UWB定位技术

超宽带无线通信技术（UWB） 是一种无载波通信技术，UWB不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。IR-UWB信号，仅需要产生一个时间短至nS级以下的脉冲，便可通过天线进行发送。需要传送信息可以通过改变脉冲的幅度，时间，相位进行加载，进而实现信息传输。（参考于：https://zhuanlan.zhihu.com/p/138505840）
在这里插入图片描述

测距原理

单向双向测距（SS-TWR）

涉及单个消息从一个节点到另一个节点的往返延迟的简单测量，以及将响应发送回原始节点。
在这里插入图片描述
但这种测距方式的误差会随着时钟偏移增加，飞行时间估计中的误差增加到误
差使得估计非常不准确的程度。

双向双向测距（DS-TWR）

是基本的单向双向测距的延伸，其中使用了两个往返时间测量，并将其组合在一起，从而得到飞行时间结果。
在这里插入图片描述
在三个和四个消息情况下的所得飞行时间估计 Tprop 可以使用以下表达式来计算：

使用 DS 测距方式时钟引入的误差为：
假设设备 A 和设备 B 的时钟精度是 20ppm（很差），1ppm 为百万分之一，那么 Ka 和 Kb分别是 0.99998 或者 1.00002，ka 和 kb 分别是设备 A、B 时钟的实际频率和预期频率的比值。设备 A、B 相距 100m，电磁波的飞行时间是 333ns。则因为时钟引入的误差为 2033310-9 秒，导致测距误差为 2.2mm，可以忽略不计了。因此双边测距是最常采用的测距方式。

三基站一标签通讯图解

在这里插入图片描述

以主动扫描标签方式构建，所有行为集中在主基站（A 基站）上发送命令并处理，并且由非常大的可操控性，所有的执行行为只需要操控配置主基站即可。

定位算法

假设基站 A 的坐标为（x1，y1，z1），基站 B 的坐标为（x2，y2，z2），基站 C 的坐标为（x3，y3，z3）, 基站 D 的坐标为（x4，y4，z4）,需要求解的标签坐标为（x，y，z），则有：
在这里插入图片描述

把这些式子转换为矩阵相乘的形式

模块选择

我使用的是广州联网科技有限公司的定位系统，基于该系统，自行设计适合MiniFly的定位标签。该系统的标签是基于 DW1000 定位模块的。在这里插入图片描述
并改造一下MiniFly，将716改为720，桨叶改大一点，并倒置电机，提高升力，并同时将电池换为850mah，通过这些改进，MiniFly在搭载了UWB模块之后还能有接近10分钟的续航时间。

无人机接收控制指令

要实现室内定位无人机编队，除了获取到无人机的准确位置外，还需要对无人机进行控制，最简单的控制方式就是无人机只是搭载UWB定位标签，实现定位功能，然后再电脑上位机通过串口控制遥控器进而实现无人机的定点飞行，另一种方式就是直接使用搭载在MiniFly上的UWB标签模块与无人机直接通信，从而控制无人机。 在这里插入图片描述
第一种方式的优点是简单快捷，而且之前也有串口上位机控制遥控从而控制无人机的基础，缺点是流程过于繁杂，会造成定位数据的延迟，在多台无人机的情况下，定位效果不佳。
第二种方式的优点是流程直接，控制数据能快速的发送到无人机上，而且无人机在获取了自己的位置之后可以采用自主飞行的方式，可以实现多台无人机的定位编队控制。缺点是代码比较复杂，定点飞行算法也需要优化。
在这里插入图片描述
为了实现多台无人机编队，因此我选择了第二种方式。使UWB标签模块模仿MiniFly的WiFi模块发送数据，发送的数据有多种格式，如下：
1.当收到基站发来的数据透传指令时，直接转发给MiniFly
2.在空闲时段，UWB将持续发送当前位置信息给MiniFly
3.在收到灯光控制信息时，由UWB控制WS2812的LED模块 在这里插入图片描述
到了MiniFly这边就接收到搭载在机身上的UWB标签模块的信息。

