基于LabVIEW 的超寬帶仿真與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)*

張陳晨, 王 慶， 陽(yáng) 媛

(東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0 引 言

隨著全社會(huì)對(duì)智慧城市的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深入，室內(nèi)環(huán)境下基于位置的服務(wù)越來(lái)越多地得到人們的重視[1,2]，室內(nèi)定位技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用于大型商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、會(huì)展中心、停車(chē)場(chǎng)、貴重儀器管理、智能交通(室內(nèi)外無(wú)縫定位)等方面[3～7]。針對(duì)不同的場(chǎng)景，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)位置的計(jì)算對(duì)提高效率有重要意義，并且分析產(chǎn)品以及定位方式可以降低相對(duì)成本。

目前室內(nèi)定位方法從原理上可以分為:鄰近探測(cè)法、質(zhì)心定位法、多邊定位法、三角定位法、極點(diǎn)法、指紋定位法、航位推算等[8～10]。不同的室內(nèi)定位方法選擇不同的觀測(cè)量，主要有:接收信號(hào)強(qiáng)度指示(received signal strength indication,RSSI)、基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間(time of arrival，TOA)，基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(time difference of arrival，TDOA)、基于到達(dá)角(angle of arrival，AOA)以及用于航位推算的方向和距離等[11～15]，其中，TOA因其低復(fù)雜度，得到廣泛關(guān)注與應(yīng)用。

超寬帶(ultra wideband，UWB)定位系統(tǒng)通常包括標(biāo)簽和基站，因?yàn)槠涓邘?，理論上可以?shí)現(xiàn)厘米(cm)級(jí)的定位[13]。本文主要利用UWB定位技術(shù)以及基于TOA的雙向測(cè)距的測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的UWB仿真與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)定位的仿真，以及在室內(nèi)不同基站部署下不同測(cè)試點(diǎn)的位置計(jì)算，具有簡(jiǎn)單易操作、可視性好、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點(diǎn)。

1 UWB定位原理

傳統(tǒng)的測(cè)距技術(shù)可以分為雙向測(cè)距技術(shù)和單向測(cè)距技術(shù)[13]。其中，單項(xiàng)測(cè)距需要基站和標(biāo)簽之間始終完全同步，但現(xiàn)實(shí)環(huán)境很難滿足這個(gè)要求，為了減少時(shí)鐘不同步帶來(lái)的影響，本文UWB設(shè)備主要使用雙向TOA測(cè)距。

雙向測(cè)距原理過(guò)程大致分為3個(gè)階段:1)標(biāo)簽在t0時(shí)刻發(fā)送一個(gè)信號(hào)給基站；2)基站反應(yīng)時(shí)間treply；3)基站在t1時(shí)刻發(fā)送確認(rèn)信號(hào)給標(biāo)簽。

假設(shè)treply已知，則可得到估計(jì)距離為d=t×c,其中,t=(t1-t0-treply)/2,c為光速，值為3×108m/s。

2 仿真與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文基于雙向測(cè)距與最小二乘方法設(shè)計(jì)了UWB仿真與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的分為硬件部分和軟件部分。硬件部分，使用沃旭通訊科技有限公司的機(jī)器人定位套件中的UM—208作為標(biāo)簽，UK—100作為基站進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到多組測(cè)距數(shù)據(jù)。

軟件主要包括仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理2個(gè)部分，其中仿真部分主要功能包括:根據(jù)設(shè)定的噪聲幅值生成測(cè)距數(shù)值，利用濾波算法處理測(cè)距數(shù)值，計(jì)算目標(biāo)所在的位置以及定位誤差并顯示。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理部分的功能包括:對(duì)測(cè)距數(shù)據(jù)的濾波處理、目標(biāo)位置以及誤差的計(jì)算與顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿真與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)的仿真部分

軟件利用LabVIEW編寫(xiě)，在仿真部分中，先將基站坐標(biāo)以及測(cè)試點(diǎn)的坐標(biāo)寫(xiě)在．TXT文件中，采用文本讀取VI函數(shù)將基站與測(cè)試點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)，并計(jì)算測(cè)試點(diǎn)到基站的真實(shí)距離值并顯示矩陣中，讀取與真實(shí)距離計(jì)算模塊如圖2。

圖2 坐標(biāo)讀取與距離計(jì)算模塊

目標(biāo)位置與誤差計(jì)算結(jié)果顯示模塊主要結(jié)合MATLAB編程，如圖3所示，使用中值濾波算法對(duì)標(biāo)簽到基站的4個(gè)基站的測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，然后求其平均值，進(jìn)行定位運(yùn)算，并求出定位誤差，利用LabVIEW中的XY圖將真實(shí)測(cè)試點(diǎn)以及定位計(jì)算結(jié)果與各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的定位誤差分別顯示。

