UWB 위치 지정 기술
본 백서에서는 주로 원리, 계획 선택 및 구현 방법을 소개합니다.
다양한 응용 시나리오에서 UWB 초광대역 위치 지정 기술을 활용하는 방법.
현재 주류를 이루는 위치 지정 기술은 그 원리에 따라 크게 네 가지 유형으로 나눌 수 있다.
소리, 빛, 전자기 및 UWB
본 설계 문서는 기본 분석 후 각 원리의 주요 장단점을 나열합니다. 본 문서는 주로 UWB 초광대역 측위 기술을 이용한 측위 시스템 설계 및 구현 방법을 설명합니다.
제1장
포지셔닝 원리
원칙적으로 현재 위치 측정 방법은 주로 소리, 빛, 전기, 자기를 이용합니다. 관성 항법도 있지만, 기술이 아직 성숙되지 않았고 적용 범위가 제한적이므로 여기서는 다루지 않습니다.
소리
주로 공기 중 초음파의 비행 시간을 수집하여 거리를 측정합니다. 일반적인 송신기는 스피커이고 수신기는 마이크(예: 휴대폰)입니다. 송신기는 고정된 정보를 전송하고, 수신기는 데이터의 전송 시간을 계산하여 거리로 변환합니다. 그런 다음 2점 또는 3점 측위 방식을 사용하여 측위를 수행합니다.
장점:
센티미터급의 매우 높은 위치 정확도를 자랑합니다. 또한, 비교적 간단한 구조와 일정한 침투력, 그리고 초음파 자체의 강력한 간섭 방지 능력을 갖추고 있습니다.
단점:
공기 감쇠가 높아 대규모 이벤트에 적합하지 않으며, 다중 경로 효과와 비가시선 전파로 인해 반사 거리 측정에 상당한 오류가 발생하여 기반 하드웨어 시설에 대한 정확한 분석과 계산이 필요하고 비용이 너무 높습니다.
적용 범위:
초음파 위치 결정 기술은 디지털 펜과 해양 탐사에 널리 사용됩니다. 이 실내 위치 결정 기술은 무인 작업장의 물체 위치 결정에도 사용됩니다.
가시광선 위치 지정
이 기술은 LED 조명을 사용하여 개발될 수 있습니다. 조명은 고주파 점멸 신호를 방출합니다. 수신기는 이를 수신하여 비행 시간을 계산하고 거리를 측정하여 위치 정보를 얻습니다.
장점:
넓은 동적 범위로 고속 통신이 가능합니다.
단점:
빛의 파장이 짧고 회절 능력이 약하기 때문에 막히기 쉽습니다. 다른 하나는 이미지 인식을 사용하여 적시에 제공되는 이미지 정보를 데이터베이스의 정보와 비교하여 위치를 파악하는 것입니다. 단점은 이미지 처리에 시간이 오래 걸리고 전력 소비가 크다는 것입니다.
자기장 위치 지정
지구 자체는 거대한 자석으로, 지리적 북극과 남극 사이에 근본적인 자기장을 형성합니다. 그러나 이 지구 자기장은 금속 물체, 특히 철근 콘크리트 구조물이 있는 건물에 의해 교란될 수 있습니다. 건축 자재(금속 구조물)는 원래 자기장을 방해하고 왜곡시켜 각 건물마다 고유한 자기적 질감을 갖게 합니다. 즉, 건물 내부에는 규칙적인 실내 자기장이 형성됩니다.
자기장 정보를 미리 수집하여 추적기(예: 휴대폰)의 자력계에서 수집된 정보와 비교함으로써 정확한 위치 정보를 얻을 수 있습니다. 이론적으로 각 위치의 자기장 차이는 마이크로초 단위로, 일반적인 측정 도구로는 감지할 수 없습니다. 하지만 건물의 간섭으로 인해 왜곡된 실내 자기장은 자기 신호 차이를 증폭시켜 실내 자기 데이터 수집을 가능하게 하고, 간접적으로 위치 정확도를 향상시킵니다. 실내 각 공간의 자기장 패턴은 고유하기 때문에, 휴대폰은 해당 지역의 자기장 특성을 시스템 내 자기장 데이터베이스와 매칭하여 정확한 위치 정보를 얻을 수 있으며, 일반적으로 약 2미터의 정확도를 보입니다.
