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rafavi
RafaviUWB高精度室内定位系统  

产品信息

产品型号:
rafavi UWB高精度室内定位
年款:
2021
品牌:
rafavi
车型:
定制

准备条件

    UWB技术始于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术,利用频谱极宽的超宽基带脉冲进行通信,故又称基带通信技术、无线载波通信技术等。从UWB出现到20世纪90年代之前,该技术主要用于军事上的雷达系统。
    UWB超宽带技术与传统通信技术有极大的差异,它不需要使用传统通信体制中的载波,而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据,从而具有GHz量级的带宽。超宽带室内定位可用于各个领域的室内精确定位和导航,包括人和大型物品,例如贵重物品仓储、矿井人员定位、机器人运动跟踪、汽车地库停车等。超宽带系统与传统的窄带系统相比,具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此,超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航,且能提供十分精确的定位精度。
    超宽带(UWB)技术支持安全测距和精确传感,为无线设备创造了一个新的空间环境维度。UWB在过去近十年期间被应用于RTLS(实时定位系统)中,实现0.1米级的高精度定位,室内定位进入精确定位时代。高精度的位置数据作为智能工业数据流的重要组成,是智能工业业务流中时间、空间、状态三大数据指标之一,空间位置数据的精确性、实时性以及覆盖完整性,成为智能工业前端感知质量的重要评价维度。在工厂、仓库、物流等场景广泛应用,实现生产效率提升和管理水平提升。

    最近两年以苹果、小米为代表的手机厂商积极将UWB芯片植入手机、音响等各类智能家居,围绕手机为中心,实现手机与智能家居之间的方向、距离与相对位置感知,实现更智慧的应用。
xiaomi uwb illustration
(小米UWB “一指连”方案 )

利用UWB定位能力确定设备的相对位置

精确:即使在密集的环境中也能提供准确的距离。
安全:防止对遥控钥匙和设备的中继攻击。
实时:快速本地化,确保无缝的用户体验。
节能:通过超短的发送时间实现节能。

定位模式
UWB mode
uwb tracker illu
系统架构
system typo

定位系统够成:基站、标签、定位引擎、显示终端 

  • 基站:要使用UWB技术给一个空间做室内定位,必须要预先在该空间安装好定位基站。

    基站通过UWB信号和定位标签进行通信,实现标签的定位功能。

  • 标签:待定位的人员、资产上须佩戴室内定位标签。

    标签发射UWB信号,与基站相互通信,使标签自身被定位。

  • 定位引擎:环境中的基站实时通过网络原始数据发送给定位引擎 (可能位于本地服务器或云端)。

    定位引擎运行定位算法,实时计算出带定位标签的坐标位置。

  • 显示终端:定位引擎计算出的标签坐标,要在显示终端上呈现。

    终端可能是PC、平板电脑、手机等任意有浏览器的屏幕。

结构图
UWB jiegou


核心技术:算法、芯片

室内环境中的常用无线定位测量方法
    无线定位测量方法是指分析接收到的无线电波信号的特征参数,然后根据特定算法计算被测对象的位置(二维/三维坐标: 经度,纬度,高度)。常用的室内无线定位测量方法如下:
    基于AOA(Angle of Arriva, 到达角度定位)的定位算法
    基于TOA(Time of Arriva, 到达时间定位)的定位算法
    基于TDOA(Time Difference of Arriva, 到达时间差定位)的定位算法
    基于RSS(Received Signal Strength, 接收信号强度定位)的定位算法
    混合定位
    不同的算法,定位的精度也不同。为了提高定位的精度,也可以采用多种技术的组合。

基于AOA的定位算法

AOA定位是通过基站天线或天线阵列测出终端发射电波的入射角(入射角是光源与法线的夹角),从而构成一根从接收机到终端的径向连线,即方位线。利用两个或两个以上AP接入点提供的AOA测量值,按AOA定位算法确定多条方位线的交点,即为待定终端的估计位置。
aoa

