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Tecnología de posicionamiento UWB

Este documento técnico presenta principalmente el principio, la selección del esquema y los métodos de implementación.

de la tecnología de posicionamiento de banda ultra ancha UWB en diferentes escenarios de aplicación.

Actualmente, las principales tecnologías de posicionamiento se pueden dividir en cuatro tipos según sus principios:

Sonido, luz, electromagnetismo y UWB

Este documento de diseño enumera las principales ventajas y desventajas de cada principio después de un análisis básico. El documento explica principalmente el diseño del sistema y el método de implementación del uso de la tecnología de posicionamiento de banda ultraancha UWB para el posicionamiento.

Capítulo 1

Principio de posicionamiento

En principio, los métodos de posicionamiento actuales incluyen principalmente sonido, luz, electricidad y magnetismo. También existe la navegación inercial, pero debido a que la tecnología no está lo suficientemente desarrollada y los escenarios de aplicación son limitados, no se abordará aquí.

Sonido

Mide principalmente la distancia mediante la recopilación del tiempo de vuelo de las ondas ultrasónicas en el aire. Un transmisor típico es un altavoz y el receptor es un micrófono (como un teléfono móvil). El transmisor envía información fija y el receptor calcula el tiempo de transmisión de los datos y lo convierte en distancia. Posteriormente, realiza el posicionamiento mediante métodos de dos o tres puntos.

Ventajas:

Posee una precisión de posicionamiento muy alta, que alcanza el centímetro. Además, posee una estructura relativamente simple, cierta capacidad de penetración y una fuerte capacidad antiinterferente de la propia onda ultrasónica.

Desventajas:

La atenuación del aire es alta y no es adecuada para eventos a gran escala, el efecto de trayectos múltiples y la propagación sin línea de visión provocan errores significativos en el alcance de la reflexión, lo que genera la necesidad de un análisis y cálculo precisos de las instalaciones de hardware subyacentes y el costo es demasiado alto.

Ámbito de aplicación:

La tecnología de posicionamiento ultrasónico se utiliza ampliamente en bolígrafos digitales y en la exploración offshore. Esta tecnología de posicionamiento en interiores también se utiliza para el posicionamiento de objetos en talleres no tripulados.

Posicionamiento de luz visible

Esta tecnología se puede desarrollar mediante luces LED. Las luces emiten señales intermitentes de alta frecuencia. Tras recibirlas, el receptor calcula el tiempo de vuelo para medir la distancia y luego obtiene la información de ubicación.

Ventajas:

Gran rango dinámico, capaz de comunicación de alta velocidad.

Desventajas:

Debido a la corta longitud de onda de la luz y a su baja capacidad de difracción, es fácil que se bloquee. Otra opción es usar el reconocimiento de imágenes para comparar la información de la imagen con la de la base de datos para el posicionamiento. La desventaja es que el procesamiento de la imagen requiere mucho tiempo y consume mucha energía.

Posicionamiento del campo magnético

La Tierra es un imán gigante que crea un campo magnético fundamental entre los polos norte y sur geográficos. Sin embargo, este campo magnético terrestre puede verse perturbado por objetos metálicos, especialmente en edificios con estructuras de hormigón armado. Los materiales de construcción (estructuras metálicas) interfieren y distorsionan el campo magnético original, lo que hace que cada edificio tenga una textura magnética única. En otras palabras, se forma un campo magnético regular en el interior de los edificios.

Al recopilar con antelación la información del campo magnético en el campo y compararla con la información recopilada por el magnetómetro de un rastreador (como un teléfono móvil), podemos obtener información precisa de la ubicación. En teoría, la diferencia del campo magnético en diferentes ubicaciones es de microsegundos, indetectable con instrumentos de medición convencionales. Sin embargo, este campo magnético interior, distorsionado por la interferencia del edificio, intensifica la diferencia de la señal magnética, lo que permite la adquisición de datos magnéticos en interiores y mejora indirectamente la precisión del posicionamiento. Dado que el patrón del campo magnético de cada espacio pequeño de la habitación es único, el teléfono móvil puede posicionarse con precisión comparando las características del campo magnético del área con la base de datos del sistema, generalmente con una precisión de unos 2 metros.

