基于UWB在丘陵山地定位的可行性試驗(yàn)研究*

袁旸媚，楊俊朗，姜申易，胡文武

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410128）

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，各種應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的先進(jìn)技術(shù)不斷涌現(xiàn)。而丘陵山地地區(qū)，由于地形復(fù)雜多樣以及受到環(huán)境等多重因素的影響[1-2]，農(nóng)業(yè)機(jī)械的定位技術(shù)精度會(huì)有較大的誤差，這在一定程度上阻礙了農(nóng)業(yè)機(jī)械化的推廣和農(nóng)業(yè)規(guī)模化的發(fā)展。當(dāng)前，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械正朝著智能化和自動(dòng)化不斷邁進(jìn)，而要平衡各個(gè)區(qū)域的農(nóng)業(yè)發(fā)展，對(duì)于山地丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械定位技術(shù)的研究是勢在必行。

為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化和自動(dòng)化，需要對(duì)機(jī)械裝置的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行跟蹤。項(xiàng)目組采用一種基于超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)的測距定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的跟蹤和精準(zhǔn)定位。UWB是一種無線載波通信技術(shù)，利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，工作頻段在3.25 GHz～6.75 GHz，頻寬典型值為500 MHz或1 GHz[3]，所以可以獲得亞納米的精確時(shí)間。UWB技術(shù)具有發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、截獲率低、對(duì)信道衰落不敏感、系統(tǒng)復(fù)雜度低、功耗低、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)[4]。

為了研究UWB定位技術(shù)應(yīng)用于山地丘陵的可行性，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的精準(zhǔn)跟蹤定位，利用浩如科技基于decawave公司的DWM1000模塊研發(fā)的高精度實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)HR-RTLS1，進(jìn)行了UWB定位技術(shù)在丘陵山地的模擬試驗(yàn)以及驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)有無樹干、葉簇等遮擋進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，并對(duì)于試驗(yàn)得到的一系列數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進(jìn)行了分析處理。實(shí)踐證明，利用UWB定位技術(shù)定位農(nóng)業(yè)機(jī)械，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展及實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要戰(zhàn)略目標(biāo)具有深遠(yuǎn)意義[5]。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 技術(shù)原理

1.1.1 TWR測距

UWB裝置是通過標(biāo)簽和基站間互發(fā)消息并記錄相關(guān)時(shí)間戳的方法來實(shí)現(xiàn)TWR測距，并計(jì)算兩模塊間的距離值。TWR測距原理圖如圖1所示，使用標(biāo)簽發(fā)送一條Poll消息、基站回復(fù)Resp消息、標(biāo)簽發(fā)送Final消息為一個(gè)測距周期的方法進(jìn)行測距。

圖1 TWR測距原理圖

Tprop為飛行時(shí)間，計(jì)算公式為（1），結(jié)合電磁波傳播速度c（光速），得出距離公式（2）。

1.1.2 三邊測距算法

在實(shí)際定位時(shí)，若要獲得標(biāo)簽的坐標(biāo)位置，至少需要三個(gè)參考基站，采用三邊測量法進(jìn)行測量[6]。基于UWB測距的三邊測量法理論基礎(chǔ)三邊測量的原理如圖2所示。

圖2 三邊測量法原理圖

以三個(gè)節(jié)點(diǎn)A、B、C為圓心作圓，坐標(biāo)分別為（Xa，Ya）、（Xb，Yb）、（Xc，Yc），三個(gè)圓周相交于一點(diǎn)D，交點(diǎn)D即為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，A、B、C即為參考節(jié)點(diǎn)，A、B、C與交點(diǎn)D的距離分別為da，db，dc。假設(shè)交點(diǎn)D的坐標(biāo)為（X，Y）。

由上式可得到交點(diǎn)D的坐標(biāo)為：

則：已知無人機(jī)上定位基站三點(diǎn)的坐標(biāo)，得到測量標(biāo)簽距離三個(gè)基站之間的距離，便可得到被測標(biāo)簽的坐標(biāo)。

