描述

我們做了一個 ESP32 UWB 室內定位測試，使用 2 個 UWB 錨點和 1 個 UWB 標簽，當標簽移動時，UWB 標簽的實時位置可以圖形顯示在 PC 上。

補給品

● ESP32 超寬帶 *3

● 移動電源

● 5v電源*2

第 1 步：概述

1.1 介紹

DW1000 是世界上第一款基于超寬帶技術的單芯片無線收發器。它為實時定位和室內定位系統、基于位置的服務、無線傳感器網絡提供了一種新方法。它能夠開發具有成本效益的 RTLS 解決方案，其室內和室外定位精確到 10 厘米以內。

Makerfabs ESP32 UWB基于 ESP32 和 DW1000 解決方案，它就像一個連續掃描雷達，精確鎖定另一個設備并與之通信，從而計算自己的位置，配合 ESP32 WiFi/藍牙，它可能是無線解決方案室內定位。

1.2 關于超寬帶

超寬帶是一種在寬帶寬（>500 MHz）上傳輸信息的技術。這允許傳輸大量的信號能量，而不會干擾相同頻帶中的傳統窄帶和載波傳輸。許多國家/地區的監管限制允許有效使用無線電帶寬，并實現高數據速率個人區域網絡 (PAN) 無線連接、遠程低數據速率應用以及雷達和成像系統，與現有的透明共存通訊系統。

傳統無線電傳輸和 UWB 之間的顯著區別在于，傳統系統通過改變正弦波的功率水平、頻率和/或相位來傳輸信息。UWB 傳輸通過在特定時間間隔產生無線電能量并占用大帶寬來傳輸信息，從而實現脈沖位置或時間調制。通過編碼脈沖的極性、其幅度和/或通過使用正交脈沖，也可以在 UWB 信號（脈沖）上調制信息。UWB 脈沖可以以相對較低的脈沖速率偶爾發送以支持時間或位置調制，但也可以以高達 UWB 脈沖帶寬的倒數的速率發送。Pulse-UWB 系統已在超過 1 的通道脈沖速率下得到證明。

1.3 超寬帶測距

UWB 無線電系統可用于確定各種頻率下傳輸的“飛行時間”。當然，“飛行”的速度與光速一樣，所以核心問題是如何查看“飛行”的時間，從而計算出距離。

距離 = 光速 * Tprot

對于最基本的系統，至少有2項：Device_A（稱為A）和Device_B（稱為B）， ?主要有2種測量方式：

• 單面雙向測距
• 雙面雙向測距

1.3.1 單面雙向測距

這是最基本的測量方法：

?

首先A發送消息(TX)并記錄時間標記，B收到消息，記錄時間標記，延遲(Treplay)后，B發送消息(TX)并記錄時間標記時間標記，最后A收到消息，并有時間標記的記錄。

然后是飛行時間：

由于 Tround 和 Treply 存儲在同一個設備上，所以時間誤差偏移；當然，A(eA) 和 B(eB) 之間存在誤差，誤差是：

也就是說，誤差與 Treply 是線性的。所以這種方式并不普及，只適用于很短距離的測量。

1.3.2 雙面雙向測距

“單面雙向測距”后，如果 A 再次反饋給 B，則為：

這種測量我們稱為?3 消息模式。

在“單邊雙向測距”之后，如果 B 再次發起另一條消息和 A 反饋，則為：

這種測量我們稱為?4 消息模式。

在 3 條消息模式或 4 條消息模式下，飛行時間計算如下：

?

第 2 步：使用 ESP32 UWB 進行室內定位

2.1 查看

在這個應用中，我們使用了 3 個 Makerfabs ESP32 UWB 模塊，2 個模塊作為 UWB 錨點，1 個作為 UWB 標簽，在房間內移動。當標簽獲得其位置時，它會將其位置傳輸到設備（PC 瀏覽器、手機應用程序），以顯示實時位置。

2.2 平面定向算法

假設所有三個 UWB 模塊都處于相同的水平高度。UWB可以得到Tag和兩個anchor的距離，再加上預先設置的兩個anchor的距離，就可以得到一個三角形三邊的長度。

兩個點“AB”分別是兩個錨點，“C”是標簽點。“c”是兩個anchor的距離，UWB會得到兩個長度“a”和“b”。標簽是“b”遠離點“A”和“a”遠離點“B”。

現在我們知道了三角形三邊之間的距離，我們可以計算點“C”的坐標。

我使用余弦定律計算角度“A”的余弦：

我有勾股定理，它給了我角度“A”的正弦：

cos_a = (b * b + c * c - a * a) / (2 * b * c) sin_a = sqrt(1 - cos_a * cos_a)

如果我們將點“A”設置為坐標系的原點 (0, 0)，那么我們得到點 C (bcosα, bsinα)。

第 3 步：代碼解釋

3.1 圖書館

我們使用?arduino-dw1000庫。提供基本功能的庫，可將 Decawave 的 DW1000 芯片/模塊與 Arduino 一起使用（arduino-dw1000 庫）

請注意根據 Github 修改 DW1000 庫，否則無法編譯為 ESP32。ESP32 UWB GitHub 上的指南?

***此應用程序的完整代碼位于：? Makerfabs GitHub ***

3.2 Device_Anchor

由于系統中有 2 個錨點，我們需要為這兩個錨點設置不同的錨點地址。

#define ANCHOR_ADD "83:17:5B:D5:A9:9A:E2:9C"// modify the address when multiple anchors, such as 83/82.

該庫默認使用隨機短地址，我們需要將其設置為使用我們設置的靜態地址。所以我們需要將UWB模塊設置為Anchor模式，LONGDATA_RANGE_LOWPOWER模式，并關閉隨機短地址，通過以下代碼：

DW1000Ranging.startAsAnchor(ANCHOR_ADD,
DW1000.MODE_LONGDATA_RANGE_LOWPOWER, false);

Anchor 代碼位于：? https ://github.com/Makerfabs/Makerfabs-ESP32-UWB/tree/main/example/anchor

3.3 Device_Tag

標簽需要讀取兩個錨點之間的距離，通過UDP協議發送給PC。

首先，設置 WiFi 和目標 IP 地址（PC）。

在 Windows cmd 中，使用“ipconfig”檢查 PC 本地 IP。

并設置UWB工作在標簽模式。

我使用了一個鏈表來存儲檢測到的錨點，它非常適合 UWB 的工作方式。鏈表的內容被轉換成 JSON 格式。

得到的JSON字符串格式如下：

最后通過UDP協議每秒向PC發送一次數據。

標簽代碼位于：? https ://github.com/Makerfabs/Makerfabs-ESP32-UWB/tree/main/example/IndoorPositioning/udp_uwb_tag

3.4 Python代碼

一個簡單的演示，用于計算標簽的位置并以圖形方式顯示它。使用海龜繪制。

一開始想用Matplotlib，但是有點復雜。Turtle 很簡單，但提供的功能很簡陋。我自己添加了一些繪圖功能來快速繪制線條、圓形、矩形等。

這是我的位置計算功能。

其實一開始我是用海倫公式計算坐標的，但是分不清三角形是銳角還是鈍角。

demo的功能是接收通過UDP協議傳輸的標簽的數據，計算出標簽的位置并繪制在屏幕上。

第四步：室內定位測試

在所有 UWB 錨點和標簽都編程 OK 后，首先我將兩個 UWB 錨點放在桌子的兩側。

并在PC端運行Python程序。將 UWB 標簽貼到移動電源上，等待它連接到房間里的 WiFi。Tag連接PC后，彈出圖形界面。

移動UWB標簽，在PC端可以實時監控標簽位置：

?

?