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Forschung und Bewertung der Präzision und Genauigkeit des Einsatzes der UWB-Technologie bei der Indoor-Positionierungslösung
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1 Einleitung
Die UWB-Technologie hat viele Vorteile, wie z.B. hohe Entstörleistung, hohe Übertragungsrate, geringer Stromverbrauch, größere Sicherheit usw. Sie kann theoretisch eine hochpräzise zentimetergenaue Positionierung in der Innenumgebung ermöglichen. Die Anordnung von Trennwänden und dekorativen Materialien in typischen Innenraumszenarien sowie die Platzierung von Objekten und sogar die Bewegung von Personen führt jedoch zu einer drahtlosen Signalausbreitung durch Mehrwege- und nicht-visuelle Abstandsinterferenzen [1], wodurch die Positionierungsgenauigkeit verringert wird. Um nicht-visuelle Abstandsfehler, die den Positionierungseffekt beeinflussen, zu eliminieren, werden die Rohbeobachtungen im Allgemeinen durch Kalman-Filterung auf Algorithmenebene korrigiert. Dies gewährleistet ein stabileres Positionierungsergebnis und eine relativ glatte Bewegungstrajektorie in der Systemausgabe. Die zufällige Position von Objekten in Innenräumen und herumlaufenden Personen kann jedoch zu Positionierungsfehlern führen, die durch Absorption und Blockierung der Signale verursacht werden. Folglich können die Signale vom Kalman-Filter [2] nicht gut verarbeitet werden, und allein die Verwendung des empirischen Parametermodells für die Korrektur kann immer noch den Positionierungsfehler verursachen, da dieser zu groß ist, um den Anforderungen der eigentlichen Anwendung gerecht zu werden.
Daher wird in diesem Artikel der Positionierungseffekt von UWB in einer typischen Innenraumumgebung durch experimentelles Design getestet und bewertet, um den Positionierungseffekt und die Genauigkeit der UWB-Technologie in praktischen Anwendungen zu verifizieren.
2 UWB-Positionierungsverfahren
Die UWB-Technologie mit einem Frequenzbereich von 3,1 GHz bis 10,6 GHz wurde Anfang des 21. Jahrhunderts von der Federal Communications Commission (FCC) für die zivile Nutzung zugelassen. Sie muss mit genügend geringer Leistung arbeiten, um sicherzustellen, dass sie andere Systeme im Kommunikationsfrequenzband nicht stört. Diese Initiative hat wesentlich zur Entwicklung der Technologie beigetragen. Gegenwärtig wird UWB im Allgemeinen in zwei Kategorien unterteilt; die eine ist das Kurzpuls-UWB und die andere das Mehrträger-UWB. Die Puls-UWB-Technologie wird vorwiegend in der akademischen Forschung und bei kommerziellen Lösungen eingesetzt, da sie eine effizientere Nutzung des Spektrums ermöglicht [3]. Diese Technik überträgt Daten durch die Verwendung extrem schmaler Pulse im Nano- oder sogar Pikosekundenbereich mit sehr hoher zeitlicher Auflösung. Es werden keine Leistungsverstärker, Inverter oder Mischtechniken benötigt, und die Hardwarekosten und das Volumen werden stark reduziert [4].
Zu den üblichen UWB-Positionierungsmethoden gehören die Ankunftszeit (TOA), die Flugzeit (TOF), die Zweiwege-Entfernung (TWR), die Ankunftszeitdifferenz (TDOA), der Ankunftswinkel (AOA), der Abflugwinkel (AOD) und die Anzeige der empfangenen Signalstärke (RSSI), die alle im Folgenden kurz beschrieben werden.
2.1 TDOA
TOA bezieht sich auf die Fähigkeit des Systems, den Standort einer Signalquelle zu bestimmen, indem es die Zeit aufzeichnet, die der UWB-Impuls benötigt, um von einer Standortmarkierung (Tag) zu mehr als drei verschiedenen Standortbasisstationen (Anchor) für die Entfernungsmessung zu gelangen.
