室内定位-UWB测距-实验报告

课程编号：0802295课程性质：选修超宽带室内定位实习报告学院：专业：地点：班级：组号：姓名：学号：教师：2016年11月1日至2015年11月8日前言一．实习目的1.巩固和加深课堂所学理论知识，培养学生理论联系实际、实际动手能力。2.掌握UWB测距与通信模块套件PulsON410RCM的基本使用方法。3.掌握室内基于TOA以及基于路径损耗测量距离的基本方法。4.掌握UWB定位基本原理，用Matlab编写超宽带室内定位算法。二．实习任务1.RCM、RET软件的安装与基本操作。学习RCMRET软件的安装与使用.2.室内距离测量与误差分析。利用一组模块，观测和记录真实距离和距离测量值，用卷尺测量一组给定的实际距离。3.室内UWB信号穿墙测试。利用一组模块，分别放置于墙的两边观测穿墙对信号到达时间和接收信号强度的影响。4.室内路径损耗建模实验。利用一对模块，测量不同位置和不同距离条件下的路径损耗，建立室内路径损耗模型。5.室内静态目标定位实验。固定三个模块的位置并建立一个直角坐标系，利用距离测量值估计静态目标的位置。三．实习要求1．应遵守《电子元器件防静电要求》中的防静电有关规定。2．实习期间，各组组长应切实负责，合理安排小组工作。应使每一项工作都由小组成员轮流担任，使每人都有练习的机会，切不可单纯追求实习进度。3．实习中，应加强团结。小组内、各组之间、各班级之间都应团结协作，保证实习任务顺利完成。4．实习期间认真学习《超宽带室内定位实习指导书》。5．实习期间，要特别注意仪器的安全。各组要指定专人妥善保管。每天出工和收工都要按仪器清单清点仪器和工具数量，检查仪器和工具是否完好无损。发现问题要及时向指导教师报告。6．若发生仪器事故，要及时向指导教师报告，不得私自拆卸仪器，以免造成更大的损失。一旦发生事故，如实写出事故的经过，并作出深刻检查，交给指导老师，根据仪器损害的鉴定结果作出相应的赔偿。7．严格遵守实习纪律。在实验室不得嬉戏打闹，不看与实习无关的书籍或报纸。未经指导教师同意，不得缺勤，不得私自外出和游泳，否则后果自负。实习内容一．实习项目1.RCM、RET软件的安装与基本操作。2.室内距离测量与误差分析。3.室内UWB信号穿墙测试。4.室内路径损耗建模实验。5.室内静态目标定位实验。二．实习原理、方法与步骤1.实验一：室内距离测量及测距误差分析依次将一对UWB模块(RCM)之间的距离手工地利用发给的卷尺分别设定为1米、3米和5米。利用UWBRCM对每一个设定距离进行测量。在RCMRET软件应用视窗中，选择“Send”键。在新视窗的左边，选择“RangeRequest”并写入响应模块的ID号。在新视窗的右边，选择“Repeat”和“Count”,设定count数为200、“Delay”为500毫秒。每次距离的测量分两次进行，一次是两个UWBRCM之间没有遮挡物，信号是在视距(line-of-sight)环境下传播。另外一次是两个模块（天线）之间有遮挡物（可以自己选择相应的遮挡物）。利用“Logging”键开始以及停止记录数据。比较测量到的距离和真实距离之间的差别。检查观测误差的标准偏差是多少。备注：当模块间隔距离较小时，由于信号存在饱和或压缩现象，会导致距离测量的误差偏大。2.实验二：室内信号穿墙测试超宽带信号具有一定的穿透物体的能力。把一对UWBRCM模块分别放在厚墙的两边。首先，两模块之间的连线和墙面是垂直关系。两模块之间的距离分别设定为2米和3米，观测记录系统测量到的距离和信号强度。然后两模块之间的连线和墙面之间的夹角设定为45度，重复以上实验。分析厚墙对距离测量和信号强度测量的影响。依然是利用“Logging”键开始以及停止记录数据。并设定count数为200、“Delay”为500毫秒。下面的两个实验也是如此。3.实验三：路径损耗建模实验利用两个UWBRCM模块，一块连接计算机，作为固定站，但可在一定范围内移动。另外一块作为移动站，依次放在至少12个不同的位置上。