基于LabVIEW的超宽带仿真与实验系统

DOI：10．13873/J．1000—9787（2019）06—0105—04

*

基于LabVIEW的超宽带仿真与实验系统

张陈晨，王

庆，阳

媛

（东南大学仪器科学与工程学院，江苏南京210096）

摘要：针对智慧城市建设对室内定位技术的需求，研究了基于传播时间的定位方法。基于LabVIEW与

MATLAB开发平台，设计了超宽带（UWB）仿真与实验系统。系统可以仿真测量数据并实时显示仿真曲线和不同滤波算法处理结果；同时，可以处理实际测量数据，计算实际位置及定位误差。利用该系统对不同

实验结果表明：在该室内环境下，基站部署对定位精度有较大影响，合理的布置基的基站部署进行了分析，

站位置有利于减少定位误差。

关键词：LabVIEW平台；室内定位；超宽带定位；测距误差中图分类号：TP393

文献标识码：A

文章编号：1000—9787（2019）06—0105—04

UWBsimulationandexperimentalsystem

basedonLabVIEW*

ZHANGChenchen，WANGQing，YANGYuan

（SchoolofInstrumentScienceandEngineering，SoutheastUniversity，Nanjing210096，China）Abstract：Aimingatthedemandforindoorpositioningtechnologyforsmartcityconstruction，apositioninganultramethodbasedonpropagationtimeisstudied．BasedonLabVIEWandMATLABdevelopmentplatform，wideband（UWB）simulationandexperimentalsystemisdesigned．Thesystemcansimulatemeasurementdataanddisplayreal-timesimulationcurvesandtheprocessingresultsofdifferentfilteringalgorithms．Atthesametime，thesystemcanprocessactualmeasurementdataandcalculateactualpositionandpositioningerror．Thesystemisusedtoanalyzeondifferentdeploymentofbasestations．Theexperimentalresultsshowthat，undertheindoorthedeploymentofthebasestationhasagreatinfluenceonthepositioningprecision，andareasonableenvironment，

deploymentofthebasestationisbeneficialtoreducethepositioningerror．

Keywords：LabVIEWplatform；indoorpositioning；ultrawideband（UWB）positioning；rangingerror

0

引

言

［1，2］

AOA）以及用于航位推算的方向于到达角（angleofarrival，和距离等

［11～15］

随着全社会对智慧城市的认识越来越深入，室内环境下基于位置的服务越来越多地得到人们的重视

，室内。针

机场、会展中心、停车场、贵定位技术现已应用于大型商场、

智能交通（室内外无缝定位）等方面重仪器管理、

［3～7］

，TOA因其低复杂度，其中，得到广泛关注

与应用。

UWB）定位系统通常包括标签超宽带（ultrawideband，

因为其高带宽，理论上可以实现厘米（cm）级的定和基站，位

［13］

准确地实现位置的计算对提高效率有重要对不同的场景，

并且分析产品以及定位方式可以降低相对成本。意义，

目前室内定位方法从原理上可以分为：邻近探测法、质多边定位法、三角定位法、极点法、指纹定位法、心定位法、航位推算等

［8～10］

。本文主要利用UWB定位技术以及基于TOA的双

设计了一种基于LabVIEW的UWB仿向测距的测量方法，

能够实现室内定位的仿真，以及在室内不同真与实验系统，

具有简单易操作、可视基站部署下不同测试点的位置计算，系统稳定等特点。性好、1

UWB定位原理

传统的测距技术可以分为双向测距技术和单向测距技术

［13］

。不同的室内定位方法选择不同的观测

主要有：接收信号强度指示（receivedsignalstrength量，

ＲSSI）、TOA），indication，基于信号到达时间（timeofarrival，TDOA）、基于信号到达时间差（timedifferenceofarrival，基

