Tecnologia di posizionamento UWB
Questo whitepaper introduce principalmente il principio, la selezione dello schema e i metodi di implementazione
della tecnologia di posizionamento a banda ultralarga UWB in diversi scenari applicativi.
Attualmente, le principali tecnologie di posizionamento possono essere suddivise in quattro tipologie in base ai loro principi:
Suono, Luce, Elettromagnetismo e UWB
Questo documento di progettazione elenca i principali vantaggi e svantaggi di ciascun principio dopo un'analisi di base. Il documento illustra principalmente la progettazione del sistema e il metodo di implementazione dell'utilizzo della tecnologia di posizionamento a banda ultralarga UWB per il posizionamento.
Capitolo 1
Principio di posizionamento
In linea di principio, gli attuali metodi di posizionamento includono principalmente suono, luce, elettricità e magnetismo. Esiste anche la navigazione inerziale, ma poiché la tecnologia non è sufficientemente matura e gli scenari applicativi sono limitati, non verrà discussa in questa sede.
Suono
Misura principalmente la distanza registrando il tempo di volo delle onde ultrasoniche nell'aria. Un trasmettitore tipico è un altoparlante e il ricevitore è un microfono (come un telefono cellulare). Il trasmettitore invia informazioni fisse e il ricevitore calcola il tempo di trasmissione dei dati e lo converte in distanza. Quindi, esegue il posizionamento utilizzando metodi a due o tre punti.
Vantaggi:
Ha un'altissima precisione di posizionamento, che raggiunge il centimetro. Ha anche una struttura relativamente semplice, una certa capacità di penetrazione e una forte capacità anti-interferenza dell'onda ultrasonica stessa.
Svantaggi:
L'attenuazione dell'aria è elevata e non è adatta per eventi su larga scala; l'effetto multipath e la propagazione fuori dalla linea di vista causano errori significativi nella misurazione della riflessione, rendendo necessaria un'analisi e un calcolo accurati delle strutture hardware sottostanti; inoltre, il costo è troppo elevato.
Ambito di applicazione:
La tecnologia di posizionamento a ultrasuoni è ampiamente utilizzata nelle penne digitali e nell'esplorazione offshore. Questa tecnologia di posizionamento indoor viene utilizzata anche per il posizionamento di oggetti in officine automatizzate.
Posizionamento della luce visibile
Questa tecnologia può essere sviluppata6 con luci a LED. Le luci emettono segnali lampeggianti ad alta frequenza. Dopo averli ricevuti, il ricevitore calcola il tempo di volo per misurare la distanza e quindi ottiene le informazioni sulla posizione.
Vantaggi:
Ampia gamma dinamica, in grado di comunicare ad alta velocità .
Svantaggi:
A causa della breve lunghezza d'onda della luce e della scarsa capacità di diffrazione, è facile che venga bloccata. Un'altra possibilità è quella di utilizzare il riconoscimento delle immagini per confrontare le informazioni tempestive con quelle presenti nel database per il posizionamento. Lo svantaggio è che l'elaborazione delle immagini richiede molto tempo e il consumo energetico è elevato.
Posizionamento del campo magnetico
La Terra stessa è un magnete gigante, che crea un campo magnetico fondamentale tra i poli geografici nord e sud. Tuttavia, il campo magnetico terrestre può essere disturbato da oggetti metallici, soprattutto negli edifici con strutture in cemento armato. I materiali da costruzione (strutture metalliche) interferiscono e distorcono il campo magnetico originale, conferendo a ogni edificio una struttura magnetica unica. In altre parole, all'interno degli edifici si forma un campo magnetico interno regolare.
Raccogliendo in anticipo le informazioni sul campo magnetico e confrontandole con quelle raccolte dal magnetometro di un localizzatore (come un telefono cellulare), possiamo ottenere informazioni precise sulla posizione. Teoricamente, la differenza di campo magnetico in diverse posizioni è dell'ordine dei microsecondi, un valore non rilevabile dai normali strumenti di misurazione. Tuttavia, questo campo magnetico interno distorto dall'interferenza dell'edificio amplifica la differenza del segnale magnetico, rendendo possibile l'acquisizione di dati magnetici in ambienti chiusi e migliorando indirettamente la precisione di posizionamento. Poiché il modello di campo magnetico di ogni piccolo spazio della stanza è unico, il telefono cellulare può essere posizionato con precisione confrontando le caratteristiche del campo magnetico dell'area con il database del campo magnetico nel sistema, solitamente con una precisione di circa 2 metri.