Sin embargo, si la disposición de los edificios cercanos cambia, como por el movimiento de vehículos, el campo magnético también cambiará y será difícil evaluar la precisión. Este método requiere una calibración frecuente del campo magnético y no se recomienda.

Posicionamiento de ondas electromagnéticas

Intensidad de la señal

Una aplicación típica es un rastreador Bluetooth con una puerta de enlace Bluetooth, que se puede localizar calculando la intensidad de la señal. Tanto el sistema B-Fixed como el sistema B-Mobile de nuestra empresa utilizan este esquema. Sus principales ventajas son su bajo coste y su fácil instalación, pero su precisión máxima es de tan solo 2-3 metros. Se utiliza principalmente para el posicionamiento regional de activos y personal.

Área de acción

Generalmente se hace referencia a la tecnología Bluetooth Angle of Arrive.

Ventaja:

Bajo costo del terminal, solo necesita implementar una puerta de enlace y alta precisión de posicionamiento.

Desventajas:

La cobertura es limitada y el radio de cobertura es igual a la altura de la puerta de enlace. Esta debe fijarse con precisión y no debe moverse durante su uso. De lo contrario, afectará el posicionamiento.

Ultra-ancha

DARPA y la FCC han propuesto definiciones diferentes para UWB, pero sólo con diferencias sutiles en los parámetros.

Especificaciones de pulso estrecho de banda base UWB

Especificaciones del pulso estrecho de banda base UWB:

IR-UWB (Radio de impulso-UWB):

Transmite directamente a través de la antena sin modular la onda sinusoidal. Este tipo de sistema es simple, en tiempo real, económico, de bajo consumo, anti-multitrayecto y con buena penetración. Posteriormente, fue adoptado por el estándar 802.15.4a.

Modulación de portadora de paso de banda:

DS-UWB (Acceso múltiple por división de código de secuencia directa) y MB-UWB (Multiplexación por división de frecuencia ortogonal de múltiples bandas).

Entre ellas, IR-UWB define dos capas físicas en la especificación IEEE 802.15.4a-2007: una es la tecnología CSS (proporcionada por la alemana Nanotron, que trabaja a 2,4G, tecnología de posicionamiento de banda estrecha), y la otra es la tecnología IR-UWB.

 

 

Tecnología de posicionamiento UWB

Estructura de carga útil UWB:Tabla 2 Tecnología de posicionamiento UWB

Modulación

BPM-BPSK:

Combina BPM (modulación de posición de ráfaga) y BPSK (modulación por desplazamiento de fase binario).

Banda/canal de frecuencia de trabajo:

La tabla de distribución de bandas de frecuencia disponibles a nivel mundial es la siguiente

Tabla 3 Tecnología de posicionamiento UWB

Tabla de tecnología de posicionamiento UWB

División de Canales

Tabla 4 Tecnología de posicionamiento UWB

La división de canales tiene dos tipos de canales: 500 MHz y 1 GHz. Actualmente, se utilizan principalmente los canales de 500 MHz, es decir, los canales 1, 2, 3 y 5.

Potencia de salida y regulaciones:

Según las regulaciones de la FCC, el límite máximo es -41dBm/MHz.

