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Technologie de positionnement UWB

Ce livre blanc présente principalement le principe, la sélection du schéma et les méthodes de mise en œuvre

de la technologie de positionnement ultra-large bande UWB dans différents scénarios d'application.

Actuellement, les principales technologies de positionnement peuvent être divisées en quatre types en fonction de leurs principes :

Son, Lumière, Électromagnétique et UWB

Ce document de conception énumère les principaux avantages et inconvénients de chaque principe après une analyse de base. Le document explique principalement la conception du système et la méthode de mise en œuvre de l'utilisation de la technologie de positionnement à bande ultra-large UWB pour le positionnement.

Chapitre 1

Principe de positionnement

En principe, les méthodes de positionnement actuelles incluent principalement le son, la lumière, l'électricité et le magnétisme. Il existe également la navigation inertielle, mais la technologie n'étant pas encore suffisamment mature et les applications limitées, elle ne sera pas abordée ici.

Son

Il mesure principalement la distance en collectant le temps de vol des ondes ultrasonores dans l'air. L'émetteur est généralement un haut-parleur et le récepteur un microphone (comme celui d'un téléphone portable). L'émetteur envoie des informations fixes, tandis que le récepteur calcule le temps de transmission des données et les convertit en distance. Il effectue ensuite le positionnement par des méthodes à deux ou trois points.

Avantages :

Il offre une précision de positionnement très élevée, atteignant le centimètre près. Sa structure est relativement simple, sa capacité de pénétration est élevée et l'onde ultrasonore elle-même offre une excellente résistance aux interférences.

Inconvénients :

L'atténuation de l'air est élevée et ne convient pas aux événements à grande échelle, l'effet multitrajet et la propagation hors ligne de visée provoquent des erreurs importantes dans la portée de réflexion, ce qui nécessite une analyse et un calcul précis des installations matérielles sous-jacentes, et le coût est trop élevé.

Champ d'application :

La technologie de positionnement par ultrasons est largement utilisée dans les stylos numériques et l'exploration offshore. Cette technologie de positionnement en intérieur est également utilisée pour le positionnement d'objets dans les ateliers automatisés.

Positionnement de la lumière visible

Cette technologie peut être développée par des lumières LED. Ces lumières émettent des signaux clignotants à haute fréquence. Après réception, le récepteur calcule le temps de vol pour mesurer la distance et obtient ensuite les informations de localisation.

Avantages :

Large plage dynamique, capable de communication à haut débit.

Inconvénients :

En raison de la courte longueur d'onde de la lumière et de sa faible diffraction, elle est facilement bloquée. L'autre solution consiste à utiliser la reconnaissance d'images pour comparer les informations actuelles avec celles de la base de données afin de positionner l'image. L'inconvénient est que le traitement de l'image est long et consomme beaucoup d'énergie.

Positionnement du champ magnétique

La Terre elle-même est un aimant géant, créant un champ magnétique fondamental entre les pôles Nord et Sud. Cependant, ce champ magnétique terrestre peut être perturbé par des objets métalliques, notamment dans les bâtiments en béton armé. Les matériaux de construction (structures métalliques) interfèrent avec le champ magnétique d'origine et le déforment, conférant à chaque bâtiment une texture magnétique unique. Autrement dit, un champ magnétique intérieur régulier se forme à l'intérieur des bâtiments.

En collectant à l'avance les informations du champ magnétique sur le terrain, puis en les comparant à celles du magnétomètre d'un appareil de suivi (tel qu'un téléphone portable), nous pouvons obtenir une localisation précise. Théoriquement, la différence de champ magnétique à différents endroits est de l'ordre de la microseconde, indétectable par les instruments de mesure classiques. Cependant, ce champ magnétique intérieur, déformé par les interférences du bâtiment, accentue la différence du signal magnétique, rendant possible l'acquisition de données magnétiques en intérieur et améliorant indirectement la précision du positionnement. Le profil du champ magnétique de chaque petit espace de la pièce étant unique, le téléphone portable peut être positionné avec précision en comparant les caractéristiques du champ magnétique de la zone avec la base de données du système, généralement avec une précision d'environ 2 mètres.