Tuttavia, se la disposizione degli edifici vicini cambia, ad esempio a causa del movimento dei veicoli, anche il campo magnetico varierà e la precisione sarà difficile da valutare. Questo metodo richiede una frequente calibrazione del campo magnetico e non è raccomandato.
Posizionamento delle onde elettromagnetiche
Potenza del segnale
Un'applicazione tipica è un localizzatore Bluetooth + gateway Bluetooth, che può essere localizzato calcolando la potenza del segnale. Sia il sistema B-Fixed che il sistema B-Mobile della nostra azienda utilizzano questo schema. I suoi principali vantaggi sono il basso costo e la semplicità di configurazione, ma la precisione è di soli 2-3 metri al massimo. Viene utilizzato principalmente per il posizionamento regionale di risorse e personale.
AoA
Di solito si parla di tecnologia Bluetooth Angle of Arrive.
Vantaggio:
Basso costo del terminale, necessità di implementare un solo gateway e alta precisione di posizionamento.
Svantaggi:
Copertura limitata e raggio di copertura pari all'altezza del gateway. Il gateway deve essere posizionato con precisione e non può essere scosso durante l'uso. In caso contrario, l'effetto di posizionamento verrà compromesso.
UWB
La DARPA e la FCC hanno proposto definizioni diverse per UWB, ma solo con sottili differenze nei parametri.
Specifiche degli impulsi stretti in banda base UWB:
IR-UWB (Radio a impulsi-UWB):
Trasmette direttamente attraverso l'antenna senza modulare l'onda sinusoidale. Questo tipo di sistema è semplice, in tempo reale, economico, a basso consumo, anti-multipath e con un'ottima penetrazione. È stato successivamente adottato dallo standard 802.15.4a.
Modulazione portante passa-banda:
DS-UWB (Direct Sequence Code Division Multiple Access) e MB-UWB (Multiple Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing).
Tra questi, IR-UWB definisce due livelli fisici nella specifica IEEE 802.15.4a-2007: uno è la tecnologia CSS (fornita dalla tedesca Nanotron, che lavora a 2,4 G, tecnologia di posizionamento a banda stretta) e l'altro è la tecnologia IR-UWB.
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Struttura del carico utile UWB:
Modulazione
BPM-BPSK:
Combina BPM (modulazione di posizione burst) e BPSK (Binary Phase Shift Keying).
Banda di frequenza/canale di lavoro:
La tabella di distribuzione della banda di frequenza disponibile a livello globale è la seguente
Divisione Canale
La divisione dei canali prevede due tipi di canali: 500 MHz e 1 GHz. Attualmente, vengono utilizzati principalmente i canali da 500 MHz, ovvero i canali 1, 2, 3 e 5.
Potenza di uscita e regolazioni:
Secondo le normative FCC, il limite massimo è -41 dBm/MHz.
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Le regole del potere in Cina:
Capitolo 2
Tecnologie di posizionamento a confronto
Confronto tra posizionamento UWB e posizionamento AoA Bluetooth
Confronto tra posizionamento UWB-AoA e Bluetooth AoA
Confronto dei principi:
Bluetooth AoA:
Questo metodo misura solo l'angolo del segnale da un singolo gateway, non la distanza. Presuppone inoltre che l'altezza del tracker sia fissa e proietta la sua posizione dall'intersezione angolo-altezza. Sollevare e abbassare il tracker può compromettere seriamente la precisione del posizionamento.
UWB-AoA:
Questo metodo misura sia l'angolo che la distanza con una precisione centimetrica, il che lo rende più preciso. Può anche localizzare il tracker in tre dimensioni.
Confronto delle antenne:
Bluetooth AoA:
Questo metodo utilizza un array di antenne, solitamente composto da 16 o 64 antenne, e commutatori RF per calcolare l'angolo di arrivo e la distanza del segnale da più tempi di arrivo. La complessa progettazione dell'array di antenne impedisce la miniaturizzazione del gateway Bluetooth AoA. Il gateway presenta inoltre rigorosi requisiti di installazione e un'area di copertura limitata, pari a circa 1-2 volte il raggio di altezza.
