UWB十个知识点

news2024/12/23 8:40:43

UWB是一直被基于厚望的高精度定位技术

1：定位技术及UWB特点

位置空间感知技术包括了GNSS、RFID、蓝牙和UWB，在室内和区域空间测量最具技术优势的技术是UWB。

GNSS是广域定位技术，室内以及建筑物旁边等场景，GNSS无法实现定位，需要考虑类似UWB的区域定义技术。GNSS另一个局限性就是功耗大，没有通讯功能，需要增加类似地面蜂窝通讯实现数据通讯。UWB技术支持定位同时，实现数据的双向通讯。

RFID由于其无源和低成本优势，以及标签多种形态优势，应用于物品追溯管理更适用。感知距离近(3-5米)是RFID应用的局限性，在涉及大件物品固定区域出入以及位置管理可以考虑UWB技术；

涉及到大量公众人群以及智能手机互动的场景，基本考虑蓝牙或NFC，医院和停车场位置感知多数采用蓝牙提供位置服务；蓝牙最大的优势是和智能手机无缝互动，智能手机就是电子标签。蓝牙的劣势是抗干扰能力差，另外潮湿环境对于蓝牙信号影响大。

在区域室内外环境内的2B &2C应用场景，需要比较高的位置空间感知要求，UWB才会有真正用武之地。

2：UWB和蓝牙、RFID、WiFi

UWB是一种高精度的无线测量技术，蓝牙、RFID以及WiFi三种技术，严格意义不属于无线测量技术，只能算是一种存在性感知技术。

蓝牙和WiFi更侧重与近距离、中距离的数据通讯，RFID则是无源近距离感知及触发性微量数据通讯；

同时具备高精度的TOF测距、TOA的纳秒级到达时间精度以及AOA高精度到达角度测量，只有UWB一种技术具备。

3：UWB和BLE无线物联网数据通讯

UWB在无线物联网数据通讯的安全性比蓝牙有优势：相比蓝牙物联网数据通讯，UWB具备频率、抗干扰、抗多径等优势。

此外除了脉冲通讯机制、精准测距的无线防伪机制，UWB新通讯标准增加了STS等括链路层安全通讯机制。在汽车钥匙、无线支付等应用场景更具优势。

4：UWB三个核心精准测量技术

5：基于UWB测量技术的常规定位算法

基于TOF的坐标定位：优点：算法简单、精度较高。缺点：标签费电、系统容量小

基于TDOA的坐标定位：优点：标签省电、系统容量大。缺点：基站需高精度时间同步、包络线外精度低

基于AOA+TOF的坐标定位：优点：需要基站数量少。缺点：准确测量角度困难，信号遮挡敏感

6：坐标定位以及坐标定位的精度有实际意义的吗？

其实很多封闭区域或者室内环境，希望掌握目标的位置空间，并非位置坐标，目标的位置空间和目标的位置坐标有什么应有和实施的区别吗？

如果得到目标的位置坐标，需要以下几个前提条件：

需要建立区域空间统一坐标系，对于有很多建筑物以及立体空间而言，这个有难度；
需要对空间精准地理测绘，严格按照空间物体的物理尺寸，这个工作落地难度很大，就算用激光雷达对现实空间三维建模，工作量也是巨大的；
根据建立的坐标系和现场的精准地理信息测绘，制作现实空间的三维地图，制图工作巨大；如果需要PC和智能手机同时支持，则需要制作两套地图；PC和智能手机应用侧需要消耗大量CPU资源来支撑三维地图的调用；
解算目标的坐标，需要部署大量定位基站，每个定位基站需准确地理坐标标定；并且按照三角定位的原则，要求每个定位点需保证有三个可视基站，同时还涉及到人员的佩戴方式限制，几乎是不可能完成的任务；

以上工作如果没有准确落实，10-30厘米的定位精度就毫无意义；

坐标定位是一个复杂的精准测绘的系统工程。

7：坐标轨迹和行踪轨迹

坐标轨迹的对管理其实没有太大意义，管理的目的是掌握目标的行踪而非坐标轨迹。坐标轨迹和区域行踪有哪些区别？

坐标轨迹是基于几何学算法，采用三角定位或者AOA算法，解算目标坐标；坐标定位严重依赖现场的精准测绘，对于环境的干扰没有鲁棒性。

行踪轨迹采用空间网格化管理方式，基于UWB信号的机器学习，将物理空间定义若干空间区域，基于区域的方式，实现目标行踪管理。优势在于：无需现场地理测绘，无需基站坐标标定，实际环境定义任意管理区域。

基于UWB信号区域空间而非坐标的目标踪迹管理相比坐标定位和坐标轨迹，部署实施更简单，基站数量也大大减少（不到20%），体验感也更强（位置感知稳定），是最具性价比的位置空间感知解决方案。

8：UWB坐标电子围栏和UWB机器学习电子围栏

传统UWB电子围栏几乎都是基于坐标的电子围栏，有很多应用局限性：首先只能在图上定义，没有办法现场定义，导致基于地图的电子围栏定义和实际有差距；此外，坐标定位受到实际环境影响很大，定位准确度以及稳定性在复杂工业环境波动很大，导致坐标电子围栏根本就没有办法在复杂工业环境使用；

基于UWB信号机器学习区域空间电子围栏，无需现场的地理测绘，无需锚点的坐标标定，全无线部署，现场区域任意定义。由于基于UWB信号的机器学习而非几何学算法，对于复杂工业环境有不错的鲁棒性，适用于工业环境UWB电子围栏的需求应用。

9：人体及环境对于UWB通讯干扰

人体对UWB的干扰

人体的表面具有平滑且弯曲特点，无线信号在人体表面会形成爬行波。爬行波会令无线信号到达时间以及信号能量衰减都发生变化。

标签放置在头部的性能是最优的，丢包率和测距误差都是最小的；快速运动丢包率提高，测距精度变化不大；胸部时，被人体阻挡的UWB信号有超过50%的测距包丢失，精度也下降了很多；

人员标签最佳佩戴方式是头戴或者臂戴。

墙体、玻璃、金属、液体、草地、树叶对于UWB通讯干扰

UWB可以穿过一般的墙体，CH5和CH9的表现好于CH2；玻璃基本没有什么影响；金属会造成信号的折射，导致测距加长、达到时间加长、到达角度不准；

雨天和潮湿环境会造成无线信号的能量的衰减，UWB在湿度大的环境表现要远好于2.4G信号的蓝牙和WiFi。

无线电磁波信号是不能在液体里面传播，像声波的物理波才可以在水下传播。草地和树叶会导致UWB信号的能量衰减，导致传输距离下降，对于测量精度影响有限。

10：如何面对位置空间需求

需求分析并确认定位技术路线

类似巡检简单需求，采用蓝牙或者RFID就可以了，只有涉及到高要求位置服务需求场景，才考虑UWB技术路线。比如井下复杂且潮湿的环境、复杂工业环境电子围栏的需求、工业环境辅助无人驾驶等等场景。

UWB合理技术方案

类似地下隧道场景，推荐采用一维定位；类似操场等没有遮挡物的环境，可考虑二维坐标定位；有高度定位的需求，采用气压差的方法测量高度；复杂工业环境的电子围栏以及作业面的区域管理，推荐采用精细网格化算法；复杂环境的人/车/物出入管理，考虑出入口算法；类似AGV无人驾驶需求，建议采用UW标锚点的方位定位；大型资产固定场所的定位，可采用方位定位，也可考虑移动式方位定位实现固定资产流动盘点。

针对不同场景采用定位技术路线，才是真正能解决问题的高性价比的方案。