圖3 位置與誤差計(jì)算結(jié)果顯示模塊

濾波算法比較與顯示模塊包括根據(jù)用戶選擇對(duì)其中一個(gè)真實(shí)測(cè)距數(shù)據(jù)的提取測(cè)距數(shù)據(jù)的濾波前后的波形顯示，如圖4，當(dāng)用戶選擇查看第1個(gè)測(cè)試點(diǎn)到第2個(gè)基站的距離值，系統(tǒng)判斷這個(gè)距離值是否在基站與測(cè)試點(diǎn)個(gè)數(shù)里面，若是，則加入設(shè)定的誤差，并顯示在波形圖中，統(tǒng)計(jì)均值、最值、標(biāo)準(zhǔn)差和方差，并利用中值濾波和移動(dòng)平均濾波對(duì)測(cè)距值進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)也顯示在波形圖中；若輸入錯(cuò)誤，則會(huì)提示輸入錯(cuò)誤，可重新輸入。

圖4 濾波算法比較與顯示模塊

2.2 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理部分

在軟件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理部分，主要包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入以及目標(biāo)位置和定位誤差的計(jì)算，采用文本讀取VI函數(shù)讀取數(shù)據(jù)，并利用MATLAB編程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理以及位置與誤差的計(jì)算。

利用XY圖，將結(jié)果顯示在界面上，方便查看，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理模塊見(jiàn)圖5。

圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理模塊

3 運(yùn)行結(jié)果

對(duì)于不同的界面顯示，采用選項(xiàng)卡控件顯示每個(gè)界面。第1個(gè)界面是定位仿真界面，包含仿真基本參數(shù)輸入部分，主要有添加測(cè)試點(diǎn)與基站的坐標(biāo)讀取路徑，定位結(jié)果的存儲(chǔ)路徑以及仿真過(guò)程中需要給測(cè)距值添加的噪聲幅值。顯示部分包含讀取的坐標(biāo)值、測(cè)試點(diǎn)坐標(biāo)、計(jì)算出的真實(shí)距離值以及仿真定位結(jié)果與誤差值，并展示在波形圖中。如圖6所示

圖6 定位仿真界面

第2個(gè)界面是濾波方法比較界面，如圖7所示，輸入i和j的值，則可查看第i個(gè)測(cè)試點(diǎn)到第j個(gè)基站的測(cè)距值。

圖7 濾波方法比較界面

同時(shí)，利用中值濾波和移動(dòng)平均濾波處理測(cè)距值，得到最大值、最小值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差和方差，同時(shí)，將濾波前后的數(shù)據(jù)值顯示在波形圖Ⅵ中。第3個(gè)界面見(jiàn)圖8，主要是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的輸入與實(shí)際定位結(jié)果的顯示與存儲(chǔ)，具體細(xì)節(jié)與定位仿真界面類(lèi)似。

圖8 定位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理界面

4 實(shí)驗(yàn)分析

以房間西南方向的墻角為坐標(biāo)原點(diǎn)，在室內(nèi)設(shè)置9個(gè)測(cè)試點(diǎn)，其坐標(biāo)見(jiàn)表1，4個(gè)基站分2組，設(shè)置在不同的位置，其坐標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 測(cè)試點(diǎn)坐標(biāo) cm

表2 兩組基站坐標(biāo) cm

利用設(shè)計(jì)的軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到2組基站在不同位置的位置計(jì)算結(jié)果，如圖9(a)所示，組1的基站部署正常，組2較靠近測(cè)試點(diǎn)，從圖9(b)中定性來(lái)看，組2的定位整體誤差大于組1的定位誤差。

圖9 兩組基站位置的定位結(jié)果與誤差

為了更好地看出定位誤差值，將軟件處理的結(jié)果整合形成表3。從表3可以看出，在基站部署叫靠近測(cè)試點(diǎn)時(shí)，測(cè)試的點(diǎn)中有89 %的定位誤差大于5 cm，67 %的定位誤差小于10 cm；基站正常設(shè)置的組1的定位誤差有50 %大于5 cm，100 %都小于10 cm。由此可見(jiàn)，基站的部署位置對(duì)定位誤差有一定的影響。

表3 位置計(jì)算結(jié)果與誤差 cm

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用UWB定位硬件，基于LabVIEW開(kāi)發(fā)了一種仿真與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，具有仿真以及實(shí)驗(yàn)中目標(biāo)位置與定位誤差的計(jì)算與顯示功能，并能夠比較不同的濾波算法對(duì)測(cè)距數(shù)據(jù)的濾波效果。利用該系統(tǒng)分析了兩組基站不同部署下的定位結(jié)果與誤差，從結(jié)果分析出基站部署的位置對(duì)定位誤差有一定的影響。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)前的仿真以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的快速處理，具有方便、快捷和可視性好等優(yōu)勢(shì)。