Unter der Annahme, dass die Positionen der drei Anker A, B und C bekannt sind, sind d_1, d_2 und d_3 die Entfernungen von jedem Anker zum Tag O. d_1, d_2 und d_3 können aus der Zeit und der Signalausbreitungsgeschwindigkeit abgeleitet werden. Die Position des Punktes O wird nach dem Triangulationsprinzip berechnet.
Der TOA-Algorithmus setzt voraus, dass sich die Anker in strenger Zeitsynchronisation mit der Empfangsseite befinden; andernfalls tritt ein Ranging Error auf.
2.2 TOF/TWR
TOF/TWR ist eine Zweiwege-Entfernungsmessung. Sie verwendet die Signalübertragungszeit im Tag-Anker-Tag, um den Abstand zwischen dem Tag und jedem Anker zu berechnen, so dass das Prinzip dasselbe ist wie TOA. Bei TWR müssen sowohl das Tag als auch der Anker in der Lage sein, Signale zu senden und zu empfangen.
Auf diese Weise können durch Taktabweichungen verursachte Fehler bis zu einem gewissen Grad reduziert und die Messgenauigkeit verbessert werden. Aufgrund von TWR ist jedoch der Stromverbrauch am Tag-Ende im Vergleich zum Einweg-Ranging-Verfahren erhöht, und auch die Tag-Kapazität des Systems ist begrenzt.
2.3 TDOA
Die TDOA-basierte Positionierungsmethode, die auch als hyperbolische Positionierung bekannt ist, misst die Laufzeitdifferenz zwischen dem UWB-Signal vom UWB-Tag zu zwei UWB-Ankern, um die feste Abstandsdifferenz zwischen dem UWB-Tag und zwei UWB-Ankern zu erhalten. Der TDOA-Algorithmus ist eine Verbesserung des TOA-Algorithmus. Statt direkt die Signalankunftszeit zu verwenden, verwendet er die Zeitdifferenz des von mehreren UWB-Ankern empfangenen Signals, um die Position des beweglichen Ziels zu bestimmen.
Der TDOA-Ansatz erfordert ebenfalls eine strikte Zeitsynchronisation; der Stromverbrauch des Tags ist jedoch relativ gering, und das System kann problemlos eine größere Anzahl von gleichzeitig arbeitenden Tags tragen.
2.4 AOA
Die Position des Schildes kann auch berechnet werden, wenn der Signaleinfallswinkel zu den Ankern gemessen werden kann.
Unter der Annahme, dass die Positionen der drei Positionierungsanker A, B und C bekannt sind und der Orientierungswinkel der Markierung zu jedem Anker bekannt ist, können die Koordinaten der Schwerpunkte und Radien O1, O2 und O3 abgeleitet werden, um die Koordinaten der Markierung zu erhalten.
Die derzeit übliche Lösung, bei der AOA verwendet wird, ist die Verwendung eines einzelnen Ankers mit einer integrierten Gruppenantenne, um die Systemkosten zu reduzieren, aber die effektive Positionierungsfläche ist im Allgemeinen klein, da die goniometrische Genauigkeit und Reichweite weitgehend von der Höhe der Ankerinstallation beeinflusst werden.
2.5 AOD
Im Gegensatz zum AOA-Ansatz kann die integrierte Array-Antenne des Tags, die den Einfallswinkel des Signals durch Aufnahme des Basissignals misst, direkt am Terminal berechnet werden. Aufgrund des Herstellungsprozesses und der Größenbeschränkungen gibt es derzeit jedoch keine ausgereiften kommerziellen Lösungen.
2.6 RSSI
Ähnlich dem üblichen Wi-Fi/BLE-Ansatz verwendet die auf der Signalstärke basierende Lokalisierung im Allgemeinen ein Signaldämpfungsmodell oder die Messung von RSSI-Parameterwerten, um die Koordinaten von Tags zu schätzen [6].