AOA定位测量方法

基于TOA的定位算法

TOA技术是指由基站向移动站发出特定的测距命令或指令信号,并要求终端对该指令进行响应。基站会纪录下由发出测距指令到收到终端确认信号所花费的时间,该时间主要由射频信号在环路上的传播时延、终端的响应时延和处理时延、基站的处理时延组成。如果能够准确地得到终端和基站的响应和处理时延,就可以算出射频信号的环路传播时延。因为无线电波在空气中以光速传播,所以基站与终端之间的距离可以估算出来。当有三个基站参与测量时,就可以根据三角定位法来确定终端所在的区域。
toa

TOA定位测量方法

基于TDOA的定位算法

TDOA定位算法是一种利用时间差进行定位的方法,通过测量信号达到基站的时间,可以确定信号源的距离,利用信号源到多个无线电监测站的距离(以无线电基站为中心,距离为半径作园),就能确定信号的位置。通过比较信号到达多个基站的时间差,就能做出以检测站为焦点、距离差为长轴的双曲线的交点,该交点即为信号的位置。
tdoa

TDOA定位测量方法

TDOA是基于多站点的定位算法,因此要对信号进行定位必须有至少3个以上的监测站进行同时测量。而每个监测站的组成则相对比较简单,主要包括接收机、天线和时间同步模块。理论上现有的监测站只要具有时间同步模块就能升级为TDOA监测站,而不需要复杂的技术改造。

基于RSS的定位算法

在基于RSS的算法中,被跟踪目标测量来自多个发射器接收的信号强度,以便使用信号强度作为发射器和接收器之间距离的估算参数。这样,接收器将能够估算其相对于发射器节点的位置。在基于RSS的算法中,无线信号传输过程中的多径效应和通过障碍时产生的阴影效应是产生定位误差的主要原因。在开放空间里,若无障碍物的阻隔,可以得到较为精确的定位,而在很多环境下,因为存在各种各样的障碍物导致的多径效应,衰减,散射等等不确定因素,将大大影响其定位精度。另外,基于RSS的算法与其他算法相比也具有一些优势,在基于RSS的算法中,移动标签仅用作接收器,因此依赖于来自多个发射器的接收信号的强度来找到它们的位置。以这种方式,基于RSS的算法倾向于具有较少的通信流量,这有助于改善信道访问控制和定位准确性。此外,较少的通信流量有助于克服对使用中的标签数量的限制。移动标签只是接收器,数量没有限制。

基于RSS的算法可以分为两种主要类型:三边测量和指纹识别。三边测量算法使用RSS测量来估计到三个不同参考节点的距离,从而估计当前位置。另一方面,指纹识别需要收集场景RSS指纹的数据集,该数据集则用于将在线测量与数据集中最接近的指纹匹配用以估计位置。

混合定位

目前,混合定位已成为新的无线定位主流。混合定位的核心思想依赖于可靠的短程测量的使用,以提高无线系统的位置估计的准确性。用已经实现了基本独立的无线定位测量方法(RSS、TOA、TDOA、AOA等)的不同组合来增强位置估算的准确性。

UWB所采用的定位测量方法

对于UWB定位而言,AOA不如其他算法实用。此外,AOA需要传感器之间的大量合作,并且会受到误差累积的影响。虽然AOA具有可接受的准确度,但对于具有强散射的UWB信号而言其功能较弱。

另一方面,RSS算法相对于其他算法没有有效地利用UWB的高带宽。RSS更适合使用窄带信号的系统。而TOA算法在基于UWB的系统等宽带系统中表现更好。使用RSS算法,在提高可实现的准确度的意义上,对大带宽没有积极影响。与提供高精度的时间方法相比,这使得RSS方法的使用效率降低。

关于在二维空间中的定位,TDOA算法需要至少三个适当定位的基站,而AOA算法仅需要两个基站用于位置估计。就准确性而言,当目标物体远离基站时,角度测量中的微小误差将对准确性产生负面影响。TDOA和AOA定位算法可以组合在一个算法中,它们可相互补充,这种算法具有实现高定位精度的优点。

由于UWB信号的高时间分辨率,TOA和TDOA相对于其他算法具有更高的准确度。对目前UWB定位来说最有效的解决方案是采用TOA与TDOA的混合定位算法,因为结合了两种算法的优点。


