基于UWB与光束控制的物品定位指向系统

李 祥， 何志毅,， 何 宁

(1.桂林电子科技大学 信息与通信学院,广西 桂林 541004；2.桂林电子科技大学 广西无线宽带通信与信号处理重点实验室,广西 桂林 541004)

随着商业的繁荣发展，对于位置信息需求不断增加。例如在商品仓储式陈列的超市，顾客自行寻找商品比较盲目，经常需要人工指引，从而增加了超市经营的人工成本。在仓储管理中，人工通过货架等信息寻物，需要查询对照货物和货架编号，费时费力。在电子商务、快递物流量庞大的时候，货物定位和查找效率较难满足实际需求[1]。如果能够在实现室内物品定位的同时，为定位点提供更加直观的指向，将会提高寻找物品的效率。

近年来，室内定位技术获得了快速发展，出现了许多实用的技术[2]，其中超宽带(ultra-wideband，简称UWB)定位技术[3]、WLAN定位技术[4]、红外线定位技术、超声波定位技术[5]以及RFID定位技术等[6]，被广泛应用于工业领域。表1为各类定位技术特点及其比较，从表1中可见，UWB定位技术具有定位精度高、覆盖范围广、抗干扰能力强等诸多优势[7]，适用于复杂环境中的定位需求，已成为目前最具潜力的室内定位技术[8]。

室内物品定位技术已有较多应用研究，文献[9-10]分别将RFID与iBeacon低功耗蓝牙技术应用于仓储物资定位与管理中，实现了数据自动采集与货物定位，有效提高了仓储管理效率。文献[11]将UWB技术应用于危化物堆垛无距测量与监测，改善了危化物品的定位精度。但对于定位后的物品寻找问题，目前尚未提出相应的优化解决方案，还需要依靠传统的方式，根据特定标记号进行指向，如货架号等方式。文献[12]将UWB定位技术应用于舞台自动追光，实现了较高精度的位置指向，验证了光束控制技术应用于位置指向的可行性，但采用接收信号到达时间差(time different of arrival，简称TDOA)的测量方式，定位精度在0.2 m左右，商品密集的超市等场景需要更高定位精度，此方案并不适用。

鉴于此，提出了一种实用的定位指向系统的设计方案。其采用对称双边双向测距(symmetric double-sided two-way ranging，简称SDS-TWR)的测量方式，可获得更高的定位精度，定位后的位置指示清晰，有助于快速地寻找目标。借助成熟的光机电一体化舞台光束灯，简化硬件设计，可提供直观的目标指向。光束灯是一种基于DMX512协议的数字电脑灯，可通过协议编码对光束的二维方向进行控制，兼具使用便捷、控制精确和性价比高的特点，可应用于特定位置物品指向。

表1 常用定位技术特点对比

1 设计方案与关键技术

1.1 系统设计

系统主要包括UWB超宽带定位模块、PC上位机控制台、STM32下位机、光束灯4个部分。超宽带定位模块由4块搭载DWM1000芯片的定位模块构成，其中3块作为基站，1块作为信标。将信标与所需存放的物品固定在一起，物品存放完后，将信标与各个基站的距离数据通过基站0发送至上位机，以基站0作为坐标原点，通过三边定位算法得出物品的x、y坐标值并保存。光束灯与基站0所处坐标相同，当需要查找该物品时，上位机将坐标值转换为光束灯垂直偏转角度与水平偏转角度，通过串口发送至STM32下位机，进行DMX512协议编码，经RS485电路输出到光束灯，进行指向控制。图1为定位指向系统架构。

图1 定位指向系统架构

1.2 UWB定位原理

UWB定位技术是根据基站与标签的相对位置信息，通过求解相关数学模型实现定位[13]。获得相对位置主要有接收信号到达时间差(TDOA)与接收信号到达时间(time of arrival，简称TOA)2种测量技术，TDOA测量技术需要定位系统各个基站间达到严格的时间同步，实现难度较大，且坐标求解算法较为复杂[14]。实际应用中常采用TOA测量技术，通过计算无线信号从发送端到接收端的传输时间，结合电磁波传播速度得到设备间的距离[15]。

TOA模型SDS-TWR法具有较高的定位精度，其原理如图2所示。

图2 SDS-TWR测距原理

首先，设备A在时间点T1时通过超宽带天线向设备B发送脉冲，设备B在接收到A发送的脉冲后延时TB1后，向设备A发送脉冲，此时记为时间点T2；设备A在时间点T3接收到来自设备B的脉冲后延时TA2后，又向设备B回复脉冲信号，并将设备B接收到最后一次A发送的脉冲时间点记为T4，到此一次完整的SDS-TWR测距完成。将T3-T1记为TA1，T4-T2记为TB2。由此可以计算出无线脉冲的飞行时间TOF：