两个模块之间的距离设定在1米到8米之间，这12个或更多的距离比较均匀地分布在这两个距离之间。在每个点上观测记录两个模块之间的视距距离和接收信号强度。通过数据处理，估算出路径损耗系数。另外，通过曲线拟合，画出拟合曲线。4.实验四：室内静态目标定位实验利用四个模块作为固定节点，手工地放置在合适的位置上。通过建立一个直角坐标系，这四个固定节点的位置为已知。第5个模块作为移动节点，依次放在三个不同的地点，具体位置坐标需要手工确定。在每个地点上，分别测量移动节点到四个固定节点的距离。利用距离测量值估计静态目标的位置。分析位置估计误差。备注：四个模块应该尽量处于不同的高度上。三．相关示意图1.实验一：室内距离测量及测距误差分析（1）视距条件下的测距实验。分别测量Distance真实距离为1m，2m与5m时的观测距离。（2）非视距条件下测量距离，重复上述操作并与视距情况进行对比分析。2.实验二：室内信号穿墙测试（1）两模块连线与墙面垂直时，进行距离为2m与3m的观测，得到观测距离。（2）两模块连线与墙面成45°角，进行距离为2m与3m的观测，得到观测距离。3.实验三：路径损耗建模实验（1）利用两个UWBRCM模块，一块连接计算机，作为固定站，但可在一定范围内移动。另外一块作为移动站，依次放在至少12个不同的位置上。两个模块之间的距离设定在1米到8米之间。备注：实验真实测定15个点的距离。4.实验四：室内静态目标定位实验（1）利用四个已知位置坐标的模块与一个未知位置坐标的模块通过距离交汇法实现室内定位。四．实习成果及评价实验成果主要通过给出观测距离与实际距离差异，信号接收功率，信号信噪比，系统给出的测距误差估计值，定位点与实际点偏差的图标。其中信号信噪比根据设备说明书给出的此式求得：)/(10log*20SNRNoiseVpeak。1.实验一：室内距离测量及测距误差分析a)真实距离为1m的情况（因为实际场地限制，真实距离多于1m，但通过测量已经确定真实距离为1.390m）i.视距与非视距情况下，实际距离与观测距离比较。（图4-1-1-1）ii.视距与非视距情况下，接受信号强度比较。（图4-1-1-2）iii.视距与非视距情况下，信号信噪比比较。（图4-1-1-3）iv.视距与非视距情况下，系统给定的测量误差估计值比较。（图4-1-1-4）结果分析与评价：通过图4-1-1-1可以看出，无论是视距条件还是非视距条件下，观测距离都比真实距离要大，这可能是因为系统存在一个为正值的系统误差。其次，视距条件下比非视距条件下所得的实际距离观测值要精度更高，离真实距离偏差更小，这是符合理论推倒的，视距条件下信号质量好，所得观测结果更精确。这是因为非视距条件下存在衍射与多路径效应等，这些都会影响精度。通过图4-1-1-2分析，非视距条件下信号损失了很大一部分能量，这造成了接收信号功率在两种条件下的显著差异。很明显，视距条件下的接受功率要大于非视距条件下的接受功率，这也符合物理规律，信号走过的路程越多，损失的能量越多。通过图4-1-1-3分析，视距条件下信噪比要高于非视距条件下，这说明视距条件下信号的质量更好，这与图4-1-1-3-2-1是相对应的，信噪比高意味的测距时噪声造成的干扰越小，精度也越好。通过图4-1-1-4分析，视距条件下观测状态比非视距条件下要稳定，非视距条件下的观测值出现了几个粗差，因为误差已经超过了10米，观测抖动很剧烈，这是因为非视距条件下的观测环境很差，容易受外界因素干扰影响。b)真实距离为3m的情况（因为实际场地限制，真实距离多于3m，但通过测量已经确定真实距离为3.642m）i.视距与非视距情况下，真实距离与观测距离之间差异比较。（图4-1-2-1）ii.视距与非视距情况下，接受信号强度的差异。（图4-1-2-2）iii.视距与非视距情况下，信号信噪比的差异。（图4-1-2-3）iv.视距与非视距情况下，系统给定的测量误差估计值比较。