采用ESP32的实时超宽带室内定位系统

如果你试过追踪大楼里的东西，你就会知道GPS很难用。这就是超宽带(UWB)的用武之地;它可以精确定位到大约10厘米的位置。是的,厘米。漂亮的野生。

我一直在摆弄Qorvo DWM3000 UWB模块与ESP32板配对，老实说，它比我预期的要好。在这个ESP32项目中，我们将建立一个室内定位系统，它可以实时跟踪运动。

为什么超宽频?

与依赖数英里外卫星的GPS不同，超宽带只是测量无线电脉冲在设备之间传播所需的时间。DWM3000可以测量精确到纳秒的时间，换算成厘米级的精度。这就是知道某人在房间里和确切知道他们在哪张桌子前的区别。

快速室内跟踪对比：

•超宽带：~10cm，可达200m

•蓝牙：1 - 3米，可以用于“附近”，但不精确

•Wi-Fi: 5 - 15米，基本是房间级别

•室内GPS: 5 - 10米，如果能工作的话

硬件设置

以下是你需要的：

•4个DWM3000模块(1个吊牌+ 3个锚)

•4× ESP32-WROOM板

•Micro-USB电缆用于电源/编程

•面包板或自定义pcb安装一切

DWM3000超级棒，因为它是一个完整的模块——天线、射频组件、晶体、电源管理——集于一体。不需要成为射频专家。只要通过SPI连接到ESP32，你就完成了大部分工作。

引脚连接:

•DWM3000 → ESP32

•VCC → 3.3V (not 5V!)

•GND → GND

•SCK → GPIO18

•MOSI → GPIO23

•MISO → GPIO19

•CS → GPIO4

•RST → GPIO27

•IRQ → GPIO34(可选但方便)

它是如何工作的

从概念上讲，它比听起来简单。在已知位置放置三个锚点，然后标签使用双面双向测距(DS-TWR)与每个锚点通信：

•标记ping锚1

•Anchor 1 responds

•标签发送另一条消息

•Anchor replies with timing

•重复锚2和锚3

每个交换以纳秒的精度测量往返时间。有了三个点之间的距离，你可以用三边测量法来计算位置，基本上就是圆相交。

DS-TWR还补偿了设备之间的时钟差异，这就是为什么它比简单的方法更准确。

锚

我把三个锚定在一个三角形上：

•锚1：左下(15.5)厘米

•锚2：右下(290,5)厘米

•锚3：顶部中心(165,625)厘米

这些坐标很重要，它们需要与Python可视化使用的坐标相匹配。每个锚运行相同的固件，但获得唯一的ID(1,2,3)。代码基本上是一个状态机：等待请求，以精确的时间响应。简单、坚固、可靠。

标签的固件

标签完成了有趣的部分。它连续地在三个锚点之间循环：

我使用中值滤波，因为原始UWB数据可能有噪声。最后50个测量值的滚动缓冲，中值消除了异常值，但保持了响应。一旦标签有了所有锚点的新距离，它就会将所有内容打包成JSON并通过WiFi发送。距离，信号强度，定时，时钟偏移，都在里面调试。

可视化

在PC端，Python处理它：

•TCP服务器接收标签数据

•通过scipy的三边数学

•在平面图上实时标记地块

平面图是背景，锚是三角形，标签是一个移动的红点，信号强度漂浮在每个锚的上方。看着它移动和实时更新是非常令人满意的。

使其运行

1. Flash ESP32s:

•三个锚(id 1-3)

•一个标签，更新WiFi证书

2. 定位硬件：

•在选定坐标安装锚

•一切通电，标签开始自动定位

3. 启动Python脚本：

•安装依赖项：matplotlib， scipy, numpy

•更新IP，将平面图放入文件夹，运行脚本

4. 移动标签：

•更新~每100毫秒

•蓝色的痕迹显示历史

•RSSI表示信号质量

真实的表现

精度：在良好条件下始终保持10-15cm。

好设置:

•视线清晰

•稳定的锚

适当的天线延迟校准(16350适用于我)

坏的设置:

•吊牌和锚之间的金属物体

•移动的锚

•电源噪声

•天线失调

超宽带处理多径比大多数要好，但大型金属表面偶尔仍会干扰读数。

改进空间

•为可靠性/ 3D增加第4个锚

•为多个标签实现TDoA

•Web界面而不是matplotlib

•使用RSSI检测NLOS

•优化电池使用功率

DWM3000可以处理所有这些，它主要是固件工作。

麻烦吗?

•天线延迟校准：耗时太长。16350适合我;测试你的。

•WiFi干扰：流量过大会减慢更新速度。把测距和网络分开。

•电源：使用干净的3.3V与去耦帽。

•坐标系统：Python脚本和锚点位置必须匹配。我花了一个小时翻转Y坐标。

为什么超宽带很酷?

•低功耗：电池休眠模式

•安全：内置防欺骗

•Fast：以毫秒为单位

•可伸缩：如果是mac管理，则有许多标签

•不完美：需要视线，校准，比蓝牙更贵。但在精确的室内定位方面，无人能敌。

最终的想法

说实话，这比我想象的要简单。DWM3000是一个完整的模块是一个救星。最难的部分是计算时间和奇怪的WiFi问题。

如果你尝试，建议：

•从基本的测距示例开始

•先用一个锚钉定位

•调试时记录所有内容

•在移动到真实空间之前，在一个开放的区域进行测试

本文编译自hackster.io