基于超宽带的室内服务机器人定位技术研究与应用

摘要

随着无线通信技术的飞速发展，无线定位已成为室内环境下位置信息获取的主要方式。超宽带定位具有发射信号功耗低，信号速率高、信道容量大，信号的穿透力强和高精度等优点，已成为无线定位技术中极具发展潜力的技术，因此对超宽带定位系统的研究具有重要的实用价值。本文研究了无线定位技术的原理和特点，设计实现了基于超宽带技术的室内无线定位系统。
　　本文首先对超宽带与其他无线定位技术的原理与优缺点进行了阐述，然后根据实际的需求，设计了超宽带定位系统的总体方案，并针对方案中的需求进行了关键器件的选型。在讨论和比较超宽带TOA/TDOA与泰勒级数展开等传统定位方法与定位算法的基础上，最终采用了高精度Fang-泰勒级数联合定位算法。
　　针对提出的超宽带系统方案，本文设计了定位标签、蓝牙传输和电池供电等硬件模块，其中定位标签包括锚节点与标签节点，其主要由DW1000超宽带收发芯片、超低功耗微处理器以及其他外围电路组成。通过在底层硬件处理器中嵌入μC/OS-Ⅱ操作系统实现了对超宽带数据的实时快速处理。此外，本文还设计了上下位机通信协议、上位机数据处理和显示软件。系统工作时，标签节点接收锚节点的数据帧，并读取锚节点的时间戳信号和独有的ID，由微处理器打包发送给上位机，上位机调用位置估计算法对数据进行处理得到相应的坐标值，然后在显示界面对节点坐标进行实时显示。
　　本文设计的超宽带定位系统在实验室环境下完成了整体测试，实验结果表明，本系统，对静止节点与运动节点均可进行准确定位，定位精度和定位稳定性都达到了预期目标，基本满足实际应用的需要。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 超宽带的发展历程

1．2．1 超宽带的发展与定义

1．2．2 超宽带的优点

1．3 室内无线定位的研究现状

1．3．1 传统无线定位技术

1．3．2 超宽带室内定位的研究现状

1．4 本文章节安排

第二章 超宽带定位系统总体方案设计

2．1 系统功能需求分析

2．2 超宽带系统架构

2．3 底层硬件关键器件选型

2．3．1 控制器选型

2．3．2 超宽带器件选型

2．3．3 通信模块选型

2．3．4 其他模块设计与选型

2．4 本章小结

第三章 超宽带室内定位方法

3．1 基于到达时间的定位方法

3．1．1 TOA定位方法

3．1．2 TDOA定位方法

3．2 超宽带信号直波鉴定

3．3 TOA／TDOA定位算法

3．3．1 Fang算法

3．3．2 最小二乘算法

3．3．3 泰勒级数展开算法

3．4 本章小结

第四章 超宽带定位系统设计与实现

4．1 系统硬件电路总体架构

4．2 各模块电路设计

4．2．1 基于STM32的主控制器外围电路设计

4．2．2 超宽带电路设计

4．2．3 OLED液晶屏电路设计

4．2．4 数据存储电路设计

4．2．5 数据传输电路设计

4．3 PCB设计与电路板

4．3．1 PCB设计注意事项

4．3．2 电路板实物

4．4 基于μC／OS-II的底层软件设计与实现

4．4．1 系统软件功能模块分类

4．4．2 系统各功能执行过程

4．5 μC／OS-II在STM32上的移植

4．6 基于μC／OS-II的软件设计

4．6．1 任务的创建

4．6．2 任务规划

4．6．3 底层系统重要数据结构

4．7 通讯协议制定

4．7．1 蓝牙通信协议

4．7．2 通信数据包定义

4．8 本章小结

第五章 RTLS系统设计实现及整体系统实验测试

5．1 上位机RTLS系统设计

5．1．1 RTLS运行流程

5．1．2 锚节点与标签节点显示界面

5．2 测试环境搭建

5．3 静止节点位置检测

5．3．1 实验数据采集

5．3．2 实验结果分析

5．4 运动节点位置检测

5．4．1 实验数据采集

5．4．2 实验结果分析

5．5 数据与误差分析

5．6 本章小结

6．1 论文总结

6．2 展望

参考文献

致谢

硕士期间发表论文

硕士期间参加的科研工作