1.2 平臺(tái)與硬件結(jié)構(gòu)

該模塊是組成HR-RTLS定位系統(tǒng)的最小單元，可通過撥碼開關(guān)配置為基站或標(biāo)簽；板上配有OLED顯示器，可實(shí)時(shí)顯示與其他基站或標(biāo)簽的測距值[7]，如圖3所示，標(biāo)簽與基站間的距離D=C(T2-T1)。

圖3 標(biāo)簽（左）、基站（右）

標(biāo)簽、基站測距的示意圖如圖4所示。通過脈沖在標(biāo)簽和基站之間的飛行時(shí)間計(jì)算出標(biāo)簽基站之間的距離。

圖4 信號(hào)傳播示意圖

1.3 試驗(yàn)方案

為了研究UWB定位技術(shù)運(yùn)用于山地丘陵地區(qū)的可行性，首先對(duì)于樹林環(huán)境進(jìn)行了模擬。對(duì)于樹林中樹干遮擋這一因素，將樹干直徑分解成寬度、厚度兩個(gè)維度分別進(jìn)行模擬分析。利用木板模擬樹干，通過厚度的疊加、寬度的疊加來模擬不同直徑的樹干。接下來在樹林實(shí)地利用樹干以及灌木叢進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

具體試驗(yàn)過程中，由于考慮到在樹林定位距離不超過30 m，于是模擬試驗(yàn)定位距離最遠(yuǎn)定為30 m。距離數(shù)據(jù)由電腦端收集，每組試驗(yàn)收集100組數(shù)據(jù)，取平均值。

2 定位試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

2.1 模擬試驗(yàn)

2.1.1 距離變化及視距情況模擬試驗(yàn)

選擇試驗(yàn)場地為空曠平直路面，在地面進(jìn)行距離標(biāo)記，共30個(gè)具體點(diǎn)。將標(biāo)簽和基站固定于三腳架上，三腳架底部懸掛鉛錘以保證定位。試驗(yàn)器材放置示意圖，如圖5所示，基站位置固定于O點(diǎn)右端1 m處，標(biāo)簽從O點(diǎn)左端1 m處依次疊加2 m向左移動(dòng)直至15 m，在每個(gè)標(biāo)簽放置點(diǎn)都進(jìn)行木板遮擋與無遮擋的對(duì)比試驗(yàn)。此為一組試驗(yàn)。之后基站從右端1 m處依次疊加2 m向右移動(dòng)直至15 m，在每個(gè)基站放置點(diǎn)，都重復(fù)第一組試驗(yàn)的步驟。

圖5 試驗(yàn)器材放置示意圖

當(dāng)基站和標(biāo)簽位于每個(gè)固定點(diǎn)時(shí)，進(jìn)行木板遮擋與無木板遮擋的對(duì)比試驗(yàn)。觀察定位信號(hào)與有無木板遮擋以及距離變化的變化情況。在每個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行的試驗(yàn)如圖6所示。

圖6 距離變化及有無木板遮擋模擬試驗(yàn)圖

記錄數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，有無木板遮擋對(duì)定位信號(hào)存在一定的影響，誤差隨著基站標(biāo)簽距離的增大有一定的波動(dòng)，但波動(dòng)起伏在5 cm以內(nèi)，誤差保持在5 cm之內(nèi)且隨著距離增大整體有下降的趨勢。

表1 模板遮擋有無及距離模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1.2 厚度試驗(yàn)

在第一步得到的數(shù)據(jù)中，當(dāng)標(biāo)簽基站距離為10 m時(shí)誤差為最大，為保證其廣泛可用，選取10 m作為厚度以及寬度試驗(yàn)中基站標(biāo)簽之間的距離。試驗(yàn)確保木板能將基站標(biāo)簽完全遮擋，從一塊木板開始，依次疊加木板增加厚度，標(biāo)簽基站位置保持不變，距離為10 m，觀察厚度變化對(duì)于定位信號(hào)的影響。