UWB-AoA:
Questo metodo utilizza solitamente due antenne e il metodo di differenza di fase PDoA per calcolare l'angolo ottimale. PDoA richiede che la distanza tra le due antenne riceventi sia espressa in lunghezza d'onda, ovvero λ/2. Per il canale 5 (6489,6 MHz), le antenne di ancoraggio sono distanti 2,08 cm, mentre per il canale 9 sono ancora più vicine. Ciò consente la miniaturizzazione di PDoA, che può essere utilizzata in scenari come smartphone, serrature intelligenti e controller per la domotica.
Capitolo 3
Tecnologia UWB
Caratteristiche UWB
- UWB copre 3G~5G, 6G~10G, un totale di bande di frequenza 7G e ha un singolo canale
larghezza di banda superiore a 500 MHz. - Bassa potenza. Secondo la FCC e altre normative, la sua potenza di uscita è limitata a -41 dBm/MHz. Basata su un singolo canale da 500 MHz, la sua potenza di canale è di -14,3 dBm.
- L'impulso ultrabreve, della durata di pochi decimi di nanosecondo.
- Penetrazione del muro: può penetrare efficacemente i muri, ma causerà una certa attenuazione del segnale.
La tabella seguente mostra l'attenuazione del segnale causata dalla penetrazione nella parete quando si lavora sul canale 2 (con 4 GHz come frequenza centrale).
Identificazione multipercorso
Le onde elettromagnetiche possono viaggiare direttamente dal trasmettitore al ricevitore, oppure possono essere riflesse verso il bersaglio. Nella comunicazione a banda stretta, solitamente viene elaborato il segnale con la maggiore intensità , che potrebbe non essere il primo segnale ad arrivare.
Nella comunicazione UWB, il primo segnale in arrivo (First Path) può essere identificato con precisione in base alla differenza di tempo. Tuttavia, quando arriva direttamente o penetrante, possiamo solo presumere che il primo segnale multipath sia il segnale diretto di cui abbiamo bisogno.
Come tutte le altre onde elettromagnetiche, la UWB non può penetrare il metallo.
Precisione
L'accuratezza riguarda principalmente tre aspetti: accuratezza della misurazione della distanza, accuratezza della sincronizzazione temporale e accuratezza del posizionamento. L'accuratezza della misurazione della distanza è influenzata principalmente da due fattori: l'algoritmo di misurazione della distanza e l'accuratezza dell'orologio utilizzato.
- Precisione della misurazione: DS-TWR riduce al minimo l'errore causato dalla deviazione dell'orologio.
- Precisione della sincronizzazione temporale: Nel sistema di misurazione della distanza, un oscillatore a cristallo compensato in temperatura (TCXO) con clock da 0,5 PPM
può essere utilizzato per ottenere una maggiore precisione. La precisione della misurazione può essere controllata entro 10 cm.
La precisione può essere migliorata utilizzando TCXO.In un sistema di posizionamento wireless UWB, sono supportati sia il ranging che il TDoA. Nel TDoA, tutti i gateway di posizionamento devono essere sincronizzati in modalità wireless. Il sistema ha una precisione di sincronizzazione di 0,3 ns.
Rispetto al metodo di sincronizzazione cablato, un sistema wireless è molto più semplice e può essere espanso senza limiti, senza essere vincolato dalla distanza cablata. Semplifica inoltre la difficoltà di implementazione del progetto.
- Precisione di posizionamento: Ha una precisione di 30 cm. La precisione di posizionamento del sistema è influenzata da vari
fattori ambientali, non solo la precisione di misurazione della distanza di 10 cm. La precisione di posizionamento di 10 cm può essere raggiunta solo in un ambiente ideale, senza alcuna interferenza in laboratorio. Qualsiasi disturbo del segnale può causare deviazioni al sistema.
Capitolo 4
Informazioni sul posizionamento
Caratteristiche UWB
La dimensione di posizionamento viene scelta in base al caso d'uso e alla situazione in loco. La scena a zero dimensioni viene utilizzata principalmente per il rilevamento di ingressi e uscite. La scena unidimensionale è principalmente una scena con un rapporto d'aspetto sproporzionato, come una scena di tunnel, e funziona anche in una fabbrica. In una scena unidimensionale, il bersaglio posizionato sarà allineato a una linea. La scena 2D serve a localizzare le coordinate XY senza informazioni sull'altezza, mentre la scena 3D ha informazioni sull'altezza. Tuttavia, richiede che l'ancoraggio abbia una differenza di altezza durante l'installazione del sistema per garantire una certa precisione dell'asse Z.