Potencia de salida y regulaciones Tecnología de posicionamiento UWB

 

El poder gobierna en China:

Tabla 5 Tecnología de posicionamiento UWB

Capítulo 2

Comparación de tecnologías de posicionamiento

Comparación del posicionamiento UWB y el posicionamiento AoA Bluetooth

Comparación del posicionamiento UWB y el posicionamiento AoA de Bluetooth

Comparación del posicionamiento UWB-AoA y Bluetooth AoA

Diagrama esquemático de posicionamiento de AOA

Comparación de principios:

AoA de Bluetooth:

Este método solo mide el ángulo de la señal de una única puerta de enlace, no la distancia. Además, asume que la altura del rastreador es fija y proyecta su posición desde la intersección del ángulo y la altura. Subir y bajar el rastreador puede afectar gravemente la precisión del posicionamiento.

Área de influencia de ultra alta densidad (UWB):

Este método mide tanto el ángulo como la distancia con una precisión centimétrica, lo que resulta más preciso. También permite localizar el rastreador en tres dimensiones.

Comparación de antenas:

AoA de Bluetooth:

Este método utiliza un conjunto de antenas, generalmente de 16 o 64, y conmutadores de RF para calcular el ángulo de llegada y la distancia de la señal a partir de múltiples tiempos de llegada. El complejo diseño del conjunto de antenas impide la miniaturización de la puerta de enlace Bluetooth AoA. Además, la puerta de enlace tiene requisitos de instalación estrictos y un área de cobertura limitada de aproximadamente 1 a 2 veces el radio de altura.

Área de influencia de ultra alta densidad (UWB):

Este método suele utilizar dos antenas y el método de diferencia de fase PDoA para calcular el ángulo óptimo. PDoA requiere que la distancia entre las dos antenas receptoras sea igual a la longitud de onda, o λ/2. Para el canal 5 (6489,6 MHz), las antenas de anclaje están separadas 2,08 cm, y para el canal 9, están aún más cerca. Esto permite miniaturizar PDoA, lo que permite su uso en escenarios como teléfonos inteligentes, cerraduras inteligentes y controladores domésticos inteligentes.

Capítulo 3

Tecnología UWB

Características de UWB

  1. UWB cubre bandas de frecuencia 3G~5G, 6G~10G, un total de 7G y tiene un solo canal.
    ancho de banda de más de 500MHz.
  2. Baja potencia. Según la FCC y otras normativas, su potencia de salida está limitada a -41 dBm/MHz. En un solo canal de 500 MHz, su potencia de canal es de -14,3 dBm.
  3. El pulso ultracorto, con una duración de unas décimas de nanosegundo.
  4. Penetrando la pared: Puede penetrar las paredes de manera efectiva, pero provocará cierta atenuación de la señal.

La siguiente tabla muestra la atenuación de la señal causada por la penetración de la pared cuando se trabaja en el canal 2 (con 4 GHz como frecuencia central).

Atenuación de la señal de la tecnología UWB

Identificación de múltiples rutas

Tecnología UWB de identificación de trayectos múltiples

Las ondas electromagnéticas pueden viajar directamente del transmisor al receptor o reflejarse en el objetivo. En la comunicación de banda estrecha general, se suele procesar la señal de mayor intensidad, que puede no ser la primera en llegar.

En la comunicación UWB, la primera señal en llegar (primera trayectoria) se puede identificar con precisión basándose en la diferencia horaria. Sin embargo, al llegar de forma directa o penetrante, solo podemos asumir que la primera señal multitrayecto es la señal directa que necesitamos.

Al igual que todas las demás ondas electromagnéticas, la UWB no puede penetrar el metal.

Exactitud

La precisión se compone principalmente de tres aspectos: precisión de medición de distancia, precisión de sincronización horaria y precisión de posicionamiento. La precisión de medición de distancia se ve afectada principalmente por dos factores: el algoritmo de medición de distancia y la precisión del reloj utilizado.

  1. Precisión de medición de distancia: DS-TWR minimiza el error causado por la desviación del reloj.
  2. Precisión de sincronización horaria: En el sistema de medición de distancia, un oscilador de cristal compensado por temperatura de reloj de 0,5 PPM (TCXO)
    Se puede utilizar para lograr una mayor precisión. La precisión de alcance se puede controlar con un margen de error de 10 cm.
    La precisión se puede mejorar utilizando TCXO.

