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详解UWB室内定位系统应用

时间:2021-08-20      【作者】 admin    阅读

近日,小米正式发布“一指连”UWB技术,引发全网关注。在小米的带动下,UWB技术持续增温。UWB技术既非近期初生的全新技术,也非前无古人的鸿蒙初辟。这一始于上世纪的古老技术,却从2019年起又开始焕发了青春与活力。

 

超宽带(Ultra Wide-Band,UWB)是一种新型的无线通信技术,根据美国联邦通信委员会的规范,UWB的工作频带为3.1~10.6GHz,系统-10dB带宽与系统中心频率之比大于20%或系统带宽至少为500MHz。UWB信号的发生可通过发射时间极短(如2ns)的窄脉冲(如二次高斯脉冲)通过微分或混频等上变频方式调制到UWB工作频段实现。 

 

超宽带的主要优势有,低功耗、对信道衰落(如多径、非视距等信道)不敏感、抗干扰能力强、不会对同一环境下的其他设备产生干扰、穿透性较强(能在穿透一堵砖墙的环境进行定位),具有很高的定位准确度和定位精度。

 

相比于其他技术,UWB技术具有抗多径能力强、时间戳精度高、电磁兼容性强、通信系统能效高、发射功率低等优点。

UWB定位原理

该技术采用TDOA(到达时间差原理),利用UWB技术测得定位标签相对于两个不同定位基站之间无线电信号传播的时间差,从而得出定位标签相对于四组定位基站的距离差。使用TDOA技术不需要定位标签与定位基站之间进行往复通信,只需要定位标签只发射或只接收UWB信号,故能做到更高的定位动态和定位容量。

 

UWB-TDOA定位方法分为下行TDOA定位和上行TDOA定位。下行TDOA定位指由定位基站发射UWB定位信号,定位标签接收UWB定位信号的定位方法;上行TDOA定位指由定位标签发射UWB定位信号,定位基站接收UWB定位信号的定位方法。下行TDOA定位可以实现跟踪定位和导航定位,上行TDOA定位可以实现跟踪定位。

 

定位制式

定位制式分为跟踪定位和导航定位。跟踪定位指被定位对象不是位置的直接使用者,而是由监管后台直接使用位置信息;导航定位指被定位对象是位置的直接使用者,如果监管后台需要使用位置信息,可以由被定位对象将位置信息传输给监管后台。

 

 

UWB-TDOA的关键技术——同步 

高精度的定位不仅需要高精度的时间测量技术,还需要稳定可靠的基准时间,由于晶振、锁相环等模拟电路的不确定性,需要高精度的同步技术解决UWB-TDOA定位中的频率同步和时间同步问题。

 

通俗地讲,时间同步类似于将两块手表的时刻调整到相同时刻,但是由于两块手表机械的差异性导致的运行快慢会使两块表运行一段时间后出现偏差,此即需要频率同步来解决。目前同步技术分为有线同步和无线同步两种,有线同步指使用光纤、网线等线缆将定位基站直接相互连接或接入同步控制器实现定位基站之间的同步;无线同步指通过无线电实现定位基站之间的同步。通常有线同步精度较无线同步高,而由于有线同步需要额外铺设线缆导致有线同步成本较无线同步高。

 

UWB-TDOA定位系统架构

如图上所示,UWB-TDOA定位系统产品由感知层、传输层、服务层、网络层、应用层组成。 

 

感知层由定位基站、通信基站、通信定位基站共3类定位基站和定位标签组成,通过定位基站与定位标签的UWB定位信道实现对定位标签的定位,通过通信基站与定位标签的Zigbee通信信道实现定位基站对定位标签的参数配置、定位标签的状态回传以及定位标签上下行的数据。定位基站通过Zigbee通信信道与通信基站、通信定位基站实现参数配置、状态回传、上下行数据。 

 