收稿日期：2018—03—24

。其中，单项测距需要基站和标签之间始终完全同步，

*基金项目：国家重点研发计划资助项目（2016YFB0502103）；国家自然科学基金资助项目（61601123）；江苏省自然科学基金资助项目（BK20160696）

106传感器与微系统第38卷

但现实环境很难满足这个要求，

为了减少时钟不同步带来的影响，

本文UWB设备主要使用双向TOA测距。双向测距原理过程大致分为3个阶段：1）标签在t0时刻发送一个信号给基站；2）基站反应时间treply；3）基站在t1时刻发送确认信号给标签。

假设treply已知，则可得到估计距离为d=t×c，其中，

t=（t8

1－t0－treply）/2，c为光速，值为3×10m/s。

假设有i个参考节点，利用信号的传输时间算出距离之后，可以列出i个方程di=

槡（x－xi）2+（y－yi）2，

（x，y）为需计算的目标节点的二维坐标值；（xi，yi）为基站的坐标值，

di为基于双向测距得到的距离值，cm。然后用最小二乘算法求得目标节点位置，使得测量距离与预测距离之差的平方和最小。2

仿真与实验系统设计

本文基于双向测距与最小二乘方法设计了UWB仿真与实验系统。整个系统的分为硬件部分和软件部分。硬件部分，

使用沃旭通讯科技有限公司的机器人定位套件中的UM—208作为标签，UK—100作为基站进行实验，得到多组测距数据。

软件主要包括仿真和实验数据处理2个部分，其中仿真部分主要功能包括：根据设定的噪声幅值生成测距数值，利用滤波算法处理测距数值，计算目标所在的位置以及定位误差并显示。在实验数据处理部分的功能包括：对测距数据的滤波处理、目标位置以及误差的计算与显示。系统结构如图1所示。

图1仿真与实验系统结构

2．1系统的仿真部分

软件利用LabVIEW编写，在仿真部分中，先将基站坐

标以及测试点的坐标写在．TXT文件中，采用文本读取VI函数将基站与测试点的真实坐标，并计算测试点到基站的真实距离值并显示矩阵中，读取与真实距离计算模块如图2。

目标位置与误差计算结果显示模块主要结合MAT-LAB编程，如图3所示，使用中值滤波算法对标签到基站

图2坐标读取与距离计算模块

的4个基站的测距数据进行滤波，然后求其平均值，进行定位运算，

并求出定位误差，利用LabVIEW中的XY图将真实测试点以及定位计算结果与各个测试点的定位误差分别显示。

图3位置与误差计算结果显示模块

滤波算法比较与显示模块包括根据用户选择对其中一个真实测距数据的提取测距数据的滤波前后的波形显示，

如图4，当用户选择查看第1个测试点到第2个基站的距离值，

系统判断这个距离值是否在基站与测试点个数里面，若是，则加入设定的误差，并显示在波形图中，统计均值、

最值、标准差和方差，并利用中值滤波和移动平均滤波对测距值进行处理，

将处理后的数据也显示在波形图中；若输入错误，

则会提示输入错误，可重新输入。图4

滤波算法比较与显示模块

2．2系统的实验数据处理部分

在软件的实验数据处理部分，主要包括实验数据的导

入以及目标位置和定位误差的计算，

采用文本读取VI函数读取数据，

并利用MATLAB编程对数据进行滤波处理以及位置与误差的计算。

利用XY图，将结果显示在界面上，方便查看，实验数据处理模块见图5。

第6期张陈晨，等：基于LabVIEW的超宽带仿真与实验系统

107

图5

实验数据处理模块

3运行结果

对于不同的界面显示，采用选项卡控件显示每个界面。

第1个界面是定位仿真界面，包含仿真基本参数输入部分，主要有添加测试点与基站的坐标读取路径，定位结果的存储路径以及仿真过程中需要给测距值添加的噪声幅值。显示部分包含读取的坐标值、