하지만 주변 건물의 배치가 바뀌거나 차량 이동 등 주변 환경이 변화하면 자기장도 변하게 되어 정확도를 평가하기 어렵습니다. 이 방법은 자기장을 자주 보정해야 하므로 권장되지 않습니다.
전자파 위치 결정
신호 강도
일반적인 응용 분야는 블루투스 추적기 + 블루투스 게이트웨이로, 신호 강도를 계산하여 위치를 파악할 수 있습니다. 저희 회사의 B-Fixed 시스템과 B-Mobile 시스템은 모두 이 방식을 사용합니다. 주요 장점은 저렴한 비용과 간편한 설치이지만, 정확도는 최대 2~3미터에 불과합니다. 주로 자산 및 인력의 지역적 위치 파악에 사용됩니다.
아오에이
일반적으로 Bluetooth Angle of Arrival 기술이라고 합니다.
이점:
단말기 비용이 저렴하고, 게이트웨이를 하나만 배치하면 되며, 위치 정확도가 높습니다.
단점:
적용 범위가 제한적이며, 적용 반경은 게이트웨이 높이와 동일합니다. 게이트웨이는 위치를 정확하게 고정해야 하며, 사용 중 흔들려서는 안 됩니다. 그렇지 않으면 위치 지정 효과에 영향을 미칩니다.
초광대역
DARPA와 FCC는 UWB에 대해 서로 다른 정의를 제안했지만 매개변수에만 미묘한 차이가 있었습니다.
UWB 기저대역 좁은 펄스 사양:
IR-UWB(임펄스 무선-UWB):
사인파를 변조하지 않고 안테나를 통해 직접 전송합니다. 이러한 시스템은 간단하고, 실시간이며, 저비용, 저전력, 반다중경로(anti-multipath) 특성을 가지며, 침투성이 우수합니다. 이후 802.15.4a 표준에 채택되었습니다.
대역 통과 캐리어 변조:
DS-UWB(직접 시퀀스 코드 분할 다중 접속) 및 MB-UWB(다중 대역 직교 주파수 분할 다중화).
이 중 IR-UWB는 IEEE 802.15.4a-2007 사양에서 두 개의 물리적 계층을 정의합니다. 하나는 CSS 기술(독일 Nanotron에서 제공하며 2.4G, 협대역 위치 지정 기술)이고 다른 하나는 IR-UWB 기술입니다.
UWB 페이로드 구조:
조정
BPM-BPSK:
BPM(버스트 위치 변조)과 BPSK(이진 위상 편이 변조)를 결합한 방식입니다.
작동 주파수 대역/채널:
글로벌 사용 가능 주파수 대역 분포표는 다음과 같습니다.
채널 부문
채널 구분에는 500MHz와 1GHz 두 가지 채널이 있습니다. 현재는 500MHz 채널, 즉 1, 2, 3, 5번 채널이 주로 사용됩니다.
출력 전력 및 규정:
FCC 규정에 따르면 최대 한도는 -41dBm/MHz입니다.
중국의 권력 규칙:
2장
위치 기술 비교
UWB 위치 지정과 Bluetooth AoA 위치 지정 비교
UWB-AoA와 Bluetooth AoA 위치 비교
원칙 비교:
블루투스 AoA:
이 방법은 단일 게이트웨이의 신호 각도만 측정하며, 거리는 측정하지 않습니다. 또한 추적기의 높이가 고정되어 있다고 가정하고 각도-높이 교차점에서 위치를 추정합니다. 추적기를 올리고 내리는 동작은 위치 정확도에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.
