基于UWB在丘陵山地定位的可行性试验研究*

袁旸媚，杨俊朗，姜申易，胡文武

（湖南农业大学机电工程学院，湖南 长沙 410128）

0 引言

随着农业现代化的不断发展，各种应用于农业机械的先进技术不断涌现。而丘陵山地地区，由于地形复杂多样以及受到环境等多重因素的影响[1-2]，农业机械的定位技术精度会有较大的误差，这在一定程度上阻碍了农业机械化的推广和农业规模化的发展。当前，我国农业机械正朝着智能化和自动化不断迈进，而要平衡各个区域的农业发展，对于山地丘陵地区农业机械定位技术的研究是势在必行。

为了实现农业机械智能化和自动化，需要对机械装置的实时位置进行跟踪。项目组采用一种基于超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术的测距定位系统，实现农业机械装备的跟踪和精准定位。UWB是一种无线载波通信技术，利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，工作频段在3.25 GHz～6.75 GHz，频宽典型值为500 MHz或1 GHz[3]，所以可以获得亚纳米的精确时间。UWB技术具有发射信号功率谱密度低、截获率低、对信道衰落不敏感、系统复杂度低、功耗低、定位精度高等优点[4]。

为了研究UWB定位技术应用于山地丘陵的可行性，从而实现农业机械的精准跟踪定位，利用浩如科技基于decawave公司的DWM1000模块研发的高精度实时定位系统HR-RTLS1，进行了UWB定位技术在丘陵山地的模拟试验以及验证试验，对有无树干、叶簇等遮挡进行了对比试验，并对于试验得到的一系列数据和现象进行了分析处理。实践证明，利用UWB定位技术定位农业机械，对于农业生产发展及实现农业现代化的重要战略目标具有深远意义[5]。

1 实验设备与方法

1.1 技术原理

1.1.1 TWR测距

UWB装置是通过标签和基站间互发消息并记录相关时间戳的方法来实现TWR测距，并计算两模块间的距离值。TWR测距原理图如图1所示，使用标签发送一条Poll消息、基站回复Resp消息、标签发送Final消息为一个测距周期的方法进行测距。

图1 TWR测距原理图

Tprop为飞行时间，计算公式为（1），结合电磁波传播速度c（光速），得出距离公式（2）。

1.1.2 三边测距算法

在实际定位时，若要获得标签的坐标位置，至少需要三个参考基站，采用三边测量法进行测量[6]。基于UWB测距的三边测量法理论基础三边测量的原理如图2所示。

图2 三边测量法原理图

以三个节点A、B、C为圆心作圆，坐标分别为（Xa，Ya）、（Xb，Yb）、（Xc，Yc），三个圆周相交于一点D，交点D即为移动节点，A、B、C即为参考节点，A、B、C与交点D的距离分别为da，db，dc。假设交点D的坐标为（X，Y）。

由上式可得到交点D的坐标为：

则：已知无人机上定位基站三点的坐标，得到测量标签距离三个基站之间的距离，便可得到被测标签的坐标。

1.2 平台与硬件结构

该模块是组成HR-RTLS定位系统的最小单元，可通过拨码开关配置为基站或标签；板上配有OLED显示器，可实时显示与其他基站或标签的测距值[7]，如图3所示，标签与基站间的距离D=C(T2-T1)。

图3 标签（左）、基站（右）

标签、基站测距的示意图如图4所示。通过脉冲在标签和基站之间的飞行时间计算出标签基站之间的距离。

图4 信号传播示意图

1.3 试验方案

为了研究UWB定位技术运用于山地丘陵地区的可行性，首先对于树林环境进行了模拟。对于树林中树干遮挡这一因素，将树干直径分解成宽度、厚度两个维度分别进行模拟分析。利用木板模拟树干，通过厚度的叠加、宽度的叠加来模拟不同直径的树干。接下来在树林实地利用树干以及灌木丛进行验证试验。

具体试验过程中，由于考虑到在树林定位距离不超过30 m，于是模拟试验定位距离最远定为30 m。距离数据由电脑端收集，每组试验收集100组数据，取平均值。

2 定位试验及数据分析

2.1 模拟试验

2.1.1 距离变化及视距情况模拟试验

选择试验场地为空旷平直路面，在地面进行距离标记，共30个具体点。将标签和基站固定于三脚架上，三脚架底部悬挂铅锤以保证定位。试验器材放置示意图，如图5所示，基站位置固定于O点右端1 m处，标签从O点左端1 m处依次叠加2 m向左移动直至15 m，在每个标签放置点都进行木板遮挡与无遮挡的对比试验。此为一组试验。之后基站从右端1 m处依次叠加2 m向右移动直至15 m，在每个基站放置点，都重复第一组试验的步骤。

