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1.
用于无人机的室内定位导航与自动作业。无人机在室内环境下的室内自动作业或者在非人可视的情况下飞行,需要采集无人机精确的定位与飞行姿态,我们的定位系统可以很好的满足这个要求。

2.
用于行人在室内环境下的定位。在大型的商场或者展览管中,由于GPS定位信号收到干扰影响,人们难以知晓自己的实际位置,并且地图提供的位置信息又太过具体复杂。而我们的定位系统可以实时检测位置信息,并分析行人走路时的方位、速度等信息。

然后将程序下载到和电脑连接的UWB 模块里即可。最后基站A0或者标签TAG通过USB与电脑连接,便可接受到标签与各个基站之间的距离。

阶段三:实时显示。通过STM32和基站坐标,利用MATLAB软件实时接收数据并显示在坐标轴上。

3.2.1MPU9250积分得到速度及位移

不足:虽然能够实时显示所在位置,但无法直接在坐标上显示出相应的x、y轴对应的数值。

UWB得到的原始数据是基站及标签间的距离。通过该距离,我们利用三遍测距法得到在以四个基站围成的区域内的待测物体的坐标。

图文/邓超

三、技术方案

基于UWB与惯性导航的室内定位技术

在室内定位过程中,UWB
具有厘米级的定位精度,良好的抗多路径性能,较低的发射功率及一定的穿透能力,与其他定位技术相比优势显著。但UWB在非视距环境下易受到干扰,我们的项目通过UWB与惯导系统进行融合算法,以
UWB 修正惯导系统的航向与位置,同时在 UWB
受干扰定位出现偏差时,利用惯导保证定位的准确性实现低成本高精度的室内导航。最后通过matlab进行数据的仿真,将定位点实时展示在地图之中。

阶段五:加强团队,进行面向市场的分工。联系开发此产品的公司共同协商合作,加大宣传力度,将产品推广营销。另外可借用此技术进行多方面的开发,如结合无人机实现室内货物的清点等。

一、项目介绍

原标题:杭电极客|基于UWB与惯性导航的室内定位技术

3.1.1模块简介

具体代码如下:

3.1.2UWB的初始化配置

我们的项目将UWB与惯导进行融合,可以实现移动物体在室内实时的高精度定位,定姿,可以用于一下几种应用:

通过MPU9250得出的加速度值并非真实加速度值,而是真实加速度值与重力加速度的合加速度,为了积分出真实的速度我们需要滤去重力加速度,我们采用的方案是利用陀螺仪及求出的姿态角计算出当前重力加速度相对于待测物体的方向,以及重力加速度在以待测物为坐标系的X、Y轴加速度,从而滤去该部分,得到真实加速度。

3.1.3UWB的产品化开发

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阶段二:采样、姿态解算及数据融合。通过MPU9250采样+姿态角解算以及UMB数据采集,将两者进行数据融合。

项目摘要

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在使用之前,我们将UWBMini3s通过UWB线连接到电脑,通过XCOM发送AT指令进行配置。

­­­在UWB使用之前,要对其进行初始化,配置各个模块的模式、地址、传输速率与传输模式

UWB模块采用的是研创物联开发的UWBMini3s,该模块由4个基站(A0、A1、A2、A3)和一个标签(TAG)组成。UWBMini 3s 采用了STM32F103T8U6 单片机为主控芯片。外围电路包括:DW1000芯片、电源模块、LED 指示模块、复位电路等。该模块既可以作为基站,也可以作为标签,通过USB 指令进行切换。

测距值存在instancegetidist_mm(0),
instancegetidist_mm(1), instancegetidist_mm(2),
instancegetidist_mm(3),这四个变量里,每个距离,都需要代入刚才计算出来的校准公式内。并在代码的相应位置添加上拟合公式。

我们使用的现场环境都是不同的,受经纬度、空气质量、环境障碍物等各种因素的干扰,所以在产品化的过程中,必须要对模块进行校准,以提高UWB的精准度。校准需要通过1 个Anchor
和1 个Tag
的测距,得到修正系数。并利用Microsoft 2016 Excel 软件,进行数据拟合,并生成拟合公式