Cependant, si la disposition des bâtiments à proximité change, par exemple en raison de la circulation des véhicules, le champ magnétique changera également, et la précision sera difficile à évaluer. Cette méthode nécessite un étalonnage fréquent du champ magnétique et n'est pas recommandée.

Positionnement des ondes électromagnétiques

Force du signal

Une application typique est un tracker Bluetooth et une passerelle Bluetooth, qui peuvent être localisés en calculant la puissance du signal. Les systèmes B-Fixed et B-Mobile de notre entreprise utilisent tous deux ce système. Ses principaux avantages sont son faible coût et sa simplicité d'installation, mais sa précision n'est que de 2 à 3 mètres maximum. Il est principalement utilisé pour le positionnement régional des biens et du personnel.

AoA

On parle généralement de technologie Bluetooth Angle of Arrive.

Avantage:

Faible coût du terminal, il suffit de déployer une seule passerelle et une grande précision de positionnement.

Inconvénients :

La couverture est limitée et le rayon de couverture est égal à la hauteur de la passerelle. Celle-ci doit être positionnée avec précision et ne doit pas être secouée pendant son utilisation. Dans le cas contraire, son positionnement serait affecté.

UWB

La DARPA et la FCC ont proposé différentes définitions pour l’UWB, mais seulement avec de subtiles différences dans les paramètres.

Spécifications des impulsions étroites en bande de base UWB

Spécifications des impulsions étroites en bande de base UWB :

IR-UWB (Radio à impulsions-UWB) :

Il transmet directement via l'antenne sans moduler l'onde sinusoïdale. Ce type de système est simple, en temps réel, économique, peu gourmand en énergie, anti-trajets multiples et offre une bonne pénétration. Il a ensuite été adopté par la norme 802.15.4a.

Modulation de la porteuse passe-bande :

DS-UWB (accès multiple par répartition en code à séquence directe) et MB-UWB (multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence à bandes multiples).

Parmi elles, l'IR-UWB définit deux couches physiques dans la spécification IEEE 802.15.4a-2007 : l'une est la technologie CSS (fournie par l'allemand Nanotron, fonctionnant à 2,4G, technologie de positionnement à bande étroite), et l'autre est la technologie IR-UWB.

 

 

Technologie de positionnement UWB

Structure de la charge utile UWB :Tableau 2 Technologie de positionnement UWB

Modulation

BPM-BPSK :

Il combine BPM (modulation de position en rafale) et BPSK (Binary Phase Shift Keying).

Bande de fréquence de travail/canal :

Le tableau de distribution des bandes de fréquences disponibles à l'échelle mondiale est le suivant

Tableau 3 Technologie de positionnement UWB

Tableau des technologies de positionnement UWB

Division des canaux

Tableau 4 Technologie de positionnement UWB

La division des canaux comprend deux types de canaux : 500 MHz et 1 GHz. Actuellement, les canaux 500 MHz sont principalement utilisés, soit les canaux 1, 2, 3 et 5.

Puissance de sortie et réglementations :

Selon la réglementation FCC, la limite maximale est de -41 dBm/MHz.

Puissance de sortie et réglementations Technologie de positionnement UWB

 

Les règles du pouvoir en Chine :

Tableau 5 Technologie de positionnement UWB

Chapitre 2

Comparaison des technologies de positionnement

Comparaison du positionnement UWB et du positionnement Bluetooth AoA

Comparaison du positionnement UWB et du positionnement Bluetooth AoA

Comparaison du positionnement UWB-AoA et Bluetooth AoA

Schéma de positionnement AOA

Comparaison de principes :

Bluetooth AoA :

Cette méthode mesure uniquement l'angle du signal provenant d'une seule passerelle, et non la distance. Elle suppose également que la hauteur du tracker est fixe et projette sa position à partir de l'intersection angle-hauteur. Le fait de lever et d'abaisser le tracker peut sérieusement affecter la précision du positionnement.