Zahlreiche Projektpraktiken und Studien haben gezeigt, dass die TOF- und TDOA-Methoden unter Berücksichtigung der Algorithmusanpassung und der Implementierungskosten eine relativ zuverlässige Positionierungsgenauigkeit bieten können und für praktische Anwendungen besser geeignet sind.
3 Versuchsplanung
3.1 Systemeinrichtung
Als Testumgebung wurde der Bürobereich des Autors gewählt. Er entsprach den Merkmalen einer typischen Innenumgebung, da die Menschen zufällig durch ihn hindurchgingen, Tische, Stühle und Gegenstände zufällig platziert wurden und sich im Eckbereich Metallregale befanden. Außerdem waren Besprechungsräume und Sonderbüros durch Glas und Gipskartonplatten vom Hauptarbeitsbereich getrennt.
Aufgrund der Objekt- und Raumcharakteristika des Innenraums wurden insgesamt 7 Anker ausgewählt und an geeigneten Stellen installiert. Das relative Koordinatensystem wurde dann mit Hilfe einer Totalstation festgelegt, und die Position jedes Ankers wurde mit Hilfe der Nichtprismenfunktion gemessen. Die gesammelten Koordinaten wurden dann verwendet, um den gesamten Positionierungsbereich zu kalibrieren. Die horizontalen Koordinaten von 5 Paßpunkten im relativen Koordinatensystem wurden auf die gleiche Weise unter Verwendung eines Prismas als wahrer Wert für die Genauigkeitsbewertung erfaßt.
Die verwendete Hardware, einschließlich Tags und Anker, wurde von Locaris zur Verfügung gestellt, ebenso wie die TDOA-Positionierungsdatenverarbeitungsmaschine.
Die Systemstruktur übernahm die klassische Architektur des UWB-Positionierungssystems für Innenräume, das aus einem Indoor-Positionierungs-Tag, einem Indoor-Positionierungsanker, einem Switcher und einem Server bestand. Das Tag-Signal sandte Ultrabreitband-Impulse an den Anker, der die Impulse empfing und die Daten über einen LAN-Umschalter an den Server weiterleitete. Auf der Serverseite wurde eine Datenverarbeitungsanlage eingesetzt, die die Daten zur Koordinatenberechnung verwendete.
3.2 Versuchsmethode
An jedem der 5 ermittelten Kontrollpunkte wurde ein Stativ aufgestellt, und die Markierung wurde in der Mitte des Dreifußes platziert, nachdem sie mit Hilfe eines optischen Lotes zentriert worden war. Dies geschah so, dass die Mitte des Anhängers so konsistent wie möglich mit der Mitte des Kontrollpunktes war. Die Datenausgabefrequenz des Ortungs-Tags wurde für die Datenerfassung für 5 bis 7 Minuten auf 5 Hz eingestellt. Die Ergebnisse der Analysedaten wurden dann hinsichtlich Präzision und Genauigkeit ausgewertet.
4 Datenanalyse
4.1 Präzision
Die Präzisionsstatistiken der 5 Datensätze sind in Tabelle I aufgeführt.
TABELLE I
STANDARD-ABSTEILUNGSSTATISTIK (cm)
PT NO. Band σx σy
PT1 2109 1.20 2.07
PT2 1533 0,34 0,73
PT3 2233 0,62 0,79
PT4 1713 0,34 1,42
PT5 1903 1,30 0,57
Die Präzisionsanalyse der Daten zeigte, dass das System relativ stabile Positionierungsdaten in der Umgebung ausgeben konnte, obwohl es gelegentliche Driften gab, die im Grunde in einem Schwebebereich von 5 cm gehalten werden konnten.
4.2 Genauigkeit
Die Genauigkeitsstatistiken, verglichen mit den Koordinaten der 5 Kontrollpunkte, sind in Tabelle II dargestellt.