Zero-Dimensionale
Nel posizionamento UWB, per ottenere un posizionamento a zero dimensionale migliore si ricorre generalmente al ranging, che viene utilizzato per limitare la distanza, ad esempio la distanza di un dispositivo da un punto di ancoraggio. Si considera che sia entrato nell'area a zero dimensionale.
Monodimensionale
Il posizionamento unidimensionale può essere ottenuto utilizzando la tecnologia ToF, TDoA o AoA combinata.
Anche quando il tracker UWB non si trova sulla linea retta che collega i due ancoraggi, può trovarsi su quella linea retta.
Posizione attuale:
Risultato del posizionamento:
Bidimensionale
Il posizionamento bidimensionale mostrerà le coordinate XY della posizione di destinazione. Se gli ancoraggi sono installati alla stessa altezza, i risultati del posizionamento non saranno influenzati dall'altezza di installazione dei tracker.
Tridimensionale
Il risultato del posizionamento tridimensionale sono le coordinate XYZ del bersaglio. Esistono due metodi per ottenere questo risultato. Uno si basa sulla misurazione della distanza, che richiede una differenza di altezza tra gli ancoraggi. L'altro si basa sull'AoA, che richiede un'elevata risoluzione angolare sull'asse Z per garantire la precisione della coordinata Z.
Metodo di posizionamento
Attualmente, il posizionamento UWB utilizza principalmente il metodo TOF ranging, il metodo TDoA e il posizionamento AoA. I primi due metodi funzionano indipendentemente, mentre il secondo metodo AoA è solitamente combinato con ToF o TDoA.
Posizionamento ToF
Il posizionamento ToF si basa sulla distanza. Il tracker UWB avvia la distanza con ogni ancora da posizionare. Una volta completata la distanza, viene calcolata la posizione. Per la modalità zero dimensionale, è necessario effettuare la distanza con una sola ancora, per la modalità unidimensionale, è necessario effettuare la distanza con almeno due ancora, per la modalità bidimensionale, in genere sono necessarie tre o più ancora per la distanza, ma in alcune modalità speciali, due ancora sono sufficienti. Per la modalità tridimensionale, è necessario effettuare la distanza con quattro ancora.
Nei casi unidimensionali, l'ancoraggio viene posizionato in alto e si procede con un solo ancoraggio per ottenere un posizionamento unidimensionale.
Nei casi unidimensionali, è possibile misurare la distanza con solo due ancore:
Posizionamento bidimensionale:
Posizionamento TDoA
Il posizionamento TDoA consiste nel determinare la posizione del bersaglio rilevando la differenza temporale assoluta tra l'arrivo dei segnali a due ancore o a diverse unità antenna, anziché il tempo di volo di arrivo. Questo riduce i requisiti di sincronizzazione temporale tra la sorgente del segnale e ciascuna ancora di monitoraggio, ma aumenta i requisiti di sincronizzazione temporale tra le ancore. È possibile rilevare due TDoA utilizzando tre ancore diverse e il localizzatore mobile si trova all'intersezione delle iperboli definite dalle due TDoA.
Il vantaggio del TDoA è che il numero di comunicazioni per un posizionamento è significativamente ridotto e offre anche una maggiore precisione rispetto al ToA. Tuttavia, questo tipo di posizionamento dipende dalla propagazione delle onde e l'errore di clock intrinseco di 1 ns può causare un errore di distanza di 30 cm. Pertanto, i clock di ciascuna ancora devono essere rigorosamente sincronizzati. Ed è molto costoso costruire un sistema di sincronizzazione preciso con spaziature relativamente ampie.
Esistono due tipi di sincronizzazione temporale:
Una soluzione è quella di utilizzare connessioni cablate, che possono raggiungere una precisione di sincronizzazione di 0,1 ns, ma aumentano la complessità e i costi di manutenzione e costruzione della rete. Inoltre, richiedono un cavo dedicato (ad esempio Ethernet) per sincronizzare l'orologio, il che è altrettanto costoso.