UWB-AoA :

Cette méthode mesure l'angle et la distance avec une précision centimétrique, ce qui est plus précis. Elle permet également de localiser le tracker en trois dimensions.

Comparaison des antennes :

Bluetooth AoA :

Cette méthode utilise un réseau d'antennes, généralement composé de 16 ou 64 antennes, et des commutateurs RF pour calculer l'angle d'arrivée et la distance du signal à partir de plusieurs temps d'arrivée. La conception complexe du réseau d'antennes empêche la miniaturisation de la passerelle Bluetooth AoA. De plus, la passerelle est soumise à des exigences d'installation strictes et sa zone de couverture est limitée à environ 1 à 2 fois le rayon de la hauteur.

UWB-AoA :

Cette méthode utilise généralement deux antennes et la méthode de différence de phase PDoA pour calculer l'angle optimal. La PDoA nécessite que la distance entre les deux antennes de réception soit proportionnelle à la longueur d'onde, soit λ/2. Pour le canal 5 (6489,6 MHz), les antennes d'ancrage sont distantes de 2,08 cm, et pour le canal 9, elles sont encore plus proches. Cela permet de miniaturiser la PDoA, ce qui explique son utilisation dans des applications telles que les smartphones, les serrures de porte intelligentes et les contrôleurs de maison connectée.

Chapitre 3

Technologie UWB

Fonctionnalités UWB

  1. L'UWB couvre les bandes de fréquences 3G~5G, 6G~10G, un total de 7G, et dispose d'un seul canal
    bande passante de plus de 500 MHz.
  2. Faible puissance. Conformément à la FCC et à d'autres réglementations, sa puissance de sortie est limitée à -41 dBm/MHz. Sur un canal unique de 500 MHz, sa puissance est de -14,3 dBm.
  3. L'impulsion ultra-courte, d'une durée de quelques dixièmes de nanoseconde.
  4. Pénétration du mur : Il peut pénétrer efficacement les murs mais provoquera une certaine atténuation du signal.

Le tableau ci-dessous montre l'atténuation du signal causée par la pénétration du mur lorsque l'on travaille sur le canal 2 (avec 4 GHz comme fréquence centrale).

Atténuation du signal de la technologie UWB

Identification des trajets multiples

Identification multi-trajets Technologie UWB

Les ondes électromagnétiques peuvent se propager directement de l'émetteur au récepteur, ou être réfléchies vers la cible. En communication à bande étroite, le signal le plus puissant est généralement traité, et il n'est pas toujours le premier à arriver.

En communication UWB, le premier signal à arriver (premier trajet) peut être identifié avec précision grâce au décalage temporel. En revanche, lorsqu'il arrive directement ou par pénétration, on ne peut que supposer que le premier signal multitrajet est le signal direct dont nous avons besoin.

Comme toutes les autres ondes électromagnétiques, l’UWB ne peut pas pénétrer le métal.

Précision

La précision repose principalement sur trois aspects : la précision de la mesure, la précision de la synchronisation temporelle et la précision du positionnement. La précision de la mesure dépend principalement de deux facteurs : l'algorithme de mesure et la précision de l'horloge utilisée.

  1. Précision de la portée : DS-TWR minimise l’erreur causée par l’écart d’horloge.
  2. Précision de la synchronisation horaire : Dans le système de télémétrie, un oscillateur à cristal compensé en température (TCXO) d'horloge de 0,5 PPM
    Permet d'obtenir une meilleure précision. La précision de la mesure peut être contrôlée à 10 cm près.
    La précision peut être améliorée en utilisant TCXO.

    Dans un système de positionnement sans fil UWB, la télémétrie et le TDoA sont tous deux pris en charge. Dans le TDoA, toutes les passerelles de positionnement doivent être synchronisées sans fil. Le système a une précision de synchronisation de 0,3 ns.