UWB-AoA:
이 방법은 각도와 거리를 센티미터 수준의 정확도로 측정하여 더욱 정밀합니다. 또한 추적기의 위치를 3차원으로 파악할 수 있습니다.
안테나 비교:
블루투스 AoA:
이 방법은 일반적으로 16개 또는 64개의 안테나로 구성된 안테나 배열과 RF 스위치를 사용하여 여러 번의 도착 시간으로부터 신호의 도래각과 거리를 계산합니다. 복잡한 안테나 배열 설계로 인해 Bluetooth AoA 게이트웨이의 소형화가 어렵습니다. 또한, 게이트웨이는 엄격한 설치 요건과 높이 반경의 약 1~2배에 불과한 제한된 커버리지 영역을 가지고 있습니다.
UWB-AoA:
이 방법은 일반적으로 두 개의 안테나와 PDoA 위상차 방식을 사용하여 최적 각도를 계산합니다. PDoA는 두 수신 안테나 사이의 거리를 파장(λ/2)으로 가정합니다. 채널 5(6489.6MHz)의 경우 앵커 안테나 간격은 2.08cm이며, 채널 9의 경우 더 가깝습니다. 이를 통해 PDoA의 소형화가 가능해져 스마트폰, 스마트 도어락, 스마트 홈 컨트롤러와 같은 환경에서 사용할 수 있습니다.
3장
UWB 기술
UWB 기능
- UWB는 3G~5G, 6G~10G, 총 7G 주파수 대역을 커버하며 단일 채널을 갖는다.
500MHz 이상의 대역폭. - 저전력. FCC 및 기타 규정에 따라 출력 전력은 -41dBm/MHz로 제한됩니다. 500MHz 단일 채널 기준 채널 전력은 -14.3dBm입니다.
- 몇 십분의 몇 나노초 동안 지속되는 매우 짧은 펄스입니다.
- 벽 관통: 벽을 효과적으로 관통할 수 있지만 일부 신호 감쇠가 발생합니다.
아래 표는 채널 2(중심 주파수가 4GHz)에서 작업할 때 벽 관통으로 인해 발생하는 신호 감쇠를 보여줍니다.
다중 경로 식별
전자기파는 송신기에서 수신기로 직접 전달될 수도 있고, 반사되어 대상에 도달할 수도 있습니다. 일반적인 협대역 통신에서는 일반적으로 가장 강한 신호가 처리되는데, 이 신호가 가장 먼저 도착하는 신호가 아닐 수도 있습니다.
UWB 통신에서는 시간 차이를 기반으로 가장 먼저 도착하는 신호(First Path)를 정확하게 식별할 수 있습니다. 하지만 직접 또는 투과적으로 도착하는 경우, 첫 번째 다중 경로 신호가 필요한 직접 신호라고만 가정할 수 있습니다.
다른 모든 전자파와 마찬가지로 UWB는 금속을 관통할 수 없습니다.
정확성
정확도는 주로 거리 측정 정확도, 시간 동기화 정확도, 그리고 위치 정확도의 세 가지 측면으로 구성됩니다. 거리 측정 정확도는 주로 거리 측정 알고리즘과 사용된 클럭 정확도, 이 두 가지 요소의 영향을 받습니다.
- 거리 측정 정확도: DS-TWR은 클럭 편차로 인해 발생하는 오류를 최소화합니다.
- 시간 동기화 정확도: 거리 측정 시스템에서는 0.5PPM 클록 온도 보상 수정 발진기(TCXO)
정확도를 높이는 데 사용할 수 있습니다. 거리 정확도는 10cm 이내로 조절할 수 있습니다.
TCXO를 사용하면 정확도를 향상시킬 수 있습니다.UWB 무선 위치 추적 시스템에서는 거리 측정과 TDoA가 모두 지원됩니다. TDoA에서는 모든 위치 추적이 게이트웨이 무선으로 동기화해야 합니다. 이 시스템의 동기화 정확도는 0.3ns입니다.