图5 试验器材放置示意图

当基站和标签位于每个固定点时，进行木板遮挡与无木板遮挡的对比试验。观察定位信号与有无木板遮挡以及距离变化的变化情况。在每个固定点进行的试验如图6所示。

图6 距离变化及有无木板遮挡模拟试验图

记录数据结果如表1所示。根据试验数据发现，有无木板遮挡对定位信号存在一定的影响，误差随着基站标签距离的增大有一定的波动，但波动起伏在5 cm以内，误差保持在5 cm之内且随着距离增大整体有下降的趋势。

表1 模板遮挡有无及距离模拟试验数据

2.1.2 厚度试验

在第一步得到的数据中，当标签基站距离为10 m时误差为最大，为保证其广泛可用，选取10 m作为厚度以及宽度试验中基站标签之间的距离。试验确保木板能将基站标签完全遮挡，从一块木板开始，依次叠加木板增加厚度，标签基站位置保持不变，距离为10 m，观察厚度变化对于定位信号的影响。

记录数据结果如表2所示。根据试验数据发现，木板厚度的变化对于定位信号的影响很小，误差仅在10 cm以内波动。

表2 厚度试验模拟数据

2.1.3 宽度试验

从一块木板宽度依次增加，确保各块木板间没有间隙（钉住），标签基站的位置不动，观察宽度变化对于定位信号的影响。考虑到树直径的实际因素，最大宽度定为1 m。

根据试验数据发现，木板宽度的变化对于定位信号的影响很小，误差仅在5 cm以内波动。记录数据结果如表3所示。

表3 宽度模拟试验数据

2.2 实地验证试验

2.2.1 树干试验

根据以上的木板厚度、宽度的模拟试验以及基站标签的距离试验，可以看到这些因素对于定位信号的影响很小。于是在树林进行实地试验，以进一步检测、验证结论。

树林实地——树干遮挡试验，如图7所示，在树林中选取直径大小不一的树干，标签基站间的距离依次增加，分别记录在空地以及有树干遮挡的距离数据，观察误差情况。选取树干直径为25.25 cm以及34.06 cm的两棵树进行试验，数据记录如表4、表5所示。

图7 树林实地——树干遮挡试验

表4 25.25 cm树干试验数据

表5 34.06 cm树干试验数据

通过以上试验发现，树林实际环境的测距误差较模拟试验误差有10 cm～35 cm的差距，误差都保持在35cm左右，且以上数据中90%以上的误差值处于10 cm～30 cm之间。

2.2.2 叶簇试验

对于树林环境下的叶簇遮挡，利用灌木丛进行试验。选取了疏密程度不一的四个灌木丛，分别定位1级、2级、3级，数字越大表示灌木丛越密即表征树林叶簇更加茂盛，灌木丛如图8所示。

图8 灌木丛试验

首先将基站和标签置于无遮挡的环境下，记录无遮挡时的定位距离。再将基站和标签分别置于灌木丛两端，距离保持于无遮挡情况下相同，观察随着密度的增大定位精度的变化情况，试验数据记录如表6所示。从数据中发现，随着灌木丛密度增大，定位误差也随之增大，但是也保持在可控范围30 cm以内。根据以上树干实地试验与灌木丛试验得知，UWB定位信号会受到树干直径、叶簇疏密程度的影响，但而对于实际应用，基站标签距离只需保持在亚米级即可[8]，因此，UWB定位可满足实际树林的生产需求。

表6 灌木丛试验数据

3 结论

本试验研究UWB定位在山地丘陵地区的可行性，分别利用木板进行了模拟试验以及树林实地的检测验证试验。试验结果表明：在树林环境下，由于受到树干、叶簇遮挡，UWB定位信号会受到影响，但试验中测距误差在36 cm以内，能够满足实际树林生产需求；将UWB定位运用于农业生产定位，可比较准确地监测控制农用机械的移动，具有一定创新性，符合当今农业生产自动化、智能化的需求。