    Par rapport à la méthode de synchronisation filaire, un système sans fil est beaucoup plus simple et peut être étendu sans limite, sans être limité par la distance filaire. Cela simplifie également la difficulté de mise en œuvre du projet.

  3. Précision de positionnement : Sa précision de positionnement est de 30 cm. La précision de positionnement du système est influencée par divers facteurs.

Les facteurs environnementaux, et pas seulement la précision de mesure de distance de 10 cm, sont importants. Une précision de positionnement de 10 cm ne peut être obtenue que dans un environnement idéal, sans aucune interférence en laboratoire. Toute perturbation du signal peut entraîner une déviation du système.

Chapitre 4

À propos du positionnement

Fonctionnalités UWB

La dimension de positionnement est choisie en fonction du cas d'utilisation et de la situation sur site. La scène zéro dimension est principalement utilisée pour la détection d'entrées et de sorties. La scène unidimensionnelle est généralement une scène avec un rapport hauteur/largeur disproportionné, comme une scène de tunnel, et fonctionne également en usine. Dans une scène unidimensionnelle, la cible positionnée est alignée sur une ligne. La scène 2D permet de localiser les coordonnées XY sans information de hauteur, tandis que la scène 3D en dispose. Cependant, une différence de hauteur entre les ancrages est nécessaire lors de l'installation du système pour garantir une certaine précision de l'axe Z.

Zéro-Dimensionnel

En positionnement UWB, pour obtenir un meilleur positionnement en zéro dimension, on utilise généralement la télémétrie, qui sert à limiter la distance, par exemple la distance entre un appareil et un point d'ancrage. On considère alors qu'il est entré dans la zone zéro dimension.

Positionnement UWB zéro dimensionnel

unidimensionnel

Le positionnement unidimensionnel peut être obtenu en utilisant la technologie ToF, TDoA ou AoA combinée.

Même lorsque le tracker UWB n'est pas sur la ligne droite reliant les deux ancres, il peut être sur cette ligne droite.

Localisation actuelle :

Localisation réelle avec tracker UWB

Résultat du positionnement :

Résultat de positionnement avec tracker UWB

Bidimensionnel

Le positionnement bidimensionnel affichera les coordonnées XY de l'emplacement cible. Si les ancrages sont installés à la même hauteur, les résultats du positionnement ne seront pas affectés par la hauteur d'installation des trackers.

Technologie de positionnement UWB bidimensionnelle

Tridimensionnel

Le résultat du positionnement tridimensionnel est la coordonnée XYZ de la cible. Il existe deux méthodes pour y parvenir. L'une est basée sur la mesure de distance, qui nécessite une différence de hauteur entre les ancrages. L'autre est basée sur l'AoA, qui nécessite une résolution d'angle élevée sur l'axe Z pour garantir la précision de la coordonnée Z.

Technologie de positionnement UWB tridimensionnelle

Méthode de positionnement

Actuellement, le positionnement UWB utilise principalement la télémétrie TOF, le TDoA et le positionnement AoA. Les deux premières méthodes fonctionnent indépendamment, tandis que la seconde, la méthode AoA, est généralement combinée au ToF ou au TDoA.

Positionnement ToF

Le positionnement ToF est basé sur la portée. Le tracker UWB lance la télémétrie avec chaque ancre à positionner. Une fois la télémétrie terminée, la position est calculée. En mode zéro dimension, une seule ancre est nécessaire ; en mode unidimensionnel, au moins deux ancres sont nécessaires ; en mode bidimensionnel, trois ancres ou plus sont généralement nécessaires, mais dans certains modes spécifiques, deux ancres suffisent. En mode tridimensionnel, quatre ancres sont nécessaires.

Pour les cas unidimensionnels, l'ancre est placée en haut et le positionnement avec une seule ancre permet d'obtenir un positionnement unidimensionnel.

