如果你試過追蹤大樓里的東西，你就會(huì)知道GPS很難用。這就是超寬帶(UWB)的用武之地;它可以精確定位到大約10厘米的位置。是的,厘米。漂亮的野生。

我一直在擺弄Qorvo DWM3000 UWB模塊與ESP32板配對(duì)，老實(shí)說，它比我預(yù)期的要好。在這個(gè)ESP32項(xiàng)目中，我們將建立一個(gè)室內(nèi)定位系統(tǒng)，它可以實(shí)時(shí)跟蹤運(yùn)動(dòng)。

為什么超寬頻?

與依賴數(shù)英里外衛(wèi)星的GPS不同，超寬帶只是測(cè)量無線電脈沖在設(shè)備之間傳播所需的時(shí)間。DWM3000可以測(cè)量精確到納秒的時(shí)間，換算成厘米級(jí)的精度。這就是知道某人在房間里和確切知道他們?cè)谀膹堊雷忧暗膮^(qū)別。

快速室內(nèi)跟蹤對(duì)比：

?超寬帶：~10cm，可達(dá)200m

?藍(lán)牙：1 - 3米，可以用于“附近”，但不精確

?Wi-Fi: 5 - 15米，基本是房間級(jí)別

?室內(nèi)GPS: 5 - 10米，如果能工作的話

硬件設(shè)置

以下是你需要的：

?4個(gè)DWM3000模塊(1個(gè)吊牌+ 3個(gè)錨)

?4× ESP32-WROOM板

?Micro-USB電纜用于電源/編程

?面包板或自定義pcb安裝一切

DWM3000超級(jí)棒，因?yàn)樗且粋€(gè)完整的模塊——天線、射頻組件、晶體、電源管理——集于一體。不需要成為射頻專家。只要通過SPI連接到ESP32，你就完成了大部分工作。

引腳連接:

?DWM3000 → ESP32

?VCC → 3.3V (not 5V!)

?GND → GND

?SCK → GPIO18

?MOSI → GPIO23

?MISO → GPIO19

?CS → GPIO4

?RST → GPIO27

?IRQ → GPIO34(可選但方便)

它是如何工作的

從概念上講，它比聽起來簡(jiǎn)單。在已知位置放置三個(gè)錨點(diǎn)，然后標(biāo)簽使用雙面雙向測(cè)距(DS-TWR)與每個(gè)錨點(diǎn)通信：

?標(biāo)記ping錨1

?Anchor 1 responds

?標(biāo)簽發(fā)送另一條消息

?Anchor replies with timing

?重復(fù)錨2和錨3

每個(gè)交換以納秒的精度測(cè)量往返時(shí)間。有了三個(gè)點(diǎn)之間的距離，你可以用三邊測(cè)量法來計(jì)算位置，基本上就是圓相交。

DS-TWR還補(bǔ)償了設(shè)備之間的時(shí)鐘差異，這就是為什么它比簡(jiǎn)單的方法更準(zhǔn)確。

錨

我把三個(gè)錨定在一個(gè)三角形上：

?錨1：左下(15.5)厘米

?錨2：右下(290,5)厘米

?錨3：頂部中心(165,625)厘米

這些坐標(biāo)很重要，它們需要與Python可視化使用的坐標(biāo)相匹配。每個(gè)錨運(yùn)行相同的固件，但獲得唯一的ID(1,2,3)。代碼基本上是一個(gè)狀態(tài)機(jī)：等待請(qǐng)求，以精確的時(shí)間響應(yīng)。簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、可靠。

標(biāo)簽的固件

標(biāo)簽完成了有趣的部分。它連續(xù)地在三個(gè)錨點(diǎn)之間循環(huán)：

我使用中值濾波，因?yàn)樵糢WB數(shù)據(jù)可能有噪聲。最后50個(gè)測(cè)量值的滾動(dòng)緩沖，中值消除了異常值，但保持了響應(yīng)。一旦標(biāo)簽有了所有錨點(diǎn)的新距離，它就會(huì)將所有內(nèi)容打包成JSON并通過WiFi發(fā)送。距離，信號(hào)強(qiáng)度，定時(shí)，時(shí)鐘偏移，都在里面調(diào)試。

可視化

在PC端，Python處理它：

?TCP服務(wù)器接收標(biāo)簽數(shù)據(jù)

?通過scipy的三邊數(shù)學(xué)

?在平面圖上實(shí)時(shí)標(biāo)記地塊

平面圖是背景，錨是三角形，標(biāo)簽是一個(gè)移動(dòng)的紅點(diǎn)，信號(hào)強(qiáng)度漂浮在每個(gè)錨的上方。看著它移動(dòng)和實(shí)時(shí)更新是非常令人滿意的。

使其運(yùn)行

1. Flash ESP32s:

?三個(gè)錨(id 1-3)

?一個(gè)標(biāo)簽，更新WiFi證書

2. 定位硬件：

?在選定坐標(biāo)安裝錨

?一切通電，標(biāo)簽開始自動(dòng)定位

3. 啟動(dòng)Python腳本：

?安裝依賴項(xiàng)：matplotlib， scipy, numpy

?更新IP，將平面圖放入文件夾，運(yùn)行腳本

4. 移動(dòng)標(biāo)簽：

?更新~每100毫秒

?藍(lán)色的痕跡顯示歷史

?RSSI表示信號(hào)質(zhì)量

真實(shí)的表現(xiàn)

精度：在良好條件下始終保持10-15cm。

好設(shè)置:

?視線清晰

?穩(wěn)定的錨

適當(dāng)?shù)奶炀€延遲校準(zhǔn)(16350適用于我)

壞的設(shè)置:

?吊牌和錨之間的金屬物體

?移動(dòng)的錨

?電源噪聲

?天線失調(diào)

超寬帶處理多徑比大多數(shù)要好，但大型金屬表面偶爾仍會(huì)干擾讀數(shù)。

改進(jìn)空間

?為可靠性/ 3D增加第4個(gè)錨

?為多個(gè)標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)TDoA

?Web界面而不是matplotlib

?使用RSSI檢測(cè)NLOS

?優(yōu)化電池使用功率

DWM3000可以處理所有這些，它主要是固件工作。

麻煩嗎?

?天線延遲校準(zhǔn)：耗時(shí)太長(zhǎng)。16350適合我;測(cè)試你的。

?WiFi干擾：流量過大會(huì)減慢更新速度。把測(cè)距和網(wǎng)絡(luò)分開。

?電源：使用干凈的3.3V與去耦帽。

?坐標(biāo)系統(tǒng)：Python腳本和錨點(diǎn)位置必須匹配。我花了一個(gè)小時(shí)翻轉(zhuǎn)Y坐標(biāo)。

為什么超寬帶很酷?

?低功耗：電池休眠模式

?安全：內(nèi)置防欺騙

?Fast：以毫秒為單位

?可伸縮：如果是mac管理，則有許多標(biāo)簽

?不完美：需要視線，校準(zhǔn)，比藍(lán)牙更貴。但在精確的室內(nèi)定位方面，無人能敵。

最終的想法

說實(shí)話，這比我想象的要簡(jiǎn)單。DWM3000是一個(gè)完整的模塊是一個(gè)救星。最難的部分是計(jì)算時(shí)間和奇怪的WiFi問題。

如果你嘗試，建議：

?從基本的測(cè)距示例開始

?先用一個(gè)錨釘定位

?調(diào)試時(shí)記錄所有內(nèi)容

?在移動(dòng)到真實(shí)空間之前，在一個(gè)開放的區(qū)域進(jìn)行測(cè)試

本文編譯自hackster.io