유선 동기화 방식과 비교했을 때 무선 시스템은 훨씬 간단하고 제한 없이 확장할 수 있으며 유선 거리에 제약을 받지 않습니다. 또한 프로젝트 구현의 어려움을 단순화합니다.
- 위치 정확도: 정확도는 30cm입니다. 시스템의 위치 정확도는 다양한 요인에 의해 영향을 받습니다.
환경적 요인은 10cm의 거리 측정 정확도뿐만 아니라 다른 요인에도 영향을 미칩니다. 10cm의 위치 정확도는 실험실 내 간섭이 없는 이상적인 환경에서만 달성할 수 있습니다. 신호 교란은 시스템에 편차를 유발할 수 있습니다.
4장
포지셔닝에 관하여
UWB 기능
위치 지정 차원은 사용 사례와 현장 상황에 따라 선택됩니다. 0차원 장면은 주로 입구 및 출구 감지에 사용됩니다. 1차원 장면은 주로 터널 장면과 같이 종횡비가 불균형한 장면이며, 공장에서도 사용됩니다. 1차원 장면에서는 위치된 대상이 선에 정렬됩니다. 2D 장면은 높이 정보 없이 XY 좌표를 찾는 반면, 3D 장면은 높이 정보를 갖습니다. 하지만 Z축의 특정 정확도를 보장하기 위해 시스템 설치 시 앵커의 높이 차이가 필요합니다.
0차원
UWB 측위에서 더 나은 영차원 측위는 일반적으로 거리 측정을 통해 달성되는데, 이는 장치가 앵커로부터 얼마나 떨어져 있는지와 같은 거리 제한에 사용됩니다. 영차원 영역에 진입한 것으로 간주됩니다.
일차원
1차원 위치 지정은 ToF, TDoA 또는 AoA 기술을 결합하여 달성할 수 있습니다.
UWB 추적기가 두 앵커를 연결하는 직선상에 있지 않더라도 해당 직선상에 있을 수 있습니다.
실제 위치:
위치 결과:
2차원
2차원 위치 지정은 대상 위치의 XY 좌표를 표시합니다. 앵커가 동일한 높이에 설치된 경우, 위치 지정 결과는 앵커의 설치 높이에 영향을 받지 않습니다. 추적기.
3차원
3차원 위치 지정의 결과는 대상의 XYZ 좌표입니다. 이를 달성하는 방법에는 두 가지가 있습니다. 하나는 앵커 사이의 높이 차이가 필요한 거리 측정을 기반으로 합니다. 다른 하나는 Z 좌표의 정확성을 보장하기 위해 Z 축에서 높은 각도 분해능이 필요한 AoA를 기반으로 합니다.
위치 지정 방법
현재 UWB 측위는 주로 TOF(비행 거리), TDoA(지속 시간 거리), AoA(지속 시간 거리) 측위를 사용합니다. 앞의 두 방식은 독립적으로 작동하지만, AoA 방식은 일반적으로 ToF 또는 TDoA와 결합됩니다.
ToF 포지셔닝
ToF 위치 측정은 거리를 기반으로 합니다. UWB 추적기는 위치 지정이 필요한 각 앵커에 대해 거리 측정을 시작합니다. 거리 측정이 완료되면 위치가 계산됩니다. 0차원 모드에서는 하나의 앵커만 거리 측정하면 되고, 1차원 모드에서는 최소 두 개의 앵커를 거리 측정해야 하며, 2차원 모드에서는 일반적으로 세 개 이상의 앵커를 거리 측정에 사용하지만, 일부 특수 모드에서는 두 개의 앵커만으로도 충분합니다. 3차원 모드에서는 네 개의 앵커를 거리 측정해야 합니다.
1차원의 경우 앵커를 맨 위에 배치하고, 앵커 하나만으로 범위를 지정하여 1차원 위치 지정을 달성합니다.