2TOF=TA1-TB1，

(1)

2TOF=TB2-TA2。

(2)

将式(1)与式(2)相加可得：

(3)

由于不同时钟晶振之间存在着频率偏差，假设设备A的晶振漂移为Δt1，设备B的晶振漂移为Δt2，则考虑误差后的飞行时间为

(TB2-TB1)(1+Δt2)]，

(4)

将式(4)减去式(3)可得飞行时间误差值

(5)

TA2与TB1的取值相等，只存在由时钟偏差所产生的误差值。当延时发送时间远大于信号飞行时间TOF时，可近似认为TA1-TA2、TB2-TB1的值与2TOF的值相等。由时钟漂移产生的时钟频率偏差并不会随着设备发送数据延长时间TA2、TB1的增加而增大。因此，通过这种方法可有效减小时钟漂移等偏差造成的测量误差，从而提高飞行时间的测量精度。将测量的飞行时间乘以飞行速度(近似为光速c=3×108m/s)，可得到2个设备之间的距离[16]

D=c×TOF。

(6)

1.3 三边定位法

TOA的定位系统常采用三边定位的方法，通过信标与基站间的距离，计算得到位置坐标[17-19]。在三边定位法中，首先需要在定位区域确定3个坐标位置已知的基点，将3个带有DW1000模块的基站放在基点上，用于接收来自标签的脉冲信息。图3为三边测量定位原理图。

图3 三边测量定位原理

在图3中，已知3个点A(x1，y1)、B(x2，y2)、C(x3，y3)的位置。未知点P(x，y)到3个已知点A、B、C的距离已知, 分别为d1、d2、d3。分别以A、B、C为圆心，以d1、d2、d3为半径作3个圆，根据毕达哥拉斯定理可知，3个圆的交点即为未知点的位置[20]，可表达为

(7)

采用最小二乘法对式(7)进行求解，将式中第2项与第3项分别与第1项相减，移项后转为矩阵形式：

(8)

将式(8)表示为HX=b，考虑存在误差，可得到误差向量模型ε=b-HX。为了计算并解出最小误差解，令

f(X)=(HX-b)T(HX-b)，

(9)

对式(9)求导，可得

X=(>HTH)-1HTb。

(10)

由此，通过SDS-TWR测距得出标签与基站间距离，采用三边定位算法建立数学模型，使用最小二乘法求得方程组最优解，最终得到标签的坐标。

1.4 DMX512协议

DMX512协议是一种异步串行传输协议，常用于光束灯的数字控制。该协议的数据传输速率为250 kbit/s，数据更新率达44 帧/s，每个数据帧包含的通道数据最多可达512个，每个通道数取值范围为0～255[21]。其中一个完整的数据帧如图4所示，主要包括MTBP位、BREAK位、MAB位、SC位以及512个数据通道帧，每个数据帧又由1个START位、8个数据位、2个停止位组成。其中MTBP位高电平，表示上一帧数据传输结束，此时处于空闲状态。BREAK位为起始位，其周期必须大于88 μs。SC位为第1个数据通道帧，表示数据0x00。为了区分BREAK与SC位，在其中间添加一段高电平脉冲MAB[22]，达到分离作用。

图4 数据帧时序

表2给出了灯具的11个控制通道定义，可对其X轴偏转角度、Y轴偏转角度、颜色、亮度等信息进行控制。

表2 通道功能定义

1.5 光束指向算法

图5为灯具的三维坐标系。光束灯的方向控制是在以灯具为圆心的一个直角坐标系中实现的，需要指向时，将二维坐标转换为二维的控制偏转角度。光束灯放在距离地面z米高的地方，坐标为(0，0，z)，3个基站z坐标轴固定，分别按G0(0，0，0)、G1(5，0，0)、G2(2.5，2.5，0)位置固定，坐标单位为m，信标G的坐标可记为(x，y)。

图5 光束灯三维坐标系

由正切三角函数的反函数可得：

(11)

(12)

由此，可通过UWB定位模块将获得的坐标信息转换为水平偏转角度与垂直偏转角度。光束灯的方向采用8 bit数据进行控制，需要将计算得到的角度转换为相对应的数值，最终完成光束灯的定点指向。转换公式如下：

X=27.05θ，

(13)

Y=122-65.57β。

(14)