高精度定位设备:定位微基站、定位微标签
基础定位系统:位置地图服务、实时轨迹显示、组织架构管理、电子围栏报警、软件权限管理
增值应用系统(通用):历史轨迹存储与回放软件、安防摄像联动与录制软件、区域统计与电子点名软件、自动考勤与工时统计软件、自动化巡检任务确认软件
增值应用系统(监管):人员聚众事件监测软件、区域滞留离岗监测软件、群组多人多组互监软件、生命体征监控预警软件、人卡一致性AI查验软件、无监管人员陪同报警软件、区域设防与临时撤防软件、提押过程全流程监管软件
API /开放平台:位置数据接口、事件与报表接口、业务指令下行管道、传感数据上行管道
位置大数据平台:人员热图分析、安全态势研判、位置行为画像、工序效率分析

行业需求:

 电力巡检 电厂/变电站属于高危作业场景,想要实时定位工作人员位置,确保安全。

 公检法司 监狱、看守所、办案中心监管人员困难,事故频发。

 智能制造 厂区想要对人员、车辆、货物进行实时定位,提高管理效率。

 医疗健康 医院的特殊病人需要实时定位其位置,防止发生意外事件。

 仓储物流 仓储物流可通过对员工、叉车进行定位,提供运转效率。

 能源交通 隧道、石油化工、自动驾驶等的工作人员需要实时定位来确保作业安全。

应用场景:
  超宽带可用于汽车、移动设备和消费类设备的交叉领域

  • 安全的汽车免提开启

当您靠近时,汽车、前门或仓库上的超宽带门锁会自动解锁。飞行时间计算使得UWB不易受到基于信号放大的中继攻击。

  • 智能锁

智能锁可通过NFC接触或免接触技术访问,并使用低功耗蓝牙®或超宽带与用户的智能手机通信,从而提高安全级别。

  • 家庭安保与监控(儿童监护、室内监控、可视门铃)

是智能家居和安全方案的重要组成部分,提供对讲功能以及家门口的视频监控。
将可视门铃连接到家庭网关可提供云访问,您在世界任何地方都能够实时获取监控信息。安全易用。

应用方案:
公检法司
:智慧监狱、公安监所、办案中心、法院检察院
工业智能:智能制造、汽车装配、电力能源、钢铁冶金
仓储物流:制造业物流、第三方物流、电商业物流
智慧城市:隧道管廊、医疗养老、数据中心、大型场馆、智慧楼宇
新经济应用:新零售、机器人、自动驾驶

工厂人员定位:智慧工厂仓库中高精度人员、物资、车辆定位管理系统,工业4.0重要组成,定位精度10cm级
监狱/公安/司法:可进行人员的进出管理、实时位置查询、禁区监管、隔离距离控制、人员调度,能对人员的位、行进路线、距离、速度进行监控和统计。实现监狱、看守所、办案中心人员精确定位,精度高、容量大、无误报
汽车生产线定位:汽车整车产线上精准定位整车、拧紧工具、送料车辆实现自动化精益生产,提高汽车产线效率
仓储物流定位:实时追踪资产和库存,改进流程,提高搜索效率,减少资源浪费;为叉车、人员、货物、资产提供高精度定位、导航解决方案,联合定位精度<30cm
电厂巡检定位:局部危险区域安全定位管理,电厂、变电站、风场等人员巡检轨迹定位,危险区域电子周界划定警报
隧道/管廊/地铁:对施工人员进行实时自动跟踪,随时掌握每个员工在隧道的位置及活动轨迹、全隧道人员的位置分布。当遇到突发事故,可以迅速找到被困人员可靠的位置信息,提高抢险救灾、安全救护的效率
石油化工:零延时精确定位人、车、物的实时位置,直观及时地反映化工业的现场情况、人员状况,提高石油化工行业安全保障的力度及效率
医院/养老院: 24小时智能管控,全天候安全守护,实时分析看护人员、来访人员、病人/老人行为,提升医院/养老院精细化管理效率

