(de)(de)方(fang)法又稱為(wei)(wei)雙(shuang)(shuang)(shuang)曲(qu)線(xian)定(ding)位(wei)。標簽(qian)卡對外發送一次UWB信(xin)號,在標簽(qian)定(ding)位(wei)距離內的(de)(de)(de)所有基(ji)(ji)站都會收到(dao)無(wu)線(xian)信(xin)號,如(ru)果有兩(liang)個已(yi)知(zhi)(zhi)坐標點的(de)(de)(de)基(ji)(ji)站收到(dao)信(xin)號,標簽(qian)和(he)基(ji)(ji)站的(de)(de)(de)距離間隔不同(tong),因此這(zhe)兩(liang)個收到(dao)信(xin)號的(de)(de)(de)時間節點是不一樣的(de)(de)(de),根據數(shu)學(xue)關系,到(dao)已(yi)知(zhi)(zhi)兩(liang)點為(wei)(wei)常數(shu)的(de)(de)(de)點,一定(ding)處于(yu)以這(zhe)兩(liang)點為(wei)(wei)焦點的(de)(de)(de)雙(shuang)(shuang)(shuang)曲(qu)線(xian)上(shang)。那(nei)么(me)有四個已(yi)知(zhi)(zhi)點(四個定(ding)位(wei)基(ji)(ji)站)就會有四條雙(shuang)(shuang)(shuang)曲(qu)線(xian),四條雙(shuang)(shuang)(shuang)曲(qu)線(xian)交于(yu)一點就是標簽(qian)的(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)。

TDOA算法并不是直接(jie)利用信(xin)號到達時(shi)(shi)(shi)間,而是利用多(duo)個(ge)基站接(jie)收到信(xin)號的(de)時(shi)(shi)(shi)間差來確定(ding)移動目標的(de)位置(zhi)。因(yin)此與TOA相比并不需要加(jia)入(ru)專門的(de)時(shi)(shi)(shi)間戳來進行時(shi)(shi)(shi)鐘同步,定(ding)位精(jing)度相對有所提高。

適用場景

兩種算法各自適合(he)什么樣(yang)的(de)場景呢?TOF適合(he)環(huan)境(jing)較(jiao)為(wei)復雜的(de)應用場景,例如(ru)制造型工(gong)廠(chang)(chang)、電(dian)廠(chang)(chang)、化工(gong)廠(chang)(chang)、辦公(gong)樓等(deng)(deng)。TDOA適合(he)環(huan)境(jing)空曠較(jiao)為(wei)簡單的(de)應用場景,例如(ru)戶外(wai)運動(dong)、倉庫等(deng)(deng)。TOF、TDOA選擇的(de)參(can)考依據可以從標(biao)簽的(de)續航能力、定位(wei)精度、單區域(yu)支持(chi)標(biao)簽容量(liang)、安裝環(huan)境(jing)、標(biao)簽是否支持(chi)反向數(shu)據控制(例如(ru)振動(dong))等(deng)(deng)。

在(zai)實際應用中,有(you)很多因素會影(ying)響(xiang)精(jing)度,要(yao)(yao)想提高精(jing)度,需要(yao)(yao)在(zai)干擾的源頭上(shang)要(yao)(yao)有(you)所控制。基站安裝(zhuang)的位置(zhi)不能貼近大(da)面積金屬(shu),遠離玻(bo)(bo)璃窗戶、玻(bo)(bo)璃墻壁(bi)、液體容器、日(ri)光燈(deng)、大(da)型機械設備、高功率無線電裝(zhuang)置(zhi)等。天線的安裝(zhuang)要(yao)(yao)與地面垂直(zhi)。其次,標簽(qian)的佩戴方式。由(you)于(yu)人體對(dui)UWB的信號具(ju)有(you)很強的吸(xi)收力,所以標簽(qian)貼近胸口會明顯影(ying)響(xiang)精(jing)度。難以排除的多徑(jing)效應,由(you)于(yu)電磁波在(zai)空間傳播時(shi)會經過(guo)(guo)一些金屬(shu)或其他(ta)介(jie)質的反射,導致多徑(jing)效應的不可避免(mian)。因此該部分對(dui)精(jing)度的影(ying)響(xiang)只(zhi)能通過(guo)(guo)后期(qi)對(dui)采樣的處(chu)理以及算法來彌(mi)補。

市面上多數聲稱可以達到厘米級的定位,在實際應用中卻天差地別,實驗室的理論值支撐不了應用上的不足。要達到理想狀態,除了在部署上下功夫外,重要的是對應用場景的深入了解,云酷科技多年來專注于電廠,結合電廠實際情況與UWB定位技(ji)術的人員定位系統,能夠在控制成本的情況下達到優秀的定位精度,滿足電廠真實的需求,這不僅僅是技術先進的原因,更在于多年來耕耘行業的結果。選擇對的方案,事半功倍,反之勞心勞力,從來沒有好的應用方案,適合實際情況的,就是理想的。