L'altra è la connessione wireless, che può raggiungere una precisione di sincronizzazione di 0,25 ns, leggermente inferiore a quella cablata, ma il sistema è relativamente semplice. Il gateway di posizionamento necessita solo di alimentazione e il ritorno dei dati può avvenire tramite WiFi, LoRa o Ethernet, il che riduce efficacemente i costi.
Posizionamento AoA
Il posizionamento dell'angolo di arrivo (AoA) si basa generalmente sulla differenza di fase tra i segnali, ma non viene spesso utilizzato da solo perché l'AoA presenta un problema di risoluzione angolare, il che significa che la precisione del posizionamento peggiora all'aumentare della distanza dall'ancora.
L'AoA può essere utilizzato insieme al Time of Flight (ToF) per il posizionamento. In questa modalità , possiamo utilizzare un'ancora per il posizionamento.
È anche possibile che due ancore raggiungano il posizionamento tramite AoA
Modalità di posizionamento e consumo energetico
Confronteremo principalmente il consumo energetico delle modalità ToF e TDoA. Nella modalità ToF, il tracker UWB misura la distanza con ciascuna ancora separatamente e richiede più classificazioni. Generalmente, un rilevamento richiede più di 5 ms. Per il posizionamento TDoA, il tracker UWB deve solo inviare un messaggio per completare il posizionamento. Generalmente, impiega meno di 0,5 ms dalla preparazione all'invio e consuma molta meno energia rispetto alla modalità ToF.
Fattori ambientali
Esistono molti fattori ambientali e i più tipici sono il posizionamento intra-area e il posizionamento fuori area;
Poiché il TDoA si basa sulla differenza di tempo di arrivo del segnale, solitamente utilizza un algoritmo iperbolico, che viene generalmente utilizzato dopo aver convertito la differenza di tempo di arrivo in una differenza di distanza. Il limite dell'algoritmo iperbolico determina che la precisione di posizionamento è elevata nell'area coperta dalle ancore, mentre è relativamente scarsa al di fuori di tale area. In ambienti complessi come le centrali elettriche, il sistema incontra grandi difficoltà di implementazione ed è difficile utilizzare il posizionamento TDoA per soddisfare le esigenze applicative. In questa modalità , possiamo utilizzare il ToF o il TDoA combinato con l'AoA.
Capitolo 5
Soluzione di posizionamento UWB basata su LoRaWAN
In questo capitolo vengono presentati il dispositivo correlato e la teoria sul funzionamento del sistema.
- Ancora UWB: Promuove messaggi di localizzazione tramite localizzatore. Alimentato a batteria, durata della batteria 5 anni.
- Tracciatore UWB: Riceve periodicamente messaggi radio e si collega all'ancora. Alimentato a batteria.
- Gateway LoRaWAN: Invia messaggi beacon a tutte le ancore e ai tracker per sincronizzare l'orologio e ricevere messaggi di distanza dai tracker.
- Server: Utilizzare le informazioni sulla distanza e le coordinate dell'ancora per calcolare la posizione dei tracker come spiegato in Sezione 4.1Il server viene utilizzato anche per configurare l'ancora e il tracker, calibrare la posizione dell'ancora e fungere da motore di posizionamento.
Capitolo 6
Informazioni sulla gamma
Metodo di misurazione
Nel sistema di misurazione della distanza, esistono due metodi: misurazione della distanza bidirezionale unilaterale (SS-TWR) e misurazione della distanza bidirezionale bilaterale (SD-TWR).
SS-TWR
Il principio di base del Single-sided Two-Way Ranging è illustrato nella Figura 2, schema del principio SS-TWR. Il dispositivo A invia un impulso al dispositivo B. Dopo un periodo di Tround1, riceve l'impulso restituito dal dispositivo B. Si supponga che il tempo di volo sia Tprop, che può essere calcolato approssimativamente come:
Poiché il dispositivo A e il dispositivo B utilizzano sorgenti di clock indipendenti, i clock presenteranno una certa deviazione, inaccettabile anche per la velocità della luce.
