鶴壁UWB十個知識點

UWB是一直被基于厚望的高精度定位技術(shù)

1：定位技術(shù)及UWB特點

位置空間感知技術(shù)包括了GNSS、RFID、藍(lán)牙和UWB，在室內(nèi)和區(qū)域空間測量最 具技術(shù)優(yōu)勢的技術(shù)是UWB。

GNSS是廣域定位技術(shù)，室內(nèi)以及建筑物旁邊等場景，GNSS無法實現(xiàn)定位，需要考慮類似UWB的區(qū)域定義技術(shù)。GNSS另一個局限性就是功耗大，沒有通訊功能，需要增加類似地面蜂窩通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。UWB技術(shù)支持定位同時，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通訊。

RFID由于其無源和低成本優(yōu)勢，以及標(biāo)簽多種形態(tài)優(yōu)勢，應(yīng)用于物品追溯管理更適用。感知距離近(3-5米)是RFID應(yīng)用的局限性，在涉及大件物品固定區(qū)域出入以及位置管理可以考慮UWB技術(shù)；

涉及到大量公眾人群以及智能手機(jī)互動的場景，基本考慮藍(lán)牙或NFC，醫(yī)院和停車場位置感知多數(shù)采用藍(lán)牙提供位置服務(wù)；藍(lán)牙最 大的優(yōu)勢是和智能手機(jī)無縫互動，智能手機(jī)就是電子標(biāo)簽。藍(lán)牙的劣勢是抗干擾能力差，另外潮濕環(huán)境對于藍(lán)牙信號影響大。

在區(qū)域室內(nèi)外環(huán)境內(nèi)的2B &2C應(yīng)用場景，需要比較高的位置空間感知要求，UWB才會有真正用武之地。

2：UWB和藍(lán)牙、RFID、WiFi

UWB是一種高精度的無線測量技術(shù)，藍(lán)牙、RFID以及WiFi三種技術(shù)，嚴(yán)格意義不屬于無線測量技術(shù)，只能算是一種存在性感知技術(shù)。

藍(lán)牙和WiFi更側(cè)重與近距離、中距離的數(shù)據(jù)通訊，RFID則是無源近距離感知及觸發(fā)性微量數(shù)據(jù)通訊；

同時具備高精度的TOF測距、TOA的納秒級到達(dá)時間精度以及AOA高精度到達(dá)角度測量，只有UWB一種技術(shù)具備。

3：UWB和BLE無線物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊

UWB在無線物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊的安全性比藍(lán)牙有優(yōu)勢：相比藍(lán)牙物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊，UWB具備頻率、抗干擾、抗多徑等優(yōu)勢。

此外除了脈沖通訊機(jī)制、精準(zhǔn)測距的無線防偽機(jī)制，UWB新通訊標(biāo)準(zhǔn)增加了STS等括鏈路層安全通訊機(jī)制。在汽車鑰匙、無線支付等應(yīng)用場景更具優(yōu)勢。

4：UWB三個核心精準(zhǔn)測量技術(shù)

5：基于UWB測量技術(shù)的常規(guī)定位算法

基于TOF的坐標(biāo)定位：優(yōu)點：算法簡單、精度較高。缺點：標(biāo)簽費電、系統(tǒng)容量小

基于TDOA的坐標(biāo)定位：優(yōu)點：標(biāo)簽省電、系統(tǒng)容量大。缺點：基站需高精度時間同步、包絡(luò)線外精度低

基于AOA+TOF的坐標(biāo)定位：優(yōu)點：需要基站數(shù)量少。缺點：準(zhǔn)確測量角度困難，信號遮擋敏感

6：坐標(biāo)定位以及坐標(biāo)定位的精度有實際意義的嗎？

其實很多封閉區(qū)域或者室內(nèi)環(huán)境，希望掌握目標(biāo)的位置空間，并非位置坐標(biāo)，目標(biāo)的位置空間和目標(biāo)的位置坐標(biāo)有什么應(yīng)有和實施的區(qū)別嗎？

如果得到目標(biāo)的位置坐標(biāo)，需要以下幾個前提條件：

n  需要建立區(qū)域空間統(tǒng)一坐標(biāo)系，對于有很多建筑物以及立體空間而言，這個有難度；

n  需要對空間精準(zhǔn)地理測繪，嚴(yán)格按照空間物體的物理尺寸，這個工作落地難度很大，就算用激光雷達(dá)對現(xiàn)實空間三維建模，工作量也是巨大的；

n  根據(jù)建立的坐標(biāo)系和現(xiàn)場的精準(zhǔn)地理信息測繪，制作現(xiàn)實空間的三維地圖，制圖工作巨大；如果需要PC和智能手機(jī)同時支持，則需要制作兩套地圖；PC和智能手機(jī)應(yīng)用側(cè)需要消耗大量CPU資源來支撐三維地圖的調(diào)用；

n  解算目標(biāo)的坐標(biāo)，需要部署大量定位基站，每個定位基站需準(zhǔn)確地理坐標(biāo)標(biāo)定；并且按照三角定位的原則，要求每個定位點需保證有三個可視基站，同時還涉及到人員的佩戴方式限制，幾乎是不可能完成的任務(wù)；

以上工作如果沒有準(zhǔn)確落實，10-30厘米的定位精度就毫無意義；

坐標(biāo)定位是一個復(fù)雜的精準(zhǔn)測繪的系統(tǒng)工程。

7：坐標(biāo)軌跡和行蹤軌跡

坐標(biāo)軌跡的對管理其實沒有太大意義，管理的目的是掌握目標(biāo)的行蹤而非坐標(biāo)軌跡。坐標(biāo)軌跡和區(qū)域行蹤有哪些區(qū)別？