    En un sistema de posicionamiento inalámbrico UWB, se admiten tanto la medición de distancia como el TDoA. En el TDoA, todas las puertas de enlace de posicionamiento deben sincronizarse de forma inalámbrica. El sistema tiene una precisión de sincronización de 0,3 ns.

    En comparación con el método de sincronización por cable, un sistema inalámbrico es mucho más simple y se puede expandir sin límites y no está limitado por la distancia del cable. También simplifica la dificultad de implementación del proyecto.

  3. Precisión de posicionamiento: Tiene una precisión de 30 cm. La precisión de posicionamiento del sistema está influenciada por varios

Factores ambientales, no solo la precisión de medición de distancia de 10 cm. La precisión de posicionamiento de 10 cm solo se puede lograr en un entorno ideal sin interferencias en el laboratorio. Cualquier perturbación de la señal puede causar desviaciones en el sistema.

Capítulo 4

Acerca del posicionamiento

Características de UWB

La dimensión de posicionamiento se selecciona según el caso de uso y la situación in situ. La escena de dimensión cero se utiliza principalmente para la detección de entradas y salidas. La escena unidimensional es principalmente una escena con una relación de aspecto desproporcionada, como la de un túnel, y también funciona en una fábrica. En una escena unidimensional, el objetivo posicionado se alinea con una línea. La escena 2D se utiliza para localizar las coordenadas XY sin información de altura, mientras que la escena 3D sí la tiene. Sin embargo, requiere que el anclaje tenga una diferencia de altura durante la instalación del sistema para garantizar cierta precisión en el eje Z.

Cero-Dimensional

En el posicionamiento UWB, para lograr un mejor posicionamiento en dimensión cero se suele utilizar la medición de distancias, que se utiliza para limitar la distancia, por ejemplo, la distancia entre un dispositivo y un punto de anclaje. Se considera que se ha entrado en la zona de dimensión cero.

Posicionamiento UWB de dimensión cero

Unidimensional

El posicionamiento unidimensional se puede lograr utilizando ToF, TDoA o tecnología AoA combinada.

Incluso cuando el rastreador UWB no está en la línea recta que conecta los dos anclajes, puede estar en esa línea recta.

Ubicación actual:

Ubicación actual con rastreador UWB

Resultado de posicionamiento:

Resultado de posicionamiento con rastreador UWB

Bidimensional

El posicionamiento bidimensional mostrará las coordenadas XY de la ubicación del objetivo. Si los anclajes están instalados a la misma altura, los resultados del posicionamiento no se verán afectados por la altura de instalación de los seguidores.

Tecnología de posicionamiento UWB bidimensional

Tridimensional

El resultado del posicionamiento tridimensional son las coordenadas XYZ del objetivo. Existen dos métodos para lograrlo. Uno se basa en la medición de la distancia, que requiere una diferencia de altura entre los anclajes. El otro se basa en el ángulo de ataque, que requiere una resolución de ángulo alto en el eje Z para garantizar la precisión de la coordenada Z.

Tecnología de posicionamiento UWB tridimensional

Método de posicionamiento

Actualmente, el posicionamiento UWB utiliza principalmente el método de alcance TOF, TDoA y posicionamiento AoA. Los dos primeros métodos funcionan de forma independiente, mientras que el segundo método AoA suele combinarse con ToF o TDoA.

Posicionamiento ToF

El posicionamiento ToF se basa en el alcance. El rastreador UWB inicia el alcance con cada ancla que se debe posicionar. Una vez completado, se calcula la posición. En el modo cero-dimensional, solo se necesita un ancla; en el modo unidimensional, se necesita al menos dos anclas; en el modo bidimensional, generalmente se necesitan tres o más anclas, pero en algunos modos especiales, dos anclas son suficientes. En el modo tridimensional, se necesita cuatro anclas.