（图4-1-2-4）结果分析与评价：对比图4-1-2-1、4-1-2-2、4-1-2-3、4-1-2-4可以发现，视距与非视距情况之间的差异基本与1m条件下的规律相同，如视距条件的测距精度高于非视距条件，接收信号强度与信号信噪比，信号稳定性同样视距情况下都高于非视距情况。将图4-1-2-1、4-1-2-2、4-1-2-3、4-1-2-4与图4-1-1-1、4-1-1-2、4-1-1-3、4-1-1-4一一对比可以发现，3m情况下测距精度与1m情况下基本相当，无论是视距情况还是非视距情况两者距离不同但其他条件相同时，测距精度并不会随测距距离增加而显著下降。参考UWB设备参考书后，发现在一定范围的距离内，测距精度与测距距离无明显相关性。但是在接收信号强度与接收信号信噪比方面，1m条件下信号质量与强度都明显强于3m条件，猜测信号的损失与被干扰程度与信号所走过的路程有明显的相关性，而且极有可能是正相关。c)真实距离为5m的情况（因为实际场地限制，真实距离多于5m，但通过测量已经确定真实距离为7.040m）i.视距与非视距情况下，真实距离与观测距离之间差异比较。（图4-1-3-1）ii.视距与非视距情况下，接收信号强度之间差异比较。（图4-1-3-2）iii.视距与非视距情况下，接收信号信噪比之间差异比较。（图4-1-3-3）iv.视距与非视距情况下，系统给定的测量误差估计值之间差异比较。（图4-1-3-4）结论与分析：通过图4-1-3-1、4-1-3-2、4-1-3-3与图4-1-2-1、4-1-2-2、4-1-2-3、4-1-2-4-及图4-1-1-1、4-1-1-2、4-1-1-3、4-1-1-4的一一对比，进一步验证了前面所得的结论。此时，超宽带测距误差进一步加大，已经出现随测量距离增加而扩大的趋势。但7m条件下比起5m条件信号强度与信号信噪比并无明显下降。2.实验二：室内信号穿墙测试a)两模块间距离为2m，两模块间连线与墙面成45°与90°角i.测量距离之间差异（图4-2-1-1）（图4-2-1-2）ii.接收信号强度之间差异（图4-2-1-3）iii.接受信号信噪比之间差异（图4-2-1-4）iv.墙面时间延迟大小差异（图4-2-1-5）v.分析与结论穿墙情况下，因为墙面造成的信号延迟原因，测量距离比实际距离多了一个为正的系统误差，2m垂直情况下多出了40cm，2m成45°角情况下多出了60厘米左右，发现这个系统误差与墙面厚度有关，而且极有可能是线性关系，因为40cm乘以2恰恰约等于60cm。穿过的墙面厚度约大，信号强度损失越多，信号的信噪比越小，信号所受干扰越大，信号质量越差。b)两模块间距离为3m，两模块间连线与墙面成45°与90°角i.测量距离之间差异（图4-2-2-1）（图4-2-2-2）ii.接收信号强度之间差异（图4-2-2-3）iii.接受信号信噪比之间差异（图4-2-2-4）iv.墙面时间延迟大小差异（图4-2-2-5）v.分析与结论通过图4-2-2-1、4-2-2-2、4-2-2-3、4-2-2-4、4-2-2-5与图4-2-1-1、4-2-1-2、4-2-1-3、4-2-1-4、4-2-1-5的一一比较对应，比较好的检验了上述相关结论，因为测量实验期间各小组一起在一个走廊内实验，相互间干扰比较大，实验结果可能出现较大的波动，但整体趋势与规律并没改变。墙面带来的信号损失与延迟与信号穿过墙面距离密切相关，穿过距离越大，信号延迟越大，信号质量也越差。4.实验三：路径损耗建模实验a)每个观测点所得的路径损耗系数曲线i.平均法：每一个点的距离用本组观测距离观测值的平均值，每一个点的接收信号功率用本组观测信号强度的平均值。信号发射功率由所得数据的TransmitGain与UWB设备说明书中的下图可得。这样计算最后可得一共15个不同的路径损耗系数。结果可用MATLAB的拟合工具cftool得到路径损耗系数的拟合曲线。（图4-3-2-1）ii.线性最小二乘法取所有点的观测值同意计算，用线性最小二乘法计算出一个与所有