1차원 사례에서는 두 개의 앵커만으로 거리를 측정할 수 있습니다.
2차원 위치 지정:
TDoA 포지셔닝
TDoA 위치 결정은 신호가 두 앵커 또는 서로 다른 안테나 유닛에 도착하는 시간 간격(Time of Flight) 대신, 절대 시간 차이를 감지하여 표적의 위치를 결정하는 방식입니다. 이는 신호 발생기와 각 모니터링 앵커 간의 시간 동기화 요구 사항을 줄이는 반면, 앵커 간의 시간 동기화 요구 사항은 증가합니다. 세 개의 서로 다른 앵커를 사용하여 두 개의 TDoA를 감지할 수 있으며, 모바일 추적기는 두 TDoA가 정의하는 쌍곡선의 교차점에 위치합니다.
TDoA의 장점은 한 번의 위치 측정을 위한 통신 횟수가 크게 줄어들고 ToA보다 정확도가 높다는 것입니다. 그러나 이러한 위치 측정은 전파의 전파에 의존하며, 1ns의 고유 클럭 오차는 30cm의 거리 오차를 유발할 수 있습니다. 따라서 각 앵커의 클럭은 엄격하게 동기화되어야 합니다. 또한 비교적 넓은 간격을 가진 정밀한 동기화 시스템을 구축하는 데는 비용이 매우 많이 듭니다.
시간 동기화에는 두 가지 종류가 있습니다.
하나는 유선 연결을 사용하는 방법으로, 0.1ns의 동기화 정확도를 달성할 수 있지만, 네트워크 유지 관리 및 구축의 복잡성과 비용이 증가합니다. 또한, 클록 동기화를 위해 전용 케이블(예: 이더넷)이 필요하므로 비용도 많이 듭니다.
다른 하나는 무선 연결로, 0.25ns의 동기화 정확도를 달성할 수 있으며 유선보다 약간 낮지만 시스템은 비교적 간단합니다. 포지셔닝 게이트웨이 전원 공급만 필요하고, 데이터 반환에는 WiFi, LoRa 또는 이더넷을 사용할 수 있어 비용을 효과적으로 절감할 수 있습니다.
AoA 포지셔닝
도착각(AoA) 위치 지정은 일반적으로 신호 간의 위상차를 기반으로 하지만 AoA는 각도 분해능에 문제가 있어 앵커와의 거리가 멀어질수록 위치 지정 정확도가 떨어지기 때문에 단독으로 사용되는 경우는 많지 않습니다.
AoA는 위치 결정을 위해 비행 시간 거리 측정(ToF)과 함께 작동할 수 있습니다. 이 모드에서는 하나의 앵커를 사용하여 위치 결정을 수행할 수 있습니다.
두 개의 앵커가 AoA를 통해 위치 지정을 달성하는 것도 가능합니다.
위치 모드 및 전력 소비
ToF 모드와 TDoA 모드의 전력 소비량을 주로 비교하겠습니다. ToF 모드에서 UWB 추적기는 각 앵커와의 거리를 개별적으로 측정하며, 여러 번의 랭킹이 필요합니다. 일반적으로 한 번의 거리 측정에는 5ms 이상이 소요됩니다. TDoA 측위의 경우, UWB 추적기는 측위를 완료하기 위해 메시지만 전송하면 됩니다. 일반적으로 준비부터 전송까지 0.5ms 미만이 소요되며 ToF 모드보다 훨씬 적은 전력을 소비합니다.
환경적 요인
환경적 요인은 다양하지만, 가장 대표적인 것으로는 지역 내 위치 설정과 지역 외 위치 설정이 있습니다.