TABELLE II
WURZELMITTELQUADRATSTATISTIK (cm)
PT-Nr. Volumen RMS(x) RMS(y)
PT1 2109 1,31 3,00
PT2 1533 2,90 5,28
PT3 2233 6,53 4,31
PT4 1713 5,10 4,09
PT5 1903 4,90 7,80
Die Genauigkeitsanalyse der Daten zeigte, dass der Fehler zwischen den Tag-Koordinaten und der Referenz im stationären Zustand innerhalb von 10 cm gehalten werden konnte.
5 Schlussfolgerung
Die Testergebnisse des Experiments zeigten, dass die UWB-Innenpositionierungstechnologie stabile horizontale Positionierungsergebnisse liefern kann. Diese haben eine Präzision von etwa 10 cm in einer typischen Innenumgebung. Sowohl bei der Positionierungsgenauigkeit als auch bei der Stabilität besteht noch ein gewisser Spielraum für Verbesserungen, was unter den folgenden beiden Aspekten betrachtet werden kann.
Im Algorithmus kann durch die Einführung von standortübergreifenden Messungen zur korrekten Parameterschätzung und -korrektur [7] oder anderer Modelle, die je nach tatsächlicher Umgebung flexibel korrigiert werden können, nicht nur die Positionierungsgenauigkeit des Systems optimiert, sondern auch seine Eignung für verschiedene Situationen verbessert werden.
Auf der Implementierungsebene, wenn der Anker installiert ist, ist es im Allgemeinen notwendig, die Antennenposition des Ankers mit Hilfe einer Totalstation oder eines Laserentfernungsmessers zu erfassen, um diesen Positionierungsbereich zu definieren und das relative Koordinatensystem festzulegen. Die Koordinatenerfassung kann jedoch nur unter Verwendung einer Nicht-Prisma-Ausrichtung auf das ungefähre Zentrum des Gehäuses der Basisstation durchgeführt werden, da UWB-Antennen im Allgemeinen kein stabiles Phasenzentrum haben. Während dieses Vorgangs treten unweigerlich Messfehler auf, die sich auf die Positionierungsgenauigkeit auswirken. Daher könnten für die Benchmark-Kalibrierung des Systems genauere Messmethoden wie Indoor-LiDAR angewandt werden, die die anfänglichen Systemfehler reduzieren und die Genauigkeit des Systems verbessern würden.
BIBLIOGRAPHIE
1] Ren A, Zhou F, Rahman A, et al. Eine Studie zur Positionierung in Innenräumen auf der Grundlage von UWB-Basisstationskonfigurationen[C]//2017 IEEE 2nd Advanced Information Technology, Electronic and Automation Control Conference (IAEAC). IEEE, 2017: 1939-1943.
2] Zirui Wang, Shaoxian Li, Zhengyuan Zhang, Fan Lv, Yanzhao Hou. Forschung über die Positionierungsgenauigkeit von UWB in der Lagerumgebung[J]. Procedia Informatik, 2018, 131.
3] Heng Zhang, Forschung und Anwendung einer hochpräzisen Positionierungsmethode in Innenräumen auf der Grundlage von UWB[D]. Technische Universität Liaoning, 2015.
4] Bo Cai, Forschung zu AGV eines hochpräzisen Positionierungssystems für Innenräume auf der Grundlage von UWB[D]. Südwestliche Jiaotong-Universität, 2018.
[5] Mazraani R, Saez M, Govoni L, et al. Experimentelle Ergebnisse einer kombinierten TDOA/TOF-Technik für UWB-basierte Lokalisierungssysteme[C]//2017 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC Workshops). IEEE, 2017: 1043-1048.
6] Zhenyao Liu, Forschung zur Technologie der nahtlosen Positionsbestimmung auf der Grundlage von UWB/GNSS/MIMU[D]. Universität für Informationstechnik, 2017.
[7] Ein Ansatz zur Verbesserung der Genauigkeit der Innenpositionierung mit NLOS-Umgebung[J]. Zeitschrift der Beijing University of Posts and Telecommunications, 2012, 35(06): 38-43.
