ESP32 UWB室内定位测试开源项目

描述

我们做了一个 ESP32 UWB 室内定位测试，使用 2 个 UWB 锚点和 1 个 UWB 标签，当标签移动时，UWB 标签的实时位置可以图形显示在 PC 上。

补给品

● ESP32 超宽带 *3

● 移动电源

● 5v电源*2

第 1 步：概述

1.1 介绍

DW1000 是世界上第一款基于超宽带技术的单芯片无线收发器。它为实时定位和室内定位系统、基于位置的服务、无线传感器网络提供了一种新方法。它能够开发具有成本效益的 RTLS 解决方案，其室内和室外定位精确到 10 厘米以内。

Makerfabs ESP32 UWB基于 ESP32 和 DW1000 解决方案，它就像一个连续扫描雷达，精确锁定另一个设备并与之通信，从而计算自己的位置，配合 ESP32 WiFi/蓝牙，它可能是无线解决方案室内定位。

1.2 关于超宽带

超宽带是一种在宽带宽（>500 MHz）上传输信息的技术。这允许传输大量的信号能量，而不会干扰相同频带中的传统窄带和载波传输。许多国家/地区的监管限制允许有效使用无线电带宽，并实现高数据速率个人区域网络 (PAN) 无线连接、远程低数据速率应用以及雷达和成像系统，与现有的透明共存通讯系统。

传统无线电传输和 UWB 之间的显着区别在于，传统系统通过改变正弦波的功率水平、频率和/或相位来传输信息。UWB 传输通过在特定时间间隔产生无线电能量并占用大带宽来传输信息，从而实现脉冲位置或时间调制。通过编码脉冲的极性、其幅度和/或通过使用正交脉冲，也可以在 UWB 信号（脉冲）上调制信息。UWB 脉冲可以以相对较低的脉冲速率偶尔发送以支持时间或位置调制，但也可以以高达 UWB 脉冲带宽的倒数的速率发送。Pulse-UWB 系统已在超过 1 的通道脉冲速率下得到证明。

1.3 超宽带测距

UWB 无线电系统可用于确定各种频率下传输的“飞行时间”。当然，“飞行”的速度与光速一样，所以核心问题是如何查看“飞行”的时间，从而计算出距离。

距离 = 光速 * Tprot

对于最基本的系统，至少有2项：Device_A（称为A）和Device_B（称为B），  主要有2种测量方式：

• 单面双向测距
• 双面双向测距

1.3.1 单面双向测距

这是最基本的测量方法：

 

首先A发送消息(TX)并记录时间标记，B收到消息，记录时间标记，延迟(Treplay)后，B发送消息(TX)并记录时间标记时间标记，最后A收到消息，并有时间标记的记录。

然后是飞行时间：

由于 Tround 和 Treply 存储在同一个设备上，所以时间误差偏移；当然，A(eA) 和 B(eB) 之间存在误差，误差是：

也就是说，误差与 Treply 是线性的。所以这种方式并不普及，只适用于很短距离的测量。

1.3.2 双面双向测距

“单面双向测距”后，如果 A 再次反馈给 B，则为：

这种测量我们称为 3 消息模式。

在“单边双向测距”之后，如果 B 再次发起另一条消息和 A 反馈，则为：

这种测量我们称为 4 消息模式。

在 3 条消息模式或 4 条消息模式下，飞行时间计算如下：

 

第 2 步：使用 ESP32 UWB 进行室内定位

2.1 查看

在这个应用中，我们使用了 3 个 Makerfabs ESP32 UWB 模块，2 个模块作为 UWB 锚点，1 个作为 UWB 标签，在房间内移动。当标签获得其位置时，它会将其位置传输到设备（PC 浏览器、手机应用程序），以显示实时位置。

2.2 平面定向算法

假设所有三个 UWB 模块都处于相同的水平高度。UWB可以得到Tag和两个anchor的距离，再加上预先设置的两个anchor的距离，就可以得到一个三角形三边的长度。

两个点“AB”分别是两个锚点，“C”是标签点。“c”是两个anchor的距离，UWB会得到两个长度“a”和“b”。标签是“b”远离点“A”和“a”远离点“B”。

现在我们知道了三角形三边之间的距离，我们可以计算点“C”的坐标。

我使用余弦定律计算角度“A”的余弦：

我有勾股定理，它给了我角度“A”的正弦：

cos_a = (b * b + c * c - a * a) / (2 * b * c) sin_a = sqrt(1 - cos_a * cos_a)

如果我们将点“A”设置为坐标系的原点 (0, 0)，那么我们得到点 C (bcosα, bsinα)。

第 3 步：代码解释

3.1 图书馆

我们使用 arduino-dw1000库。提供基本功能的库，可将 Decawave 的 DW1000 芯片/模块与 Arduino 一起使用（arduino-dw1000 库）

请注意根据 Github 修改 DW1000 库，否则无法编译为 ESP32。ESP32 UWB GitHub 上的指南 

***此应用程序的完整代码位于：  Makerfabs GitHub ***

3.2 Device_Anchor

由于系统中有 2 个锚点，我们需要为这两个锚点设置不同的锚点地址。

#define ANCHOR_ADD "83:17:5B:D5:A9:9A:E2:9C"// modify the address when multiple anchors, such as 83/82.

该库默认使用随机短地址，我们需要将其设置为使用我们设置的静态地址。所以我们需要将UWB模块设置为Anchor模式，LONGDATA_RANGE_LOWPOWER模式，并关闭随机短地址，通过以下代码：

DW1000Ranging.startAsAnchor(ANCHOR_ADD,
DW1000.MODE_LONGDATA_RANGE_LOWPOWER, false);

Anchor 代码位于：  https ://github.com/Makerfabs/Makerfabs-ESP32-UWB/tree/main/example/anchor

3.3 Device_Tag

标签需要读取两个锚点之间的距离，通过UDP协议发送给PC。

首先，设置 WiFi 和目标 IP 地址（PC）。

在 Windows cmd 中，使用“ipconfig”检查 PC 本地 IP。

并设置UWB工作在标签模式。

我使用了一个链表来存储检测到的锚点，它非常适合 UWB 的工作方式。链表的内容被转换成 JSON 格式。

得到的JSON字符串格式如下：

最后通过UDP协议每秒向PC发送一次数据。

标签代码位于：  https ://github.com/Makerfabs/Makerfabs-ESP32-UWB/tree/main/example/IndoorPositioning/udp_uwb_tag

3.4 Python代码

一个简单的演示，用于计算标签的位置并以图形方式显示它。使用海龟绘制。

一开始想用Matplotlib，但是有点复杂。Turtle 很简单，但提供的功能很简陋。我自己添加了一些绘图功能来快速绘制线条、圆形、矩形等。

这是我的位置计算功能。

其实一开始我是用海伦公式计算坐标的，但是分不清三角形是锐角还是钝角。

demo的功能是接收通过UDP协议传输的标签的数据，计算出标签的位置并绘制在屏幕上。

第四步：室内定位测试

在所有 UWB 锚点和标签都编程 OK 后，首先我将两个 UWB 锚点放在桌子的两侧。

并在PC端运行Python程序。将 UWB 标签贴到移动电源上，等待它连接到房间里的 WiFi。Tag连接PC后，弹出图形界面。

移动UWB标签，在PC端可以实时监控标签位置：