SD-TWR
Il metodo di misurazione bidirezionale bidirezionale (Double-sided Two-Way Ranging) è un metodo di misurazione bidirezionale bidirezionale lato segnale. Registra due timestamp di andata e ritorno e infine calcola il tempo di volo. Sebbene aumenti il tempo di risposta, riduce l'errore di misurazione. Come mostrato nella Figura 3, diagramma schematico del principio DS-TWR, i principi di base sono i seguenti:
- Il dispositivo A invia un impulso al dispositivo B;
- Dopo che il dispositivo B riceve l'impulso, ritarda per Treply1 e invia indietro un impulso;
- Dopo Tround1, il dispositivo A riceve l'impulso di risposta inviato dal dispositivo B;
- Il dispositivo A ritarda Treply2 e poi invia un altro impulso al dispositivo B;
- Il dispositivo B riceve l'impulso finale da A dopo Tround2.
La misurazione della distanza DS-TWR è una comunicazione aggiuntiva basata sulla misurazione della distanza SS-TWR e il tempo delle due comunicazioni può annullare l'errore causato dall'offset dell'orologio.
L'errore causato dall'orologio che utilizza il metodo di misurazione della distanza DS è:
L'errore di questo metodo di misurazione dipende principalmente dai seguenti fattori:
- L'errore di clock dei dispositivi A e B;
- Tempo medio di ritardo nell'elaborazione del dispositivo.
Supponendo che la precisione dell'orologio dei dispositivi A e B sia di 20 ppm (scarsa) e che 1 ppm sia un milionesimo, allora Ka e Kb sono 0,99998 o 1,00002, e ka e kb sono i rapporti tra la frequenza effettiva e quella prevista dell'orologio dei dispositivi A e B, rispettivamente. I dispositivi A e B distano 100 m e il tempo di propagazione delle onde elettromagnetiche è di 333 ns. Quindi, l'errore causato dall'orologio è di 20*333*10^(-9) secondi e l'errore di misurazione è di 2,2 mm, che può essere ignorato.
Analisi degli errori di intervallo
I fattori che causano errori di misurazione sono disturbi ambientali, occlusione del corpo umano, occlusione di oggetti metallici, precisione temporale e granularità temporale minima.
Scenari tipici di distanza
Per soddisfare i requisiti dei diversi casi d'uso di misurazione precisa della distanza wireless, sono disponibili principalmente tre modalità : misurazione punto-punto, misurazione punto-multipunto e misurazione in spazio libero.
Di seguito vengono presentate principalmente le due modalità di misurazione della distanza punto-multipunto e della distanza in spazio libero.
Misurazione della distanza punto-multipunto
Viene utilizzato principalmente per la misurazione della distanza tra due dispositivi. Questo tipo di misurazione della distanza è il più semplice, con maggiore precisione e grande praticità . Poiché la misurazione della distanza è la funzione più elementare, può essere integrata con altri metodi.
Alcune applicazioni tipiche sono:
- Quando un veicolo è in movimento, ha bisogno di conoscere la sua posizione precisa, cosa che può essere fatta tramite la misurazione della distanza;
- Quando un detenuto è in libertà vigilata per cure mediche, le guardie carcerarie possono controllare il detenuto entro una distanza di sicurezza attraverso una misurazione accurata della distanza, e gli amministratori possono anche utilizzare la piattaforma per prevenire favoritismi;
- Misurazione precisa della distanza tra droni e persone;
- I gruppi turistici possono controllare la distanza tra ogni persona e la guida turistica tramite UWB, per garantire che nessuno si perda.
Rangeing nello spazio libero
La misurazione della distanza in spazio libero è una modalità di misurazione relativamente speciale. Il motivo principale è che tutti i bersagli si muovono nello spazio. Prima di ogni misurazione, il dispositivo deve conoscere le condizioni circostanti; quando ci sono molti bersagli, è necessario allocarli correttamente per evitare interferenze reciproche e impedire che si misurino.
La misurazione della distanza nello spazio libero viene utilizzata principalmente per i due scopi seguenti:
Una rete di relazioni spaziali:
Ad esempio, le formazioni di droni possono formare una rete auto-organizzante basata sulla distanza spaziale tra tutti i bersagli. In assenza di un sistema GNSS, la banda ultralarga (UWB) può essere utilizzata per formare una rete spaziale di relazioni di posizione tra le formazioni;
Se questo sistema viene applicato alla rete Mesh di comunicazione wireless, può anche fornire parametri di distanza affinché Mesh prenda decisioni.