Para los casos unidimensionales, el ancla se coloca en la parte superior y se va moviendo con un solo ancla para lograr un posicionamiento unidimensional.

Posicionamiento ToF Rastreador UWB Distancia

Para casos unidimensionales, puedes medir la distancia con solo dos anclajes:

Para casos unidimensionales, puedes medir la distancia con solo dos anclajes.

Posicionamiento bidimensional:

Posicionamiento bidimensional UWB

Posicionamiento TDoA

El posicionamiento TDoA consiste en determinar la posición del objetivo detectando la diferencia horaria absoluta entre la llegada de las señales a dos anclas o unidades de antena diferentes, en lugar del tiempo de vuelo de llegada. Esto reduce los requisitos de sincronización horaria entre la fuente de la señal y cada ancla de monitoreo, pero aumenta los requisitos de sincronización horaria entre las anclas. Se pueden detectar dos TDoA utilizando tres anclas diferentes, y el rastreador móvil se ubica en la intersección de las hipérbolas definidas por ambos TDoA.

Para casos unidimensionales, puedes medir la distancia con solo dos anclajes.

La ventaja de TDoA es que el número de comunicaciones para un posicionamiento se reduce significativamente y también ofrece mayor precisión que ToA. Sin embargo, este tipo de posicionamiento depende de la propagación de ondas, y el error de reloj inherente de 1 ns puede causar un error de distancia de 30 cm. Por lo tanto, los relojes de cada ancla deben estar estrictamente sincronizados. Además, construir un sistema de sincronización preciso con un espaciamiento relativamente amplio resulta muy costoso.

Hay dos tipos de sincronización horaria:

Una opción es usar conexiones cableadas, que pueden lograr una precisión de sincronización de 0,1 ns, pero incrementa la complejidad y el coste del mantenimiento y la construcción de la red. Además, requiere un cable dedicado (por ejemplo, Ethernet) para sincronizar el reloj, lo cual también resulta costoso.

La otra opción son las conexiones inalámbricas, que pueden alcanzar una precisión de sincronización de 0,25 ns, ligeramente inferior a la de las conexiones por cable, pero el sistema es relativamente sencillo. La puerta de enlace de posicionamiento solo necesita alimentación, y los datos se pueden enviar mediante Wi-Fi, LoRa o Ethernet, lo que reduce considerablemente el coste.

Posicionamiento de AoA

El posicionamiento del ángulo de llegada (AoA) generalmente se basa en la diferencia de fase entre señales, pero no se suele utilizar solo porque el AoA tiene un problema con la resolución angular, lo que significa que la precisión del posicionamiento empeora a medida que aumenta la distancia desde el ancla.

El AoA puede funcionar junto con el tiempo de vuelo (ToF) para el posicionamiento. En este modo, podemos usar un ancla para el posicionamiento.

Posicionamiento del área de acción de UWB

También es posible que dos anclas logren posicionamiento a través de AoA

dos anclas para lograr posicionamiento a través de AoA

Modo de posicionamiento y consumo de energía

Compararemos principalmente el consumo de energía de los modos ToF y TDoA. En el modo ToF, el rastreador UWB mide la distancia con cada ancla por separado y requiere múltiples clasificaciones. Generalmente, un rango tarda más de 5 ms. Para el posicionamiento TDoA, el rastreador UWB solo necesita enviar un mensaje para completar el posicionamiento. Generalmente, tarda menos de 0,5 ms desde la preparación hasta el envío y consume mucha menos energía que el modo ToF.