Distance du tracker UWB de positionnement ToF

Pour les cas unidimensionnels, vous pouvez mesurer la distance avec seulement deux ancres :

Pour les cas unidimensionnels, vous pouvez mesurer la distance avec seulement deux ancres

Positionnement bidimensionnel :

Positionnement bidimensionnel UWB

Positionnement TDoA

Le positionnement TDoA consiste à déterminer la position de la cible en détectant la différence de temps absolue entre l'arrivée des signaux à deux ancres ou antennes différentes, plutôt que l'heure de vol d'arrivée. Cela réduit les besoins de synchronisation temporelle entre la source du signal et chaque ancre de surveillance, mais augmente les besoins de synchronisation temporelle entre les ancres. Deux TDoA peuvent être détectés en utilisant trois ancres différentes, et le tracker mobile est situé à l'intersection des hyperboles définies par les deux TDoA.

Pour les cas unidimensionnels, vous pouvez mesurer la distance avec seulement deux ancres

L'avantage du TDoA réside dans la réduction significative du nombre de communications nécessaires à un positionnement, ainsi que dans sa plus grande précision. Cependant, ce type de positionnement dépend de la propagation des ondes, et l'erreur d'horloge inhérente de 1 ns peut entraîner une erreur de distance de 30 cm. Par conséquent, les horloges de chaque ancre doivent être parfaitement synchronisées. De plus, la construction d'un système de synchronisation précis avec un espacement relativement important est très coûteuse.

Il existe deux types de synchronisation temporelle :

L'une des solutions consiste à utiliser des connexions filaires, qui permettent d'atteindre une précision de synchronisation de 0,1 ns, mais qui augmentent la complexité et le coût de la maintenance et de la construction du réseau. De plus, la synchronisation de l'horloge nécessite un câble dédié (Ethernet, par exemple), ce qui est également coûteux.

L'autre solution est la connexion sans fil, qui permet d'atteindre une précision de synchronisation de 0,25 ns, légèrement inférieure à celle du filaire, mais le système est relativement simple. La passerelle de positionnement ne nécessite qu'une alimentation électrique, et le retour de données peut se faire via le Wi-Fi, LoRa ou Ethernet, ce qui réduit considérablement les coûts.

Positionnement AoA

Le positionnement de l'angle d'arrivée (AoA) est généralement basé sur la différence de phase entre les signaux, mais il n'est pas souvent utilisé seul car l'AoA a un problème de résolution angulaire, ce qui signifie que la précision du positionnement se dégrade à mesure que la distance par rapport à l'ancre augmente.

L'AoA peut fonctionner conjointement avec la mesure du temps de vol (ToF) pour le positionnement. Dans ce mode, nous pouvons utiliser une ancre pour le positionnement.

Positionnement AoA UWB

Il est également possible que deux ancres parviennent à se positionner via AoA

deux ancres pour obtenir un positionnement via AoA

Mode de positionnement et consommation d'énergie

Nous comparerons principalement la consommation énergétique des modes ToF et TDoA. En mode ToF, le tracker UWB mesure la distance avec chaque ancre séparément, et nécessite plusieurs classements. Généralement, une portée prend plus de 5 ms. Pour le positionnement TDoA, le tracker UWB n'a besoin que d'envoyer un message pour finaliser le positionnement. Généralement, il faut moins de 0,5 ms entre la préparation et l'envoi, ce qui consomme beaucoup moins d'énergie qu'en mode ToF.

Facteurs environnementaux

Il existe de nombreux facteurs environnementaux, et les plus courants sont le positionnement intra-zone et le positionnement hors zone ;
Le TDoA étant basé sur la différence de temps d'arrivée du signal, il utilise généralement un algorithme hyperbolique après conversion de la différence de temps d'arrivée en différence de distance. Les limites de cet algorithme hyperbolique se traduisent par une précision de positionnement élevée dans la zone couverte par les ancres, et relativement faible en dehors de cette zone. Dans des environnements complexes tels que les centrales électriques, le déploiement du système est très complexe et il est difficile d'utiliser le positionnement TDoA pour répondre aux besoins de l'application. Dans ce mode, nous pouvons utiliser le ToF ou le TDoA combiné à l'AoA.

