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uwb測距原理:TWR雙向測距一文詳細介紹!
發布日期:2023-08-09 瀏覽次數:1232

UWB測距主要指的是TWR雙向測距。TWR是Two Way Ranging的英文縮寫,意指雙向測距。簡單說:TWR測距就是uwb測距模塊來回發送超寬帶脈沖信號,通過計算出脈沖信號在兩個uwb模塊之間的飛行時間T,從而確定飛行距離S。

 

 

UWB測距原理

UWB測距主要采用雙向測距(Two-way Ranging)方法,以下所有的方法都包括兩個節點:uwb設備A和uwb設備B(uwb設備可以是uwb模塊,或者uwb標簽,uwb基站),默認uwb設備A是測距的發起者,uwb設備B是響應者。

 

TWR雙向測距主要分為以下兩種方法:

1、單邊TWR雙向測距(Single-sided Two-way Ranging)

2、雙邊TWR雙向測距(Double-sided Two-way Ranging)

 

 

一、單邊TWR雙向測距(Single-sided Two-way Ranging)

單邊雙向測距(Single-sided Two-way Ranging),單側雙向測距(SS-TWR)是對單個往返消息時間上的簡單測量,uwb設備A主動發送數據到uwb設備B,uwb設備B返回數據響應uwb設備A。

 

單邊雙向測距.jpg

圖1:單邊雙向測距


 

測距流程:uwb設備A(Device A)主動發送(TX)數據,同時記錄發送時間戳,uwb設備B(Device B)接收到之后記錄接收時間戳;延時Treply之后,uwb設備B發送數據,同時記錄發送時間戳,uwb設備A接收數據,同時記錄接收時間戳。

 

所以可以拿到兩個時間差數據,uwb設備A的時間差Tround和uwb設備B的時間差Treply,最終得到無線信號的飛行時間Tprop如下:

 

無線信號的飛行時間Tprop.jpg

 

兩個差值時間都是基于本地的時鐘計算得到的,本地時鐘誤差可以抵消。但是不同uwb設備之間會存在微小的時鐘偏移,假設uwb設備A和B的時鐘偏移分別為eA和eB,因此得到的飛行時間會隨著Treply的增加而增加,測距誤差的方程如下:

 

uwb測距誤差.jpg

 

Treply越小,uwb測距越準確。另外Treply不僅僅是uwb設備B接收到發送的時間,也包括裝載數據和發送數據耗費的時間(UWB除了支持測距和定位之外,也可以傳輸數據,標準可以裝載128字節,擴展模式可以裝載1024字節數據。這里我們主要講uwb測距)。

 

典型的誤差關系如下表格所示:(1ns約等于30cm距離誤差)

 

典型的誤差關系.jpg

 

可以看出,隨著Treply和時鐘偏移的增加,會增加飛行時間的誤差,從而使得uwb測距不準確。 因此單邊uwb雙向測距(SS-TWR)并不常用,但對于特定的應用,如果對于測距精度要求不是很高,但是需要更短的測距時間時,可以采用。

 

 

二、雙邊TWR雙向測距(Double-sided Two-way Ranging)

雙邊TWR雙向測距(Double-sided Two-way Ranging)是單邊雙向測距的一種擴展測距方法,記錄了兩個往返的時間戳,最后得到飛行時間。雖然增加了響應的時間,但會降低測距誤差。

 

雙邊雙向測距根據發送消息個數不同,分為兩種方法:

4消息方式(4 messages)

3消息方式(3 messages)

 

(一)雙邊uwb雙向測距4消息方式

分為兩次測距,uwb設備A主動發起第一次測距消息,uwb設備B響應,得到4個時間戳;然后過了一段時間,uwb設備B主動發起測距,uwb設備A響應,同樣得到4個不同的時間戳。最終可以得到如下四個時間差:

Tround1,Treply1;

Tround2,Treply2;

 

雙邊雙向測距4消息方式.jpg

 圖2:雙邊TWR雙向測距4消息方式

 

 

(二)雙邊雙向測距3消息方式

相比較于4消息方式,省掉了第二次測距的發起動作,當uwb設備A收到數據之后,立刻返回數據,最終也可以得到如下四個時間差:

Tround1,Treply1;

Tround2,Treply2;

 

 

雙邊雙向測距3消息方式.jpg

圖3:雙邊TWR雙向測距3消息方式

 

 

三、雙邊雙向TWR測距——飛行時間計算方法

飛行時間計算方法,無論是4消息方式或者3消息方式,都可以使用如下公式計算:

 

雙邊雙向測距飛行時間計算方法.jpg

 


四、雙邊雙向測距飛行時間誤差分析

以上uwb測距的機制都是非對稱的測距方法,因為他們對于響應時間不要求是相同的。使用雙邊TWR雙向測距4消息方式和雙邊TWR雙向測距3消息方式的方法測距,即便使用20ppm的晶體,時鐘誤差也是在ps級別的。

 

誤差公式如下:

 

雙邊雙向測距飛行時間誤差分析.jpg

 

uwb設備A以需要的頻率Ka運行,uwb設備B以需要的頻率Kb運行,Ka和Kb都是接近于數值1的。

為了搞清楚這個錯誤值的大小,如果uwb設備A和B以比較差的晶振(20ppm誤差)運行,例如uwb設備A慢20ppm,uwb設備B快20ppm,或者反過來,這樣將會導致總的誤差在40ppm。

 

這樣Ka和Kb可能是0.99998或者1.00002,即使UWB的工作距離范圍較大,例如100m,無線信號空中飛行時間大概333ns,因為誤差為:20 x 10e-6 x 333 x 10e-9 = 6.7 x 10e-12 = 6.7ps,換算為距離之后也僅僅2.2mm。

 

注意:響應時間是不需要相等的,也及時Treply1不一定要等于Treply2,這樣對于MCU系統的處理帶來了很多便利。

 

主要的誤差來源一定是接收數據的時間戳是否正確,而不是晶體的ppm值。

 

 

五、雙邊雙向測距(響應時間對稱)

比較特殊的例子,雙邊雙向測距方法響應時間對稱,也就是Treply1和Treply2相等,飛行時間計算方法如下:

 

雙邊雙向測距(響應時間對稱).jpg

 

這種方法只是需要一些時間戳做加減法,然后除以4就可以得到飛行時間,但是可能需要更多的時間。另外這種方法的難點在于,怎么保證Treply1和Treply2是相等的。

此文來源于網絡整理,如有錯誤等問題,可咨詢微能信息小編。



六、uwb測距模塊、uwb測距基站、uwb測距標簽

uwb測距模塊:SKU609、SKU620;

uwb測距基站:VDU2506;

uwb測距工牌:VDU1501R

  

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