Factores ambientales

Hay muchos factores ambientales y los más típicos son el posicionamiento intraárea y el posicionamiento fuera del área;
Dado que el TDoA se basa en la diferencia horaria de llegada de la señal, suele emplearse un algoritmo hiperbólico que convierte la diferencia horaria de llegada en una diferencia de distancia. La limitación del algoritmo hiperbólico determina que la precisión de posicionamiento sea alta en el área cubierta por los anclajes, mientras que la precisión de posicionamiento sea relativamente baja fuera de ella. En entornos complejos, como las centrales eléctricas, el sistema presenta grandes dificultades de implementación, lo que dificulta el uso del posicionamiento TDoA para satisfacer las necesidades de la aplicación. En este modo, se puede utilizar ToF o TDoA combinado con AoA.

Capítulo 5

Solución de posicionamiento UWB basada en LoRaWAN

Este capítulo presenta el dispositivo relacionado y la teoría sobre cómo funciona el sistema.

  • Anclaje UWB: Publica mensajes de baliza para la medición de distancias con rastreadores. Funciona con pilas, con una duración de 5 años.
  • Rastreador UWB: Recibe mensajes de radiobaliza y de distancia con el ancla periódicamente. Funciona con pilas.
  • Puerta de enlace LoRaWAN: Envía mensajes de balizas a todos los anclajes y rastreadores para sincronizar el reloj y recibir mensajes de distancia de los rastreadores.
  • Servidor: Utilice la información de distancia y las coordenadas del ancla para calcular la posición de los rastreadores como se explica en Sección 4.1El servidor también se utiliza para configurar el ancla y el rastreador, calibrar la posición del ancla y actuar como motor de posicionamiento.

Solución de posicionamiento UWB basada en LoRaWAN

Capítulo 6

Acerca de Ranging

Método de medición de distancias

En el sistema de medición de distancias, hay dos métodos: medición de distancias de un solo lado y dos vías (SS-TWR) y medición de distancias de dos lados y dos vías (SD-TWR).

SS-TWR

El principio básico de la medición de distancia unidireccional se muestra en la Figura 2, diagrama esquemático del principio SS-TWR. El dispositivo A envía un pulso al dispositivo B. Tras un período de Tround1, recibe el pulso devuelto por el dispositivo B. Suponiendo que el tiempo de vuelo es Tprop, se puede calcular aproximadamente como:

Diagrama esquemático del principio SS-TWR
Diagrama esquemático del principio SS-TWR

Debido a que el dispositivo A y el dispositivo B utilizan fuentes de reloj independientes, los relojes tendrán una cierta desviación, que también es inaceptable para la velocidad de la luz.

SD-TWR

La medición de distancia bidireccional de doble cara es un método extendido de medición de distancia bidireccional por señal. Registra dos marcas de tiempo de ida y vuelta y, finalmente, obtiene el tiempo de vuelo. Si bien aumenta el tiempo de respuesta, reduce el error de medición. Como se muestra en la Figura 3 (diagrama esquemático del principio DS-TWR), los principios básicos son los siguientes:

  1. El dispositivo A envía un pulso al dispositivo B;
  2. Después de que el dispositivo B recibe el pulso, se demora durante Treply1 y envía de vuelta un pulso;
  3. Después de Tround1, el dispositivo A recibe el pulso de respuesta enviado por el dispositivo B;
  4. El dispositivo A se retrasa para Treply2 y luego envía otro pulso al dispositivo B;
  5. El dispositivo B recibe el pulso final de A después de Tround2.

Diagrama esquemático del principio DS-TWR
Figura 3: Diagrama esquemático del principio DS-TWR

La medición de distancia DS-TWR es una comunicación adicional basada en la medición de distancia SS-TWR, y el tiempo de las dos comunicaciones puede cancelar el error causado por el desfase del reloj.