测试点坐标、计算出的真实距离值以及仿真定位结果与误差值，并展示在波形图中。如图6所示

图6

定位仿真界面

第2个界面是滤波方法比较界面，如图7所示，输入i和j的值，则可查看第i个测试点到第j个基站的测距值。

图7

滤波方法比较界面

同时，利用中值滤波和移动平均滤波处理测距值，得到最大值、

最小值、均值、标准差和方差，同时，将滤波前后的数据值显示在波形图Ⅵ中。第3个界面见图8，主要是实验数据的输入与实际定位结果的显示与存储，具体细节与定位仿真界面类似。

图8

定位实验数据处理界面

4实验分析

以房间西南方向的墙角为坐标原点，在室内设置9个

测试点，

其坐标见表1，4个基站分2组，设置在不同的位置，

其坐标见表2。表1

测试点坐标

cm

序号坐标序号坐标序号坐标

1（291．60，240）4（351．60，300）7（291．60，180）2（231．60，300）5（351．60，240）8（231．60，180）3

（291．60，300）

6

（351．60，180）

9

（231．60，240）

表2

两组基站坐标

cm

组别序号坐标

序号坐标组1

11（51．60，420）12（531．60，60）

13（51．60，60）14（531．60，420）组2

21（111．60，360）22（471．60，120）23

（111．60，

120）24

（471．60，

360）利用设计的软件对实验结果进行分析，得到2组基站在不同位置的位置计算结果，

如图9（a）所示，组1的基站部署正常，

组2较靠近测试点，从图9（b）中定性来看，组2的定位整体误差大于组1的定位误差。

图9两组基站位置的定位结果与误差

为了更好地看出定位误差值，将软件处理的结果整合形成表3。从表3可以看出，

在基站部署叫靠近测试点时，测试的点中有89%的定位误差大于5cm，

67%的定位误差小于10cm；基站正常设置的组1的定位误差有50%大于5cm，100%都小于10cm。由此可见，基站的部署位置对定位误差有一定的影响。

108

表3

组1

序号123456789

坐标（295．12，240．48）（236．36，299．54）（290．23，304．37）（352．42，298．82）（351．28，239．79）（358．54，176．68）（295．91，180．90）（237．94，180．95）（241．15，241．53）

误差3．554．784．581．440．387．694．416．419．67

序号123456789

传感器与微系统

位置计算结果与误差

组2坐标（297．68，236．56）（241．15，296．23）（296．05，289．33）（356．31，296．24）（354．13，238．40）（356．87，176．08）（299．76，182．11）（239．49，182．77）（243．47，242．65）

误差6．9910．2611．566．032．996．578．438．3712．16

第38卷

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5结束语

本文利用UWB定位硬件，基于LabVIEW开发了一种

具有仿真以及实验中目标位置与定位误仿真与实验系统，

并能够比较不同的滤波算法对测距差的计算与显示功能，

数据的滤波效果。利用该系统分析了两组基站不同部署下的定位结果与误差，从结果分析出基站部署的位置对定位误差有一定的影响。该系统实现了实验前的仿真以及实验具有方便、快捷和可视性好等优势。数据的快速处理，参考文献：

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作者简介：

WiFi等室张陈晨（1992－），硕士研究生，研究方向为超宽带、E—mail：chenchen_zhangcc内定位技术及其在智慧康养中的应用等，@163．com。

王

庆（1962－），通讯作者，教授，博士研究生导师，主要研究

空间信息土地调查技术与智慧城市建设领域为室内外导航定位、E—mail：wq_seu@seu．edu．cn。等，

檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸（上接第104页）

形式为B型时，真空传感器的最大响应值可以由52kPa降有效缓解了对金属膜片的冲击载荷。避免了真至3．5kPa，

空传感器承受大过载的情况。但增加对金属膜片的缓冲时也会大大增加真空传感器的响应时间，该种方案仅适合间，

于不要求响应时间的监测情况。参考文献：

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作者简介：

王铁玲（1974－），女，工程师，主要从事传感器技术方面的研究工作。