TDoA는 신호 도착 시간 차이를 기반으로 하기 때문에 일반적으로 도착 시간 차이를 거리 차이로 변환한 후 쌍곡선 알고리즘을 사용합니다. 쌍곡선 알고리즘의 한계로 인해 앵커가 커버하는 영역에서는 위치 정확도가 높고, 앵커가 커버하는 영역 밖에서는 위치 정확도가 상대적으로 낮습니다. 발전소와 같은 복잡한 환경에서는 시스템 구축에 큰 어려움이 있으며, TDoA 측위 기술을 사용하여 애플리케이션 요구를 충족하기 어렵습니다. 이 모드에서는 ToF(Time Of Flight) 또는 TDoA와 AoA를 결합한 방식을 사용할 수 있습니다.
5장
LoRaWAN 기반 UWB 위치 솔루션
이 장에서는 관련 장치와 시스템이 작동하는 이론을 소개합니다.
- UWB 앵커: 추적 장치를 이용한 거리 측정을 위한 비콘 메시지를 광고합니다. 배터리로 작동하며, 배터리 수명은 5년입니다.
- UWB 추적기: 비콘 메시지를 수신하고 앵커와 주기적으로 거리를 측정합니다. 배터리로 구동됩니다.
- 로라완 게이트웨이: 그것은 보낸다 비콘 모든 앵커와 추적기에 메시지를 보내 시계를 동기화하고 추적기로부터 거리 메시지를 받습니다.
- 섬기는 사람: 추적기의 위치를 계산하려면 거리 정보와 앵커 좌표를 사용합니다. 섹션 4.1서버는 앵커와 추적기를 구성하고, 앵커의 위치를 보정하고, 위치 지정 엔진 역할을 하는 데에도 사용됩니다.
6장
범위에 관하여
범위 측정 방법
거리 측정 시스템에는 두 가지 거리 측정 방법이 있습니다. 즉, 단일 측면 양방향 거리 측정(SS-TWR)과 양면 양방향 거리 측정(SD-TWR)입니다.
SS-TWR
그림 2는 단측 양방향 레인징(Single-sided Two-way Ranging)의 기본 원리를 보여줍니다. SS-TWR 원리의 개략도입니다. 장치 A는 장치 B로 펄스를 전송합니다. Tround1 주기 후, 장치 B가 반환한 펄스를 수신합니다. 비행 시간을 Tprop이라고 가정하면, 대략 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
장치 A와 장치 B는 독립적인 클럭 소스를 사용하므로 클럭은 어느 정도 편차가 발생하는데, 이 역시 빛의 속도에서는 용납할 수 없는 수준입니다.
SD-TWR
양면 양방향 레인징(Double-sided Two-way Ranging)은 신호측 양방향 레인징의 확장된 레인징 방식입니다. 두 번의 왕복 타임스탬프를 기록하여 최종적으로 비행 시간을 측정합니다. 응답 시간은 증가하지만, 레인징 오차는 감소합니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, DS-TWR 원리의 개략도에 따르면, 기본 원리는 다음과 같습니다.
- 장치 A는 장치 B에 펄스를 보냅니다.
- 장치 B가 펄스를 수신한 후 Treply1 동안 지연한 후 펄스를 다시 보냅니다.
- Tround1 이후, 장치 A는 장치 B가 보낸 응답 펄스를 수신합니다.
- 장치 A는 Treply2를 지연한 다음 장치 B로 다른 펄스를 전송합니다.
- 장치 B는 Tround2 이후 A로부터 마지막 펄스를 수신합니다.
DS-TWR 레인징은 SS-TWR 레인징을 기반으로 한 추가적인 통신이며, 두 통신의 시간은 클록 오프셋으로 인해 발생하는 오차를 상쇄할 수 있습니다.
DS 거리 측정 방법을 사용하는 시계로 인해 발생하는 오류는 다음과 같습니다.
이 거리 측정 방법의 오차는 주로 다음 요인에 따라 달라집니다.
- 장치 A와 B의 시계 오류
- 장치 처리의 평균 지연 시간.