Chapitre 5

Solution de positionnement UWB basée sur LoRaWAN

Ce chapitre présente le dispositif associé et la théorie sur le fonctionnement du système.

  • Ancre UWB : Il diffuse des messages de balise pour la localisation avec des trackers. Fonctionne sur batterie, autonomie de 5 ans.
  • Suivi UWB : Il reçoit périodiquement des messages de balise et de télémétrie avec l'ancre. Alimenté par batterie.
  • Passerelle LoRaWAN : Il envoie des messages de balises à tous les ancres et trackers pour synchroniser l'horloge et recevoir des messages de distance des trackers.
  • Serveur: Utilisez les informations de distance et les coordonnées de l'ancre pour calculer la position des trackers comme expliqué dans Section 4.1Le serveur est également utilisé pour configurer l'ancre et le tracker, calibrer la position de l'ancre et agir comme moteur de positionnement.

Solution de positionnement UWB basée sur LoRaWAN

Chapitre 6

À propos de la télémétrie

Méthode de télémétrie

Dans le système de télémétrie, il existe deux méthodes de télémétrie : la télémétrie unilatérale bidirectionnelle (SS-TWR) et la télémétrie bilatérale bidirectionnelle (SD-TWR).

SS-TWR

Le principe de base de la télémétrie unilatérale bidirectionnelle est illustré à la figure 2 (Schéma du principe SS-TWR). L'appareil A envoie une impulsion à l'appareil B. Après une période Tround1, il reçoit l'impulsion renvoyée par l'appareil B. Supposons que le temps de vol soit Tprop, ce qui peut être calculé approximativement comme suit :

Schéma du principe SS-TWR
Schéma du principe SS-TWR

Étant donné que les appareils A et B utilisent des sources d’horloge indépendantes, les horloges auront un certain écart, ce qui est également inacceptable pour la vitesse de la lumière.

SD-TWR

La télémétrie bidirectionnelle double face est une méthode de télémétrie bidirectionnelle étendue. Elle enregistre deux horodatages aller-retour et obtient finalement le temps de vol. Bien qu'elle augmente le temps de réponse, elle réduit l'erreur de télémétrie. Comme l'illustre la figure 3 (Schéma du principe DS-TWR), les principes de base sont les suivants :

  1. L'appareil A envoie une impulsion à l'appareil B ;
  2. Une fois que l'appareil B reçoit l'impulsion, il attend Treply1 et renvoie une impulsion ;
  3. Après Tround1, l'appareil A reçoit l'impulsion de réponse envoyée par l'appareil B ;
  4. L'appareil A attend Treply2 puis envoie une autre impulsion à l'appareil B ;
  5. L'appareil B reçoit l'impulsion finale de A après Tround2.

Le schéma du principe DS-TWR
Figure 3 : Schéma du principe DS-TWR

La télémétrie DS-TWR est une communication supplémentaire basée sur la télémétrie SS-TWR, et le temps des deux communications peut annuler l'erreur causée par le décalage d'horloge.

L'erreur causée par l'horloge utilisant la méthode de télémétrie DS est :

horloge utilisant la méthode de télémétrie DS

L'erreur de cette méthode de télémétrie dépend principalement des facteurs suivants :

  1. L'erreur d'horloge des appareils A et B ;
  2. Le délai moyen de traitement de l'appareil.

En supposant que la précision de l'horloge des appareils A et B soit de 20 ppm (faible), et que 1 ppm soit un millionième, alors Ka et Kb sont soit égaux à 0,99998, soit à 1,00002, et ka et kb sont les rapports entre la fréquence réelle et la fréquence attendue des horloges des appareils A et B respectivement. Les appareils A et B sont distants de 100 m, et le temps de vol des ondes électromagnétiques est de 333 ns. L'erreur d'horloge est alors de 20*333*10^(-9) secondes et l'erreur de distance de 2,2 mm, ce qui peut être ignoré.

Analyse des erreurs de portée

Les facteurs qui conduisent à des erreurs de télémétrie sont les perturbations environnementales, l’occlusion du corps humain, l’occlusion d’objets métalliques, la précision temporelle et la granularité temporelle minimale.

