基于UWB的室內導航系統研究

于海洋 曹俊 紀懷猛

摘要：針對傳統定位方法部署成本高但定位精度差及基于二維碼等定位方法用戶體驗不好的缺點，提出了一種基于UWB定位技術與三維激光掃描儀建模結合的定位方法，通過基站標簽組合、三點定位算法、導航地圖的繪制等技術實現室內定位導航。實驗表明，該方法具有定位精度高和用戶體驗較好的優點。

隨著信息化社會的發展與各種通訊技術的革新，人們對家居環境安全、商場購物的便捷等方面有了更高的需求。室內定位系統就時在這種需求下催生的產物，如S.T.Shih等人提出了基于無線射頻識別RFID的室內定位技術[1]，因RFID標簽默認不提供信號強度信息，需要進行手工估計，因此會造成誤差較大;楊波波、張會清等人提出了基于WiFi信號進行定位的方法[2-3]，存在部署成本很高，WiFi信號容易受到電磁影響的缺點;楊寶等人采用iBeacon信標節點，設計了一種藍牙技術為基礎的室內定位系統[4]，在500m2的室內環境下，定位精度優于2m，依然無法實現較小物品的定位。陳文建、吳友寶等人提出了基于二維碼的室內定位方法[5-6]，該種方法部署較為簡單，但是需要頻繁掃描二維碼，用戶的體驗并不太好。漆軍等人提出了使用超聲波實現室內定位的方法[7]，有效降低了誤差，但是需要布置較多節點導致其成本大幅度提高不適合民用。本文提供的基于UWB的室內導航系統是一種超窄脈沖的無線載波通訊，在實現更大的帶寬的同時由于沒有調制波所以具有超強的抗干擾能力，其還具有更小的功率、更小的電磁輻射等諸多優點，在導航系統的設計上使用點云數據繪制三維地圖A*算法實現路徑規劃，使得其操作起來更加便捷快速。

1 系統設計

本文提出的基于UWB技術的室內導航系統，主要有PC端，手機移動端，基站和標簽組成，其系統結構如圖1所示。

其中基站和標簽是我們導航系統的定位中樞。在單個室內定位時基站數一般為4個，也可隨用戶需求添加或者減少。基站和標簽在一定范圍內可以準確測量各個基站到達指定標簽的直線距離并通過主基站將距離數據在通信范圍內傳給PC或手機端。UWB基站標簽原理如圖2所示，T4為標簽，T0為主基站，T1、T2、T3三個為協助基站，主機站T0將各個基站到達標簽的距離數值以十六進制的形式通信給計算機，再通過三點定位算法計算出標簽在室內的具體位置，最后將數據傳送到移動端并可視化地顯示出來。

2 三點定位算法簡介

（1）在使用UWB模塊實現定位導航時首先需要準確測量基站與標簽之間的距離。本文使用的算法有兩種TOA和TDOA這兩種算法都是使用時間與光速的乘積計算相對距離。其中TOA是單獨的基站與標簽互傳定位，基站發出數據給標簽，標簽收到后返回數據給基站，基站收到數據的同時記錄時間差算的相對距離。而TDOA是使用雙基站的方式測距，測距時標簽主動向兩個基站發送數據，基站收到數據時分別記錄兩個時間段，通過兩個基站的時間差計算到定位距離。

（2）位置計算使用三點定位的三維算法。本文采用的計算方法如圖3圖示。空間定位我們在原有的三點定位如左圖所示改進添加z軸來表示標簽在空間內的高度，其坐標計算方法如下：

由此矩陣式子算出標簽在空間中的相對坐標。

3 導航模塊的實現

3.1 地圖的制作

關于地圖的繪制，為了方便與準確，我們使用三維激光掃描儀對我們需要繪制地圖的單個房間進行點云數據采集。將采集好的點云數據模型使用Auto CAD打開，并獲取地面點云數據的投影切圖。最后根據點云數據上的切圖結合我們庫中關于障礙物的模型選擇性的添加，最終生成三維的模擬實物地圖。同時為了適應更多的用戶需求我們的實物模擬圖也可以使Auto CAD自定義生成。

3.2 路徑導航的實現

路徑導航的規劃我們使用結合了Dijkstra算法、BFS算法優點的A*算法來實現最優路徑的選擇，A*算法既可以像Dijkstra一樣選擇最佳路徑，又可以像BFS算法一樣基于貪心策略的快速規劃路徑。

在實現路徑規劃時我們首先通過三維地圖的底面切圖獲得障礙物與路徑的方格迷宮圖如圖4所示。我們把接收到的手持標簽三維坐標數據投影在底面切圖的方格點作為起點，要到達的目標三維坐標點在底面切圖投影的方格點作為終點。當進行路徑規劃時，采用啟發式的方法，從起點開始不停的向周圍的點計算總路徑代價（總路徑代價=實際路徑代價+估算路徑代價。實際路徑代價我們的計算方法是起點到當前點的實際最短路徑長度計算值;估算路徑代價就是當前點到終點的無障礙物的最短路徑長度計算值），在計算代價值時，網格之間的移動我們只考慮二維平面的8個運動方向，網格之間的路徑值使用歐幾里得距離計算方法。

當從起點的格子就開始不停的向可能行進的方向擴散，這是一個帶有啟發式搜索的過程，每個格子都會記住前一個格子，而前一個格子的搜索目標是通過代價函數找到它周圍總路徑代價最小并且是可以使用的（不包括障礙物）格子，直到擴散找到目標節點。

4 結語

本文提出的基于UWB的室內導航系統中，通過UWB技術作為定位技術，可以提高定位精度，增加抗干擾能力，并減少定位成本。空間定位算法可以解決樓層高度等涉及三維定位的場景。點云數據繪制和A*算法的最優路徑規劃都大大提高了我們對室內定位的體驗，具有較大的市場優勢和商業價值。

參考文獻

[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，張磊.基于WiFi的室內迭代定位算法的研究[J].計算機應用與軟件，2016（4）：262-264.

[3] 張會清，蘇園竟，陳一偉.基于WiFi位置指紋室內定位算法的研究與實踐[J].自動化技術與應用，2018（3）：55-58+64.

[4] 楊保，張鵬飛，李軍杰，等.一種基于藍牙的室內定位導航技術[J].測繪科學，2019（6）：89-95.

[5] 陳文建，王曉蒙，彭玲，等.一種基于二維碼的室內定位方法[J].測繪科學，2016（7）：1-8.

[6] 吳友寶，徐建閩.基于二維碼和A*算法的室內精準定位導航系統[J].電子設計工程，2016，24（23）：25+28.

[7] 漆軍，劉國平.基于無線傳感網絡和超聲波的室內定位系統的設計與實現[J].控制與決策，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