一种基于UWB技术的定位系统设计

沈小帅

(沈阳航空航天大学电子信息工程学院，辽宁沈阳，110136)

关键字：UWB；双边双向飞行测距；卡尔曼滤波；泰勒定位

0 引言

现阶段多数安保指挥体系基本涵盖了集无线通信、网络通信、无线图传等功能。但在大型会场内部或大型活动的封闭现场中，缺少实时的安保人员定位，不利于安保指挥。而目前高精度室内定位还少有在安保工作中应用，在技术方面，有WiFi定位技术、RFID定位技术、CSS定位技术、UWB定位技术等，其中UWB（Ultra Wide Band）定位技术结合多种测量方法，能够满足应用于现场管控。根据室内现场对人员位置监控的任务需求，结合UWB和LORA通信技术，在基于SDSTWR 测距方法和多基站定位算法的支持下，设计了一款安保人员室内定位系统，主要包括定位系统的功能需求分析，系统的总体设计、测距基站与定位标签硬件电路的设计及实现、上位机检测软件和系统测试。

1 系统需求

根据定位场景的不同，需求也会有所差异，本系统定位应用场景为某室内会议现场，以安保实际情况为依据，本系统应具备如下功能：（1）具备高精度人员定位功能，能够对安保人员进行定位跟踪；（2）定位标签体积适中，方便执勤安保佩戴；（3）在数据传输方面，为了避免有线通信的不便，采用LORA无线通信系统进行数据传输；（4）设计一款上位机软件，将安保人员的位置直观的显示在可视化界面上。

2 系统的总体设计

在大型室内会议现场中要实现安保人员的精准定位，对于数据的准确性、可靠性传输具有严格的要求，因此本文选择LORA无线通信技术将标签的位置数据快速可靠地上传到上位机，上位机能够及时完成移动目标位置的解析。考虑到大型现场由多各区域组成的特点，设计的人员定位系统的系统架构如图1所示：该系统主要分为定位和显示两部分，显示部分主要包括LORA服务器、显示器等终端等组成。定位部分主要由移动标签和定位基站等组成。

图1 系统设计图

3 系统硬件设计

硬件总体由处理器模块、UWB模块、显示模块、通信模块、电源等模块组成。由于测距方式采用双边双向测距方式，所以标签与基站的硬件设计基本相同，标签的设计比基站多一个无线LoRa通信模块，用于数据交换。

4 下位机软件设计

移动标签总体流程图所示，移动标签首先进行系统初始化，如果初始化失败则提示错误代码，只有初始化成功后踢动标签才可以继续执行，控制单元通过控制UWB测距模块[1]实现基本的距离测量，然后结合该测量值和本文设计的滤波算法对该测量值进行滤波处理，当移动标签有多组对应不同基站的距离观测值并满足Taylor定位方程时，则进行位置信息的解算，最终得出执勤人员的位置信息并通过LoRa无线通信模块发送到LoRa网关[2]。

5 上位机监测软件设计

上位机监测软件采用QT Creactor平台开发，该平台使用QT框架进行GUI的设计，通过该平台下的UI界面设计工具，完成了软件界面的布局与设计[3]。使用C++语言完成执勤人员的位置显示，用户登录以及基本配置等功能。本上位机监测软件主要由基本配置、用户登录和地图显示三部分组成。基本配置主要是用于配置通信相关的基本选项，用户登录界面主要用来识别用户权限，如果使用的用户没有授予权限则启动不了定位功能。由于会议现场分布在三个楼层，因此地图显示部分由三个楼层的平面图组成，结合三维坐标信息将用户的位置直观的显示在相应的地图上。

当上位机监测通过信号与槽的机制等待接受执勤人员的位置信息，当上位机监测软件接收到新的数据之后首先进行数据解析，然后将该数据更新到数据列控件中，然后再结合地图显示控件将该数据信息显示在地图上。为了方便地图显示本设计在QCustomPlot 类的基础上构建了一个新的地图显示类该类的构造函数主要用来配置地图的基本配置信息，如地图的加载以及显示属性等，在该类中包含了一个QCustomPlot对象，通过posShow函数将位置数据传递到QCustomPlot 对象中，最终使其显示在地图上。

6 系统测试

首先对移动标签的距离测量性能进行测试，为了进一步的提高数据的有效性，选取了大量测试点进行测量，每个测试点都进行了多次测量，部分测试数据如表1所示。

表1 距离测试数据

7 定位测试

为了测试本文设计的定位系统的定位性能，在会议现场进行了测试，由于保密等因素展示部分测试环境。

本次测试分别对三个楼层的会议室进行了测试，部分测试数据如表2。

图2 部分测试环境图

表2 距离测试数据

最后对该系统进行了联合测试，上位机软件界面效果如图3所示。

图3 部分测试环境图

由上图可以看出该软件可以将执勤人员的位置信息直观的显示出来，能够较好对执勤人员的位置进行监控。

8 结论

本文针对室内安保、科学布控等问题，基于UWB定位技术设计了一款定位系统，系统包括硬件及软件两部分，结合某省会议现场，进行了实地测试，测试数据基本符合实际应用要求，内部算法由于篇幅有限不做重点介绍，运用了双边双向测距方法，并结合卡尔曼滤波和泰勒算法。测试结果符合预期误差，证实了系统设计的合理性。