智能制造解决方案

智能工厂作为实现智能制造的重要载体,如何借助基础元器件、感知设备、制造设备、制造单元与生产线互联互通,构建“可测可控、可产可管”的集成环境,进而促进离散型制造业的柔性化、流程型制造业的智能优化,成为全球众多优秀制造企业首要考虑的问题。
高精度的位置数据作为智能工厂数据流的重要组成,是智能工厂业务流中时间、空间、状态三大数据指标之一,空间位置数据的精确性、实时性以及覆盖完整性,是智能工厂前端感知质量的重要评价维度。Rafavi®智能制造高精度定位管理系统,从不同类型制造企业管理的难点痛点出发,借助UWB无线超窄脉冲定位,实现对工厂内的人、车、物、料等的精确定位、无缝追踪、智能调配与高效协同,大幅提升工厂的精益生产及精细化管理水平。

产品实现
     分为硬件产品和软件产品。在硬件端精位科技研发出UWB芯片、系统控制器、定位标签、定位基站。
    定位标签分为腕带型定位标签、车载型标签、工牌型标签等。
    在软件端拥有强大的系统功能:定位管理、电子围栏、数据记录、告警管理、轨迹回放、位置地图、视频联动等。

标签类型
   
定位标签为有源标签,能做成不同的形态固定在物体、车辆或佩戴在人员身上使用,在不同应用环境下拥有多变性。每一个标签都有唯一的ID号,可通过这个ID号将定位的物体联系起来,使定位基站(定位传感器)通过标签找到实际定位的位置。标签传输信号持续时间很短,能够允许成百上千的标签同时定位。
 band wristcarkit typework card
 safety hatasset type

定位基站:
    定位基站(定位传感器)可以通过到达时间差(TDOA)测量技术,来确定标签的位置,并将数据传输至网络控制器及定位引擎软件。根据使用场景不同也有多种形式。
base station

应用软件:

应用软件主要体现为系统功能。UWB室内定位系统基本功能可包括:
.人员分布显示:佩戴定位标签的人员分布情况
.人员移动轨迹:通过电子地图实时显示一个或多个人员移动轨迹;
.跟踪指定人员:地图随着标签的移动自动切换,将鼠标移到标签上可以看到标签的当前状态;
.电子围栏:通过平面电子地图上不同颜色和形状显示人员的报警位置状态。

 UWB定位原理:

1.每个定位标签以UWB脉冲重复不间断发送数据帧;
2.定位标签发送的UWB脉冲串被定位基站接收;
3.每个定位基站利用高敏度的短脉冲侦测器测量每个定位标签的数据帧到达接收器天线的时间;
4.定位引擎参考标签发送过来的校准数据,确定标签达到不同定位基站之间的时间差,并利用三点定位技术及优化算法来计算标签位置;
5.利用单基站定位一般采用AOA((Angle of Arrival)算法,采用多基站定位多采用TDOA(Time difference of Arrival)算法。


系统示意图:
system base tag 1200


 
技术参数
蓝牙AOA的精度0.5米,UWB AOA的精度10cm;
蓝牙AOA的覆盖范围:高度*1.5 米;UWB AOA的覆盖范围:20~50米。

利用UWB定位能力确定设备的相对位置
 
BLE AOA与UWB技术对比
 项目 蓝牙AOA 蓝牙RSSI
(上行:网关收)
蓝牙RSSI
(下行:Beacon发)
UWB
协议 基站 BT5.1
标签 BT4.2 以上
基站 BT4.2 以上
标签 BT4.2 以上
基站 BT4.2 以上
标签 BT4.2 以上
基站 UWB
标签 UWB
典型精度 0.3~0.5 m 5~10 m 5~10 m 0.1~0.3 m
刷新率 中等
兼容性
手机、手环、手表、
Beacon等各类标签
手机、手环、手表、
Beacon等各类标签
需额外带Lora等
回传信号特殊标签
UWB特殊标签
标签功耗
基站成本 一般 一般
标签成本
下行播发服务
物联网网关能力
 
 
 Wifi、蓝牙、UWB技术对比
定位技术 定位精度 安全性 穿透性 抗干扰 功耗 辐射 定位最远距离 建设成本 应用行业
Wifi 3~10 m 较高 较强 较高 30~50 m 较高 商业、工业
蓝牙 3~5 m 较高 较低 较低 10 m 较高 商业
UWB 0.1~0.5 m 非常高 200~500 m 较高 工业
 
 
 
 

注意事项

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安装步骤

负责安装

常见故障及解决方案

无故障
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北京瑞驰四方汽车技术有限责任公司