장치 A와 B의 클록 정확도가 20ppm(나쁨)이고 1ppm이 백만분의 1이라고 가정하면, Ka와 Kb는 0.99998 또는 1.00002이며, ka와 kb는 각각 장치 A와 B의 클록 실제 주파수와 예상 주파수의 비율입니다. 장치 A와 B는 100m 떨어져 있으며, 전자파의 비행 시간은 333ns입니다. 따라서 클록으로 인한 오차는 20*333*10^(-9)초이고, 거리 측정 오차는 2.2mm로 무시할 수 있습니다.
거리 측정 오차 분석
거리 측정 오차를 유발하는 요인으로는 환경적 교란, 인체 폐쇄, 금속 물체 폐쇄, 시간 정확도, 최소 시간 단위 등이 있습니다.
일반적인 범위 시나리오
다양한 무선 정밀 거리 측정 사용 사례의 요구 사항을 충족하기 위해 주로 지점 간 거리 측정, 지점 대 다중 지점 거리 측정, 자유 공간 거리 측정의 세 가지 모드가 있습니다.
아래에서는 주로 지점 대 다중 지점 거리 측정과 자유 공간 거리 측정의 두 가지 모드를 소개합니다.
지점 간 거리 측정
주로 두 장치 간의 거리 측정에 사용됩니다. 이 유형의 거리 측정은 가장 간단하고 정확도가 높으며 편의성이 뛰어납니다. 거리 측정은 가장 기본적인 기능이므로 다른 방법과 통합될 수 있습니다.
일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다.
- 차량이 운행 중일 때는 정확한 위치를 알아야 하며, 이는 거리 측정을 통해 이루어질 수 있습니다.
- 수감자가 치료를 위해 가석방될 때, 교도관은 정확한 거리 측정을 통해 수감자를 안전한 거리 내에서 통제할 수 있으며, 관리자도 이 플랫폼을 사용하여 편애를 방지할 수 있습니다.
- 드론과 사람 사이의 정확한 거리 측정
- 투어 그룹은 UWB를 통해 각 사람과 투어 가이드 간의 거리를 조절하여 누구도 길을 잃지 않도록 할 수 있습니다.
자유 공간 범위 측정
자유 공간 거리 측정은 비교적 특별한 거리 측정 모드입니다. 주된 이유는 모든 표적이 공간 내에서 움직이기 때문입니다. 각 거리 측정 전에 장치는 주변 환경을 파악해야 합니다. 거리 측정 표적이 많은 경우, 표적 간의 상호 간섭을 피하고 거리 측정이 제대로 이루어지지 않도록 표적을 효과적으로 배치해야 합니다.
자유 공간 측정은 주로 다음 두 가지 목적으로 사용됩니다.
공간 관계 네트워크:
예를 들어, 드론 편대는 모든 표적 간의 공간적 거리를 기반으로 자체 조직화 네트워크를 형성할 수 있습니다. GNSS 시스템이 없는 경우, UWB를 사용하여 공간 편대 위치 관계 네트워크를 형성할 수 있습니다.
이 시스템을 무선 통신의 메시 네트워크에 적용하면 메시가 결정을 내릴 수 있도록 거리 매개변수도 제공할 수 있습니다.
충돌 방지:
예를 들어, 기차 선로에서 운행되는 유지 보수 기관차는 이러한 동적 거리 측정을 기반으로 또 다른 보증을 받을 수 있습니다.
7장
계획 설계
충돌 방지 시스템 및 위치 시스템:
충돌 방지 시스템에 설치된 장치는 외부 전원으로 구동되는 UWB 게이트웨이로 정의됩니다. 사람이 착용하는 장치는 충전식 배터리로 구동되는 UWB 추적기입니다.
위치 지정 엔진:
이는 위치 추적 장치의 위치를 계산하기 위한 것입니다. 위치 추적 엔진은 지도상의 게이트웨이의 상대적 위치와 UWB 추적기와 게이트웨이 사이의 거리를 사용하여 UWB 추적기의 위치와 출력 위치 좌표를 결정합니다.