記錄數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，木板厚度的變化對(duì)于定位信號(hào)的影響很小，誤差僅在10 cm以內(nèi)波動(dòng)。

表2 厚度試驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)

2.1.3 寬度試驗(yàn)

從一塊木板寬度依次增加，確保各塊木板間沒有間隙（釘住），標(biāo)簽基站的位置不動(dòng)，觀察寬度變化對(duì)于定位信號(hào)的影響。考慮到樹直徑的實(shí)際因素，最大寬度定為1 m。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，木板寬度的變化對(duì)于定位信號(hào)的影響很小，誤差僅在5 cm以內(nèi)波動(dòng)。記錄數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

表3 寬度模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 實(shí)地驗(yàn)證試驗(yàn)

2.2.1 樹干試驗(yàn)

根據(jù)以上的木板厚度、寬度的模擬試驗(yàn)以及基站標(biāo)簽的距離試驗(yàn)，可以看到這些因素對(duì)于定位信號(hào)的影響很小。于是在樹林進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，以進(jìn)一步檢測、驗(yàn)證結(jié)論。

樹林實(shí)地——樹干遮擋試驗(yàn)，如圖7所示，在樹林中選取直徑大小不一的樹干，標(biāo)簽基站間的距離依次增加，分別記錄在空地以及有樹干遮擋的距離數(shù)據(jù)，觀察誤差情況。選取樹干直徑為25.25 cm以及34.06 cm的兩棵樹進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)記錄如表4、表5所示。

圖7 樹林實(shí)地——樹干遮擋試驗(yàn)

表4 25.25 cm樹干試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 34.06 cm樹干試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過以上試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樹林實(shí)際環(huán)境的測距誤差較模擬試驗(yàn)誤差有10 cm～35 cm的差距，誤差都保持在35cm左右，且以上數(shù)據(jù)中90%以上的誤差值處于10 cm～30 cm之間。

2.2.2 葉簇試驗(yàn)

對(duì)于樹林環(huán)境下的葉簇遮擋，利用灌木叢進(jìn)行試驗(yàn)。選取了疏密程度不一的四個(gè)灌木叢，分別定位1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)，數(shù)字越大表示灌木叢越密即表征樹林葉簇更加茂盛，灌木叢如圖8所示。

圖8 灌木叢試驗(yàn)

首先將基站和標(biāo)簽置于無遮擋的環(huán)境下，記錄無遮擋時(shí)的定位距離。再將基站和標(biāo)簽分別置于灌木叢兩端，距離保持于無遮擋情況下相同，觀察隨著密度的增大定位精度的變化情況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表6所示。從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，隨著灌木叢密度增大，定位誤差也隨之增大，但是也保持在可控范圍30 cm以內(nèi)。根據(jù)以上樹干實(shí)地試驗(yàn)與灌木叢試驗(yàn)得知，UWB定位信號(hào)會(huì)受到樹干直徑、葉簇疏密程度的影響，但而對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，基站標(biāo)簽距離只需保持在亞米級(jí)即可[8]，因此，UWB定位可滿足實(shí)際樹林的生產(chǎn)需求。

表6 灌木叢試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本試驗(yàn)研究UWB定位在山地丘陵地區(qū)的可行性，分別利用木板進(jìn)行了模擬試驗(yàn)以及樹林實(shí)地的檢測驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在樹林環(huán)境下，由于受到樹干、葉簇遮擋，UWB定位信號(hào)會(huì)受到影響，但試驗(yàn)中測距誤差在36 cm以內(nèi)，能夠滿足實(shí)際樹林生產(chǎn)需求；將UWB定位運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)定位，可比較準(zhǔn)確地監(jiān)測控制農(nóng)用機(jī)械的移動(dòng)，具有一定創(chuàng)新性，符合當(dāng)今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化的需求。