El error causado por el reloj que utiliza el método de medición de distancia DS es:

reloj que utiliza el método de medición de distancia DS

El error de este método de medición de distancia depende principalmente de los siguientes factores:

  1. El error de reloj de los dispositivos A y B;
  2. El tiempo de retraso promedio del procesamiento del dispositivo.

Suponiendo que la precisión del reloj de los dispositivos A y B es de 20 ppm (mala) y 1 ppm es una millonésima, entonces Ka y Kb son 0,99998 o 1,00002, y ka y kb son las razones de la frecuencia real y la frecuencia esperada del reloj de los dispositivos A y B, respectivamente. Los dispositivos A y B están separados por 100 m, y el tiempo de propagación de las ondas electromagnéticas es de 333 ns. Por lo tanto, el error causado por el reloj es de 20*333*10^(-9) segundos y el error de alcance es de 2,2 mm, que puede ignorarse.

Análisis de errores de alcance

Los factores que conducen a errores de medición son las perturbaciones ambientales, la oclusión del cuerpo humano, la oclusión de objetos metálicos, la precisión del tiempo y la granularidad mínima del tiempo.

Escenarios típicos de medición de distancias

Para satisfacer los requisitos de diferentes casos de uso de medición de distancia precisa inalámbrica, existen principalmente tres modos: medición de distancia punto a punto, medición de distancia punto a multipunto y medición de distancia en espacio libre.

A continuación se presentan principalmente los dos modos de medición de distancia punto a multipunto y de medición de distancia en espacio libre.

Medición de distancia punto a multipunto

Se utiliza principalmente para medir la distancia entre dos dispositivos. Este tipo de medición es el más sencillo, con mayor precisión y gran comodidad. Dado que la medición de distancia es la función más básica, puede integrarse con otros métodos.

Algunas aplicaciones típicas son:

  • Cuando un vehículo está en marcha, necesita saber su ubicación precisa, lo que se puede hacer mediante la medición de la distancia;
  • Cuando un preso está en libertad condicional para recibir tratamiento médico, los guardias de la prisión pueden controlar al preso dentro de una distancia segura a través de una medición de distancia precisa, y los administradores también pueden usar la plataforma para evitar el favoritismo;
  • Medición precisa de la distancia entre drones y personas;
  • Los grupos turísticos pueden controlar la distancia entre cada persona y el guía turístico a través de UWB para garantizar que nadie se pierda.

Alcance en el espacio libre

La medición en espacio libre es un modo de medición relativamente especial. La razón principal es que todos los objetivos se mueven en el espacio. Antes de cada medición, el dispositivo necesita conocer las condiciones del entorno; cuando hay muchos objetivos, es necesario distribuirlos adecuadamente para evitar interferencias mutuas y evitar que se dispersen.

El alcance en espacio libre se utiliza principalmente para los dos propósitos siguientes:

Una red de relaciones espaciales:

Por ejemplo, las formaciones de drones pueden formar una red autoorganizada basada en la distancia espacial entre todos los objetivos. Cuando no hay un sistema GNSS, se puede utilizar la UWB para formar una red de relaciones de posición de la formación espacial.

Diagrama esquemático de la red de relaciones espaciales
Figura 4 Diagrama esquemático de la red de relaciones espaciales

Si este sistema se aplica en la red Mesh de comunicación inalámbrica, también puede proporcionar parámetros de distancia para que Mesh tome decisiones.

Anticolisión:

Por ejemplo, una locomotora de mantenimiento que circula por una vía férrea puede tener otra garantía basada en esta medición dinámica de la distancia.

Capítulo 7

Diseño del esquema

Sistema anticolisión y sistema de posicionamiento:

El dispositivo instalado en el sistema anticolisión se define como una puerta de enlace UWB, que puede alimentarse con energía externa. El dispositivo que se usa es un rastreador UWB, alimentado por una batería recargable.

Motor de posicionamiento:

Esto sirve para calcular la posición de los dispositivos de posicionamiento. El motor de posicionamiento utiliza la ubicación relativa de la puerta de enlace en el mapa y la distancia entre el rastreador UWB y la puerta de enlace para determinar la posición del rastreador UWB y las coordenadas de salida.