Scénarios de télémétrie typiques

Pour répondre aux exigences des différents cas d'utilisation de télémétrie précise sans fil, il existe principalement trois modes : la télémétrie point à point, la télémétrie point à multipoint et la télémétrie en espace libre.

Ce qui suit présente principalement les deux modes de télémétrie point à multipoint et de télémétrie en espace libre.

Télémétrie point à multipoint

Il est principalement utilisé pour mesurer la distance entre deux appareils. Ce type de mesure est le plus simple, offre une meilleure précision et une grande commodité. La mesure de distance étant la fonction la plus basique, elle peut être intégrée à d'autres méthodes.

Certaines applications typiques sont :

  • Lorsqu'un véhicule roule, il a besoin de connaître sa position précise, ce qui peut être fait grâce à la mesure de la distance ;
  • Lorsqu'un détenu est en liberté conditionnelle pour un traitement médical, les gardiens de prison peuvent contrôler le détenu à une distance de sécurité grâce à une mesure précise de la distance, et les administrateurs peuvent également utiliser la plateforme pour empêcher le favoritisme ;
  • Mesure précise de la distance entre les drones et les personnes ;
  • Les groupes de touristes peuvent contrôler la distance entre chaque personne et le guide touristique via UWB pour garantir que personne ne se perde.

Télémétrie en espace libre

La télémétrie en espace libre est un mode de télémétrie relativement particulier. La principale raison est que toutes les cibles se déplacent dans l'espace. Avant chaque télémétrie, l'appareil doit connaître les conditions environnantes ; lorsque les cibles sont nombreuses, il est nécessaire de bien les répartir afin d'éviter les interférences et les écarts de portée.

La télémétrie en espace libre est principalement utilisée aux deux fins suivantes :

Un réseau de relations spatiales :

Par exemple, les formations de drones peuvent former un réseau auto-organisé basé sur la distance spatiale entre toutes les cibles. En l'absence de système GNSS, l'UWB peut être utilisée pour former un réseau spatial de relations de position de formation ;

Schéma du réseau de relations spatiales
Figure 4 Diagramme schématique du réseau de relations spatiales

Si ce système est appliqué dans le réseau Mesh de communication sans fil, il peut également fournir des paramètres de distance pour que Mesh prenne des décisions.

Anti-collision :

Par exemple, une locomotive de maintenance circulant sur une voie ferrée peut bénéficier d'une autre garantie basée sur cette mesure de distance dynamique.

Chapitre 7

Conception du schéma

Système anticollision et système de positionnement :

Le dispositif installé sur le système anticollision est une passerelle UWB, alimentée par une source externe. Le dispositif porté par les utilisateurs est un tracker UWB, alimenté par une batterie rechargeable.

Moteur de positionnement :

Ceci permet de calculer la position des dispositifs de positionnement. Le moteur de positionnement utilise la position relative de la passerelle sur la carte et la distance entre le tracker UWB et la passerelle pour déterminer la position du tracker UWB et les coordonnées de sortie.

Étalonnage de position :

Indiquez la position de la passerelle sur la carte, en indiquant notamment son origine et sa position. La passerelle doit être fixe et ne pas être déplacée arbitrairement.

Affichage de la carte :

Les clients peuvent télécharger leurs propres fichiers cartographiques et fournir les informations d'origine correspondantes lors de l'étalonnage de la position, et afficher la position en temps réel du dispositif de positionnement sur la carte plate.

Conception du système anticollision

Schéma fonctionnel du système anticollision
Figure 5 : Schéma fonctionnel du système anticollision

Informations du tracker UWB. Le tracker UWB mesure la distance toutes les 4 secondes. À l'approche de la passerelle, il mesure la distance toutes les secondes pour économiser l'énergie et prolonger l'autonomie en veille.