坐標(biāo)軌跡是基于幾何學(xué)算法，采用三角定位或者AOA算法，解算目標(biāo)坐標(biāo)；坐標(biāo)定位嚴(yán)重依賴現(xiàn)場的精準(zhǔn)測繪，對于環(huán)境的干擾沒有魯棒性。

行蹤軌跡采用空間網(wǎng)格化管理方式，基于UWB信號的機(jī)器學(xué)習(xí)，將物理空間定義若干空間區(qū)域，基于區(qū)域的方式，實現(xiàn)目標(biāo)行蹤管理。優(yōu)勢在于：無需現(xiàn)場地理測繪，無需基站坐標(biāo)標(biāo)定，實際環(huán)境定義任意管理區(qū)域。

基于UWB信號區(qū)域空間而非坐標(biāo)的目標(biāo)蹤跡管理相比坐標(biāo)定位和坐標(biāo)軌跡，部署實施更簡單，基站數(shù)量也大大減少（不到20%），體驗感也更強（位置感知穩(wěn)定），是最 具性價比的位置空間感知解決方案。

8：UWB坐標(biāo)電子圍欄和UWB機(jī)器學(xué)習(xí)電子圍欄

傳統(tǒng)UWB電子圍欄幾乎都是基于坐標(biāo)的電子圍欄，有很多應(yīng)用局限性：首先只能在圖上定義，沒有辦法現(xiàn)場定義，導(dǎo)致基于地圖的電子圍欄定義和實際有差距；此外，坐標(biāo)定位受到實際環(huán)境影響很大，定位準(zhǔn)確度以及穩(wěn)定性在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境波動很大，導(dǎo)致坐標(biāo)電子圍欄根本就沒有辦法在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境使用；

基于UWB信號機(jī)器學(xué)習(xí)區(qū)域空間電子圍欄，無需現(xiàn)場的地理測繪，無需錨點的坐標(biāo)標(biāo)定，全無線部署，現(xiàn)場區(qū)域任意定義。由于基于UWB信號的機(jī)器學(xué)習(xí)而非幾何學(xué)算法，對于復(fù)雜工業(yè)環(huán)境有不錯的魯棒性，適用于工業(yè)環(huán)境UWB電子圍欄的需求應(yīng)用。

9：人體及環(huán)境對于UWB通訊干擾

n  人體對UWB的干擾

人體的表面具有平滑且彎曲特點，無線信號在人體表面會形成爬行波。爬行波會令無線信號到達(dá)時間以及信號能量衰減都發(fā)生變化。

標(biāo)簽放置在頭部的性能是最優(yōu)的，丟包率和測距誤差都是最小的；快速運動丟包率提高，測距精度變化不大；胸部時，被人體阻擋的UWB信號有超過50%的測距包丟失，精度也下降了很多；

人員標(biāo)簽最 佳佩戴方式是頭戴或者臂戴。

n  墻體、玻璃、金屬、液體、草地、樹葉對于UWB通訊干擾

UWB可以穿過一般的墻體，CH5和CH9的表現(xiàn)好于CH2；玻璃基本沒有什么影響；金屬會造成信號的折射，導(dǎo)致測距加長、達(dá)到時間加長、到達(dá)角度不準(zhǔn)；

雨天和潮濕環(huán)境會造成無線信號的能量的衰減，UWB在濕度大的環(huán)境表現(xiàn)要遠(yuǎn)好于2.4G信號的藍(lán)牙和WiFi。

無線電磁波信號是不能在液體里面?zhèn)鞑?，像聲波的物理波才可以在水下傳播。草地和樹葉會導(dǎo)致UWB信號的能量衰減，導(dǎo)致傳輸距離下降，對于測量精度影響有限。

10：如何面對位置空間需求

n  需求分析并確認(rèn)定位技術(shù)路線

類似巡檢簡單需求，采用藍(lán)牙或者RFID就可以了，只有涉及到高要求位置服務(wù)需求場景，才考慮UWB技術(shù)路線。比如井下復(fù)雜且潮濕的環(huán)境、復(fù)雜工業(yè)環(huán)境電子圍欄的需求、工業(yè)環(huán)境輔助無人駕駛等等場景。

n  UWB合理技術(shù)方案

類似地下隧道場景，推薦采用一維定位；類似操場等沒有遮擋物的環(huán)境，可考慮二維坐標(biāo)定位；有高度定位的需求，采用氣壓差的方法測量高度；復(fù)雜工業(yè)環(huán)境的電子圍欄以及作業(yè)面的區(qū)域管理，推薦采用精細(xì)網(wǎng)格化算法；復(fù)雜環(huán)境的人/車/物出入管理，考慮出入口算法；類似AGV無人駕駛需求，建議采用UW標(biāo)錨點的方位定位；大型資產(chǎn)固定場所的定位，可采用方位定位，也可考慮移動式方位定位實現(xiàn)固定資產(chǎn)流動盤點。

針對不同場景采用定位技術(shù)路線，才是真正能解決問題的高性價比的方案。

n  UWB部署實施注意事項

錨點天線離附近的金屬物體30-50厘米；CH2和5G蜂窩通訊有相互干擾，盡量采用CH5或者CH9；方位定位距離建議不要超過20-30米；AOA對于收發(fā)天線的方向有一定要求，接收角度在-60°到+60°；TDOA依賴基站之間嚴(yán)格的時間同步，需要保證SYNC或者RELAY和錨點的UWB通訊。