Calibración de posición:

Indique la posición de la puerta de enlace en el mapa, por ejemplo, marcando el origen y la posición de las puertas. La puerta de enlace debe ser fija y no moverse arbitrariamente.

Visualización del mapa:

Los clientes pueden cargar sus propios archivos de mapas y proporcionar la información de origen correspondiente en la calibración de la posición, y mostrar la posición en tiempo real del dispositivo de posicionamiento en el mapa plano.

Diseño del esquema del sistema anticolisión

Diagrama de bloques del sistema anticolisión
Figura 5: Diagrama de bloques del sistema anticolisión

Información del rastreador UWB. El rastreador UWB mide la distancia cada 4 segundos. Al acercarse a la puerta de enlace, mide la distancia cada 1 segundo para ahorrar energía y prolongar el tiempo de espera.

La puerta de enlace cuenta con una interfaz de E/S con aislamiento optoacoplador. Cuando la distancia entre el rastreador UWB y la puerta de enlace es inferior a 3 metros, esta genera una potencia de salida de alto nivel. La E/S aislada puede conectarse a una alarma externa de sonido y luz.

La división del área se muestra en Figura 6: División del área del sistema anticolisión. (página siguiente)

División del área del sistema anticolisión
Figura 6: División del área del sistema anticolisión

Diseño del esquema del sistema de posicionamiento

Diagrama de bloques del sistema de posicionamiento
Figura: 7 Diagrama de bloques del sistema de posicionamiento

Tanto la puerta de enlace como el rastreador UWB cuentan con módulos UWB y LoRa. El módulo UWB se utiliza para la medición de distancia y el posicionamiento. El módulo LoRa es...

El rastreador UWB transmite la distancia entre el rastreador UWB y la puerta de enlace, la ID y otros parámetros al sistema de aplicación a través de LoRa.

El sistema de aplicación consta de tres módulos de software: motor de posicionamiento, visualización de mapas y calibración de posición. Estos módulos deben ejecutarse en un entorno Linux, o bien, se puede instalar una máquina virtual Linux en un sistema de ventanas. El entorno Linux requiere al menos 8 GB de memoria y 20 GB de disco duro.

Flujo de trabajo del sistema

Flujo de trabajo del sistema anticolisión:

  1. La puerta de enlace utiliza una fuente de alimentación externa, por lo que siempre está lista para probar datos.
  2. La puerta de enlace y el rastreador UWB utilizan DS-TWR para medir la distancia.
  3. El rastreador UWB mide periódicamente (4 s) la distancia con la puerta de enlace.
  4. El rastreador UWB detecta una puerta de enlace cercana y mide la distancia con ella, y luego cambia su propio ciclo de medición de distancia a 1 s.
  5. La puerta de enlace emite una señal de alarma (alarma sonora y luminosa) en función de la distancia desde el rastreador UWB.

Flujo de trabajo del sistema de posicionamiento:

  1. Ejecute el software de calibración de posición para calibrar la posición de instalación real de la puerta de enlace.
  2. Ejecute el software del motor de posicionamiento para calcular la información de ubicación del rastreador UWB en función de la distancia entre el rastreador UWB y la puerta de enlace.
  3. La puerta de enlace y el rastreador UWB utilizan DS-TWR para medir la distancia.
  4. El rastreador UWB mide periódicamente la distancia con múltiples puertas de enlace cercanas.
  5. El rastreador UWB envía la distancia desde múltiples puertas de enlace al motor de posicionamiento en forma de LoRa.
  6. La información de ubicación calculada por el motor de posicionamiento se envía al software de visualización de mapas para su visualización.

Cálculo de posicionamiento

El motor de posicionamiento puede calcular la información de posición del rastreador UWB en función de la distancia entre la puerta de enlace y el rastreador UWB y las coordenadas de posición de la puerta de enlace con triangulación, como se muestra en Triangulación del cálculo de posición.

Posicionamiento bidimensional UWB
Figura 8: Cálculo de posición-triangulación

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