2 实验结果与分析

2.1 实验环境

在长宽各为5 m的范围内进行实验数据采集。以基站0作为三维坐标的原点O，光束灯放在距离地面3.3 m的高处，坐标为(0，0，3.3)，则基站0坐标为(0，0，0)、基站1坐标为(0，5，0)、基站2坐标为(2.5，2.5，0)，其中坐标单位为m。将基站0通过数据线与电脑相连，进行数据通信，同时将上位机串口与STM32下位机相连，经RS485模块连接至光束灯。图6为实验环境。

图6 实验环境

2.2 UWB定位实验

预先设置好基站坐标，打开串口，接收来自基站0发送的信标与各基站的距离数据，通过三边定位算法可得到信标的二维坐标数据。图7为MFC上位机定位模块设置界面。

图7 定位基站设置界面

根据实际现场测试，得到20组UWB定位信息，计算的位置数据与实地测量的位置数据在X轴与Y轴的误差，如图8所示。

图8 UWB定位误差

采用均方根误差进行定位精度评估，对于X坐标有

(15)

同理，对于Y坐标有

(16)

对于二维定位精度有

(17)

由此可知，UWB定位模块在X坐标的最大定位误差为0.12 m，最小误差为0 m，均方根误差约为0.057 m,在Y坐标的最大定位误差为0.12 m，最小误差为0 m，均方根误差约为0.061 m，二维均方根误差约为0.091 m。实验结果表明，UWB定位模块的定位精度较高，基本达到了预期，能够在仓储货物定位等应用中获取准确的物品位置信息，满足光束指向对于定位精度的需求。

2.3 光束指向实验

获取信标的二维坐标后，在上位机中通过光束指向算法将二维坐标值转换为光束灯控制数据，发送至STM32下位机来实现指向控制。以测量信标点到光束边缘的距离作为指向误差值，当光束与信标点重合时，认为误差值为零。经过多次测量，误差如图9所示。

图9 光束灯指向误差

同样采用均方根误差公式对指向精度进行评估，可得

(18)

光束灯指向的最大误差值为0.14 m，最小误差值为0，均方根误差值约为0.032 m。由于光束的光斑具有一定面积，对于定位误差具有容错度，在定位存在较小误差时，依旧能准确指向物品位置。实验数据表明，指向模块精度基本到达预期，在误差为0.14 m时，也基本不会影响物品判别，能够满足取货时的指向需求。

2.4 物品存放实验

MFC上位机中可实现对货物的增、删、改、查等功能，将信标放在测量范围内某点来模拟物品存放的场景，在货物管理界面选择库存添加，系统会将此时信标坐标与物品信息一同保存。当需要提取货物时，选择需要提取的货物，系统将会控制光束灯指向该位置。图10为库存添加界面。

图10 库存添加界面

传统人工寻物通常通过特定标注，如货架编号来进行查找，为验证光束指向对物品寻找效率的提升幅度，将传统寻物与光束指向寻找进行实验对比，将定位区域划分为10×10的方格，用贴纸对行、列编号进行标注，每个小方格模拟一个储物柜。通过定位模块采集每个储物柜的位置坐标，并保存为特定商品。分别采用光束灯与货架编号2种指向方式寻找物品，统计从点击“提取货物”到信号抵达存储物柜的时间。为保证数据可靠，先采用光束指向进行随机实验，避免因不熟悉环境而造成传统寻物时间延长。图11为储物柜模拟结构。

图11 储物柜模拟结构

对采用传统方式与光束指向方式寻找储物柜的耗时分别进行统计，结果表明，传统方式平均耗时约为5.98 s，28次寻物总耗时为161.34 s；而采用光束指向方式时，平均耗时约2.87 s，总耗时为77.5 s。实验结果表明，光束指向寻物相比传统方式，耗时减少一半多，具备更高的寻找效率。图12给出了2种方法的耗时统计结果。

图12 寻物耗时统计

3 结束语

针对目前室内仓储等环境物品定位后，采用传统人工通过货架号指向方式寻物效率低的问题，提出了一种更加直观和高效的光束指向解决方案。基于SDS-TWR测量方式的UWB定位技术获取物品准确位置，通过光束灯指向算法控制光束精确指向物品，可视化物品位置信息。经过实验测试，系统定位精度在0.12 m以内，指向精度在0.14 m以内，满足正常寻物的使用需要。与传统特定标记号指向相比，采用光束指向的定位系统可以减少大量人工寻物时间，提高寻找效率，验证了系统的可行性。考虑实验环境较为空旷，在布局复杂的仓储环境中，可采用多灯放置在不同位置同时指向，避免环境障碍物遮挡光束。