传输层分为无线传输网和有线传输网,无线传输网通过WIFI信道为定位基站提供数据传输链路,有线传输网通过有线以太网(如POE)方式为定位基站提供数据传输链路,并且有线传输网还为无线传输网提供数据传输链路。 

 

服务层由UWB定位引擎软件、UWB定位系统管理软件、对内和对外接口软件组成,这些软件部署在系统服务层服务器。UWB定位引擎软件实现定位数据的解算,得到定位标签的坐标;UWB定位系统管理软件实现定位网、通信网、无线传输网的管理及维护功能,并作为应用层到感知层的数据交换桥梁;对内接口软件给我司自有系统应用软件提供数据接口;对外接口软件给第三方应用提供数据接口。 

 

网络层分为互联网和局域网,局域网由用户方部署。 

 

应用层包括系统应用软件和应用层对外接口软件,系统应用软件实现定位显示、轨迹回放等基础功能及应用定位数据的电子围栏、巡检、过程管理、考勤分析等拓展功能;应用层对外接口软件提供接口以便集成商或其他用户使用本系统的数据。

 

 

UWB定位系统的应用

 

电力能源

通过在电厂/变电站作业区域部署定位基站,作业人员佩戴定位标签,零延时地将作业人员的位置信息显示在定位引擎上,有效监督管理作业人员在日常工作过程中的安全操作,确保实现安全生产的工作目标。系统集成了人员考勤,两票融合,SOS告警,视频联动,告警下发,辅助搜救等功能。

 

石油化工

对于高危的化工行业,人员安全管理显得尤为重要。通过在化工厂炼油装置区、隔爆控制中心等区域安装防爆基站,人员佩戴防爆标签,实时精准定位人员位置,平均定位精度30cm;遇到紧急情况,作业人员通过标签上SOS按钮可紧急求救;自定义电子围栏对违规行为实现双向报警;另系统可集成视频联动、智能巡检管控、分工种考勤等智能化安全管理,保障人员安全管理,减少的事故发生。

 

智能制造工业4.0

伴随工业4.0的到来,传统的制造业在向智能化和信息化迈进,面对智能制造强劲的市场需求。通过在厂区内部署室内定位基站,人员/物资佩戴定位标签,实时精准定位厂区人员/物资的位置信息,平均定位精度在30cm。通过精准的位置信息实现对工厂物料的智能管理、流程工艺优化、效率及KPI分析等,对厂区的管控更加智慧,助力工业4.0提升管理效率。

 

隧道管廊

为满足隧道/管廊施工期对施工人员及车辆的安全管控。在所作业区域均采用一维定位的方式部署基站,单基站覆盖距离可达300米;人员及车辆佩戴高功率定位标签,感知人员和车辆在隧道/管廊中的位置信息及活动状态,平均定位精度30厘米。系统集成可全面掌握人员/车辆的活动轨迹路线;满足人员智能考勤需求;遇到紧急情况可实现双向报警;关联视频传感,通过大屏显示现场情况在保障人员安全的同时,更高效地提高作业效率。

 

仓储物流

通过在仓库内部署定位基站,单基站覆盖半径不低于100m;将作业人员的PDA绑定定位标签,采用TDOA定位算法实现对PDA的精准定位,并将这些位置数据通过协议转发上传到HES管理平台,从而实现对货物的精准出入库、精准查询管理、系统集成了实时定位,轨迹查询,数据分发等功能,有效提高了仓储物流管理水平。

 

公检司法

为推动公检司法工作向制度化、规范化迈进,将UWB定位系统与传统的监管方式相结合,满足司法对访客、指定区域人员更智慧的管理,极大地降低了管理上的安全风险。通过在司法/法院/办案中心/监狱等环境下部署定位基站,人员佩戴定位标签,实时获取人员位置信息和轨迹路线。自定义电子围栏,实现区域权限管理;通过视频传感,可调用现场画面,为事件处理提供位置和画面信息。

 

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