위치 교정:
지도에 게이트웨이의 위치를 표시하세요. 예를 들어, 출발지와 게이트웨이 위치를 표시하세요. 게이트웨이는 고정되어야 하며 임의로 이동해서는 안 됩니다.
지도 표시:
고객은 자신의 지도 파일을 업로드하고 위치 보정에 해당하는 원점 정보를 제공하며, 평면 지도에 위치 장치의 실시간 위치를 표시할 수 있습니다.
충돌 방지 시스템 계획 설계
UWB 추적기 정보. UWB 추적기는 4초마다 거리를 측정합니다. 게이트웨이에 접근하면 추적기는 전력을 절약하고 대기 시간을 늘리기 위해 1초마다 거리를 측정합니다.
게이트웨이에는 광커플러 절연 기능이 있는 IO 인터페이스가 있습니다. UWB 추적기와 게이트웨이 사이의 거리가 3미터 미만일 때 게이트웨이는 높은 출력 전력을 출력합니다. 절연된 IO는 외부 음향 및 조명 경보기에 연결될 수 있습니다.
영역 구분은 다음과 같습니다. 그림 6: 충돌 방지 시스템 영역 구분 (다음 페이지)
위치 시스템 계획 설계
게이트웨이와 UWB 추적기 모두 UWB 모듈과 LoRa 모듈을 갖추고 있습니다. UWB 모듈은 거리 측정 및 위치 지정에 사용됩니다. LoRa 모듈은 .
UWB 추적기는 LoRa를 통해 UWB 추적기와 게이트웨이 사이의 거리, ID 및 기타 매개변수를 애플리케이션 시스템으로 전송합니다.
애플리케이션 시스템은 위치 엔진, 지도 표시, 위치 보정의 세 가지 소프트웨어 모듈로 구성됩니다. 이러한 소프트웨어 모듈은 Linux 환경에서 실행되어야 하며, Linux 가상 머신을 Windows 시스템에 설치할 수도 있습니다. Linux 환경에는 최소 8GB의 메모리와 20GB의 하드 디스크가 필요합니다.
시스템 워크플로
충돌 방지 시스템 워크플로:
- 게이트웨이는 외부 전원 공급 장치를 사용하므로 항상 데이터를 테스트할 준비가 되어 있습니다.
- 게이트웨이와 UWB 추적기는 거리 측정을 위해 DS-TWR을 사용합니다.
- UWB 추적기는 게이트웨이와의 거리를 주기적으로(4초) 측정합니다.
- UWB 추적기는 근처의 게이트웨이를 감지하고 게이트웨이와의 거리를 측정한 후, 자체 거리 측정 주기를 1초로 변경합니다.
- 게이트웨이는 UWB 추적기로부터의 거리에 따라 경보 신호(소리 및 빛 경보)를 출력합니다.
위치 지정 시스템 워크플로:
- 게이트웨이의 실제 설치 위치를 보정하려면 위치 보정 소프트웨어를 실행하세요.
- UWB 추적기와 게이트웨이 사이의 거리를 기반으로 UWB 추적기의 위치 정보를 계산하기 위해 위치 지정 엔진 소프트웨어를 실행합니다.
- 게이트웨이와 UWB 추적기는 거리 측정을 위해 DS-TWR을 사용합니다.
- UWB 추적기는 인근의 여러 게이트웨이와의 거리를 주기적으로 측정합니다.
- UWB 추적기는 여러 게이트웨이에서 LoRa 형태로 위치 지정 엔진으로 거리를 전송합니다.
- 위치 엔진에서 계산된 위치 정보는 지도 표시 소프트웨어로 전송되어 표시됩니다.
위치 계산
위치 엔진은 게이트웨이와 UWB 추적기 사이의 거리와 삼각 측량을 사용한 게이트웨이의 위치 좌표를 기반으로 UWB 추적기의 위치 정보를 계산할 수 있습니다. 위치 계산 삼각 측량.
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