La passerelle dispose d'une interface d'E/S avec isolation par optocoupleur. Lorsque la distance entre le tracker UWB et la passerelle est inférieure à 3 mètres, la passerelle délivre une puissance de sortie élevée. L'interface d'E/S isolée peut être connectée à une alarme sonore et lumineuse externe.

La division de la zone est indiquée dans Figure 6 : Division de la zone du système anticollision. (page suivante)

Division de la zone du système anticollision
Figure 6 : Division de la zone du système anticollision

Conception du schéma du système de positionnement

Schéma fonctionnel du système de positionnement
Figure : 7 Schéma fonctionnel du système de positionnement

La passerelle et le tracker UWB sont tous deux équipés de modules UWB et LoRa. Le module UWB sert à la mesure de distance et au positionnement. Le module LoRa est…

Le tracker UWB transmet la distance entre le tracker UWB et la passerelle, l'ID et d'autres paramètres au système d'application via LoRa.

Le système d'application comprend trois modules logiciels : moteur de positionnement, affichage cartographique et étalonnage de la position. Ces modules logiciels doivent fonctionner sous Linux. Une machine virtuelle Linux peut également être installée sur un système Windows. L'environnement Linux nécessite au moins 8 Go de mémoire et 20 Go d'espace disque.

Flux de travail du système

Flux de travail du système anticollision :

  1. La passerelle utilise une alimentation externe, elle est donc toujours prête à tester les données.
  2. La passerelle et le tracker UWB utilisent DS-TWR pour la mesure de distance.
  3. Le tracker UWB mesure périodiquement (4 s) la distance avec la passerelle.
  4. Le tracker UWB détecte une passerelle à proximité et mesure la distance avec elle, puis modifie son propre cycle de mesure de distance à 1 s.
  5. La passerelle émet un signal d'alarme (alarme sonore et lumineuse) en fonction de la distance du tracker UWB.

Flux de travail du système de positionnement :

  1. Exécutez le logiciel d’étalonnage de position pour étalonner la position d’installation réelle de la passerelle.
  2. Exécutez le logiciel du moteur de positionnement pour calculer les informations de localisation du tracker UWB en fonction de la distance entre le tracker UWB et la passerelle.
  3. La passerelle et le tracker UWB utilisent DS-TWR pour la mesure de distance.
  4. Le tracker UWB mesure périodiquement la distance avec plusieurs passerelles à proximité.
  5. Le tracker UWB envoie la distance de plusieurs passerelles au moteur de positionnement sous la forme de LoRa.
  6. Les informations de localisation calculées par le moteur de positionnement sont envoyées au logiciel d'affichage de la carte pour affichage.

Calcul de positionnement

Le moteur de positionnement peut calculer les informations de position du tracker UWB en fonction de la distance entre la passerelle et le tracker UWB et des coordonnées de position de la passerelle avec triangulation, comme indiqué dans Calcul de position Triangulation.

Positionnement bidimensionnel UWB
Figure 8 : Calcul de position - Triangulation

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Pour nous aider à mieux comprendre vos besoins, veuillez essayer de fournir les détails suivants sur votre projet :

  1. Où la solution de positionnement sera-t-elle déployée ?
    (entrepôt, immeuble de bureaux, environnement extérieur, etc.)
  2. Quels objets devez-vous suivre ?
    (équipement, personnel, véhicules, inventaire, etc.)
  3. Quelle est la portée de couverture attendue pour le scénario ?
    (dans une seule pièce, sur plusieurs étages, sur un grand campus, etc.)
  4. Quelles sont vos exigences en matière de consommation énergétique ?
    (fonctionnement sur batterie, longue durée de vie de la batterie, charge fréquente, etc.)
  5. Y a-t-il des facteurs environnementaux spécifiques que nous devrions prendre en compte ?
    (température, humidité, interférence d'autres signaux, etc.)
  6. Avez-vous des besoins d’intégration particuliers ?
    (intégration avec des plateformes existantes/auto-développées, etc.)
  7. Quel est votre calendrier préféré pour la mise en œuvre de la solution ?
    (urgent, dans un délai de 1 à 3 mois, flexible, etc.)

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