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解决方法:采用MATLAB中的GUI创建用户界面,使用一定的按钮和text显示来达到即时读取数值的功能。

四、项目未来展望

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UWB(超宽带无线技术)是当前国内外定位领域
研究热点之一。在室内定位过程中,UWB
具有厘米级的定位精度,良好的抗多路径性能,较低的发射功率及一定的穿透能力,与
WiFi、ZigBee、RFID等室内定位技术相比优势显著。但是UWB的定位信号容易受到墙体、桌子、货架、金属柜等障碍物的减损,导致定位出现偏差。我们的项目通过UWB与惯导通过卡尔曼滤波进行算法的融合,以
UWB 修正惯导系统的航向与位置,同时在 UWB
受干扰定位出现偏差时,利用惯导保证定位的准确性实现低成本高精度的室内导航,以适用于无人机,行人等移动物体的高精度定位应用。

3.2.2UWB得到待测物位移即坐标

3.2软件技术

阶段四:优化滤波算法。在师兄的指导下发现卡尔曼滤波存在问题,寻找更方便更精准的算法以提高测量的精度,从而完善产品。

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实现效果如下:

优势:将UWB与惯性导航结合,实现多层次的室内定位;采用数据融合方式,结合多钟数据,提高了数据精度。

在卫星信号无法覆盖的室内条件下,室内的精确定位问题是当前研究的热点。众所周知,室内定位如今主要采用无线通讯、惯导定位等多种技术集成形成室内位置定位系统,常见的室内无线定位技术主要有WiFi、蓝牙、ZigBee等。本次我们采用UWB-Ultra
Wideband(超宽带技术)来实现室内定位功能。

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3.2.3MATLAB实时接收数据显示

3.
用于室内智能家居机器人的合理作业。近年来家具机器人正不断发展普及,如扫地机器人等。但像该类机器人在室内作业时,通常都是较为随机的对室内进行打扫,导致打扫效率不到,若结合我们的室内定位系统,便可以通过位置信息合理规划作业路线,提高智能机器人的工作效率。

3.1硬件技术

②原理:首先,设置串口16的波特率、数据大小等参数,通过打开该串口接收来自单片机处理融合后的坐标和x,y轴方向上的加速度组成的字符串。调用MATLAB内置的str2num函数,将字符串类型转换成数值类型存入data当中。接着调用size函数将矩阵的行数返回到第一个输出变量m,将矩阵的列数返回到第二个输出变量n,并循环把数据写入指定的文件,便于及时查看分析。其次,使用reshape函数将data排列成4行1列,再通过矩阵转置成1行4列形矩阵C,利用各个数据所在矩阵内的位置进行调用。使用set函数分别设置x、y轴的显示范围,坐标刻度,标签等信息,调用plot函数通过访问矩阵在设置好的坐标轴上显示当前tag所在的位置,同时不断更新矩阵中存储的数据以达到实时显示定位。

①目的:为了方便监控UWB数据,用MATLAB完成一张简单的坐标图,可实时显示UWB的坐标位置。

UWB的测距原理为双向飞行时间法(TW-TOF,two way-time of flight)。在UWB每个模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳。模块A 的发射机在其时间戳上的Ta1发射请求性质的脉冲信号,模块B在Tb2时刻发射一个响应性质的信号,被模块A在自己的时间戳Ta2时刻接收。有次可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间,从而确定飞行距离S。

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部分代码如下:

利用姿态角解算出此刻重力加速度的方向需要用到三角函数,而由于stm32f1系列处理三角函数运算的能力有限,所以我们将三角函数的值预先用数组存入代码,然后再利用查表法直接调用数组中三角函数的值,省去了繁杂的三角函数计算。但由于输入的的三角函数值精度为1度,所以数据会存在一定误差。

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阶段一:进行UWB的初始化,通过多次测量对数据进行校准。由于UWB硬件出现了故障,本阶段拖延时间过长,导致项目停滞不前。

二、市场应用

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