Anti-collisione:
Ad esempio, una locomotiva di manutenzione che circola su un binario ferroviario può avere un'ulteriore garanzia basata su questa misurazione dinamica della distanza.
Capitolo 7
Progettazione dello schema
Sistema anticollisione e sistema di posizionamento:
Il dispositivo installato sul sistema anticollisione è definito gateway UWB, che può essere alimentato tramite alimentazione esterna. Il dispositivo indossato dagli utenti è un tracker UWB, alimentato da una batteria ricaricabile.
Motore di posizionamento:
Serve a calcolare la posizione dei dispositivi di posizionamento. Il motore di posizionamento utilizza la posizione relativa del gateway sulla mappa e la distanza tra il tracker UWB e il gateway per determinare la posizione del tracker UWB e le coordinate di posizione in uscita.
Calibrazione della posizione:
Indicare la posizione del gateway sulla mappa, ad esempio contrassegnando l'origine e la posizione del gateway. Il gateway deve essere fisso e non spostato arbitrariamente.
Visualizzazione della mappa:
I clienti possono caricare i propri file di mappa e fornire le informazioni di origine corrispondenti nella calibrazione della posizione, nonché visualizzare la posizione in tempo reale del dispositivo di posizionamento sulla mappa piana.
Progettazione dello schema del sistema anticollisione
Informazioni del tracker UWB. Il tracker UWB rileva la distanza ogni 4 secondi. Quando ci si avvicina al gateway, il tracker misura la distanza ogni 1 secondo per risparmiare energia e prolungare il tempo di standby.
Il gateway è dotato di un'interfaccia IO con isolamento tramite optoaccoppiatore. Quando la distanza tra il tracker UWB e il gateway è inferiore a 3 metri, il gateway eroga una potenza di uscita elevata. L'IO isolato può essere collegato a un allarme acustico e luminoso esterno.
La divisione dell'area è mostrata in Figura 6: Divisione dell'area del sistema anticollisione. (pagina successiva)
Progettazione dello schema del sistema di posizionamento
Sia il gateway che il tracker UWB sono dotati di moduli UWB e LoRa. Il modulo UWB è per la misurazione della distanza e il posizionamento. Il modulo LoRa è...
Il tracker UWB trasmette la distanza tra il tracker UWB e il gateway, l'ID e altri parametri al sistema applicativo tramite LoRa.
Il sistema applicativo è composto da tre moduli software: motore di posizionamento, visualizzazione della mappa e calibrazione della posizione. Questi moduli software devono essere eseguiti in un ambiente Linux, oppure è possibile installare una macchina virtuale Linux in un sistema operativo Windows. L'ambiente Linux richiede almeno 8 GB di memoria e 20 GB di disco rigido.
Flusso di lavoro del sistema
Flusso di lavoro del sistema anticollisione:
- Il gateway utilizza un alimentatore esterno, quindi è sempre pronto a testare i dati.
- Il gateway e il tracker UWB utilizzano DS-TWR per la misurazione della distanza.
- Il tracker UWB misura periodicamente (4s) la distanza con il gateway.
- Il tracker UWB rileva un gateway nelle vicinanze e misura la distanza con esso, quindi modifica il proprio ciclo di misurazione della distanza in 1 s.
- Il gateway emette un segnale di allarme (allarme acustico e luminoso) in base alla distanza dal tracker UWB.
Flusso di lavoro del sistema di posizionamento:
- Eseguire il software di calibrazione della posizione per calibrare la posizione di installazione effettiva del gateway.
- Eseguire il software del motore di posizionamento per calcolare le informazioni sulla posizione del tracker UWB in base alla distanza tra il tracker UWB e il gateway.
- Il gateway e il tracker UWB utilizzano DS-TWR per la misurazione della distanza.
- Il tracker UWB misura periodicamente la distanza con più gateway nelle vicinanze.
- Il tracker UWB invia la distanza da più gateway al motore di posizionamento sotto forma di LoRa.
- Le informazioni sulla posizione calcolate dal motore di posizionamento vengono inviate al software di visualizzazione della mappa per la visualizzazione.
Calcolo del posizionamento
Il motore di posizionamento può calcolare le informazioni sulla posizione del tracker UWB in base alla distanza tra il gateway e il tracker UWB e le coordinate di posizione del gateway con triangolazione, come mostrato in Triangolazione del calcolo della posizione.
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