并在成功接收到数据后调用UWBDataHandle函数处理，这部分函数就涉及接下来的无人机定点飞行。

无人机定点飞行控制

该部分代码涉及了无人机的定点飞行，以及上位机控制无人机飞行，由于只是一个demo，只是简单的引入了误差量，还没实现PID控制。
下面展示一些 内联代码片。

static void UWBDataHandle(u8 *data)
{static u8 Fly_Speed = 20;       //飞行速度(148-128)*0.25static u8 Error = 5;            //UWB目标点与实时坐标之间的误差static u8 Deviation = 10;       //重新执行定点飞行的偏移量static bool re_arrival_fly = false;//重新执行目标点飞行标志static u8 count = 1;            //计算偏离目标点的次数（消除抖动）static u8 countfly = 1;         //用于指令控制无人机飞行的延迟//2022/06/27static bool Low_Speed_Flag = false;//用于降低飞行的速度标志u16 DiffX = 0,DiffY = 0;        //用于记录当前位置与目标点的距离static u8 Radius = 40;          //圆域半径static u8 Low_Speed = 10 , High_Speed = 20;//------------------------------------------------------------//2022/6/3接收到20条指令，或者在执行目标点飞行，就把飞行控制数据重置if(++countfly > 20 || !Arrival_Flag){UWBCtrl.pitch   = 0;UWBCtrl.roll    = 0;UWBCtrl.yaw     = 0;//航向控制数据UWBCtrl.thrust  = 32768;//油门控制数据，居中countfly = 1;}if(data[1] == 0x01) { //目标点数据if(data[2]*256+data[3] != DestX || data[4]*256+data[5] != DestY) {//如果获取到的目标点数据与当前设置的目标点数据不一致DestX = data[2]*256+data[3];//赋值DestY = data[4]*256+data[5];FirstOrder = true;Arrival_Flag = false;//修改标志位，继续飞行ArrivalX = false;ArrivalY = false;re_arrival_fly = false;Low_Speed_Flag = false;//重新发送目标点恢复速度}}else if(data[1] == 0x02) { //实时坐标数据//默认机头方向与Y轴平行LocatX = data[2]*256+data[3];LocatY = data[4]*256+data[5];//2022/06/27计算目标点与实时坐标的距离DiffX = Diff(LocatX,DestX);DiffY = Diff(LocatY,DestY);//2022/06/27到达以目标点为圆心，50为半径的圆域内，降速为10 DiffX <= Radius && DiffY <= Radiusif((DiffX * DiffX + DiffY * DiffY) <= Radius * Radius){Low_Speed_Flag = true;}else{Low_Speed_Flag = false;}//2022/06/27添加if(Low_Speed_Flag && Fly_Speed == High_Speed){//到达圆域内且飞行速度是20，防止多次调用赋值Fly_Speed = Low_Speed;}else if(Fly_Speed == Low_Speed && !Low_Speed_Flag){Fly_Speed = High_Speed;}Type = Fly_Speed;//将数据类型回传//FlagData = Low_Speed_Flag;if(!Arrival_Flag && FirstOrder) { //如果还没到达目标点//横滚飞行控制数据if(!ArrivalX) {//目标点 + 误差 > 当前坐标 && 目标点 - 误差 < 当前坐标//if((DestX + Error) > LocatX && (DestX - Error) < LocatX) {if(DiffX < Error){ArrivalX = true;//X到达指定位置UWBCtrl.roll = 0;}else if(DestX < LocatX ) {UWBCtrl.roll = -((float)Fly_Speed) * 0.25f;//-Fly_Speed}else if(DestX > LocatX ) {UWBCtrl.roll = ((float)Fly_Speed) * 0.25f;//Fly_Speed}}//俯仰飞行控制数据if(!ArrivalY) {//if((DestY + Error) > LocatY && (DestY - Error) < LocatY) {if(DiffY < Error){ArrivalY = true;//Y到达指定位置UWBCtrl.pitch = 0;}else if(DestY < LocatY ) {UWBCtrl.pitch = -((float)Fly_Speed) * 0.25f;//-Fly_Speed;}else if(DestY > LocatY ) {UWBCtrl.pitch = ((float)Fly_Speed) * 0.25f;//Fly_Speed}}//XY到到达指定位置if(ArrivalX && ArrivalY) {Arrival_Flag = true;//到达目标位置//复位准备下次定点飞行}}//---------------------------------------------2022/5/22//只要有一个方向出现了偏移else if(DiffX > Deviation || DiffY > Deviation){if(++count > 10)//连续10次获取到的当前位置偏离目标点才重新执行自主飞行代码re_arrival_fly = true;}else{count = 1;//不连续重新置位1}//继续执行自主飞行if(re_arrival_fly){count = 1;Arrival_Flag = false;ArrivalX = false;ArrivalY = false;re_arrival_fly = false;}}else if(data[1] == 0x03) { //控制数据if(DestX != 0 && DestY != 0){//使无人机在有目标点的情况下可以使用键盘控制而不回到目标点FirstOrder = false;DestX = 0;DestY = 0;}UWBCtrl.thrust = (u16)data[2] << 8;					    //thrust :0~63356UWBCtrl.pitch  = ((float)data[3]-(float)0x80)*0.25f;	//pitch:±9.5 ±19.2 ±31.7UWBCtrl.roll   = ((float)data[4]-(float)0x80)*0.25f;	//roll: ±9.5 ±19.2 ±31.7UWBCtrl.yaw    = ((float)data[5]-(float)0x80)*1.6f;	    //yaw : ±203.2countfly = 1;//重新开始计数//（在接收到下一个指令前一直保持控制数，当不再接收到控制数据，就在一定时间后恢复定点）}else if(data[1] == 0x04) { //RGB，标志位数据UWBCmdProcess(data[2]);//位标志命令解析FlagData = data[2];Color_R = data[3];Color_G = data[4];Color_B = data[5];}UWBCtrl.trimPitch = 0;UWBCtrl.trimRoll = 0;setCommanderCtrlMode(3);//定点模式setCommanderFlightmode(0);//有头模式flightCtrldataCache(WIFI, UWBCtrl);//飞机控制数据发送到执行函数
}

上位机开发

最后一部分就是上位机的开发了，该部分涉及了UWB定位开启，UWB参数配置，还有灯光控制，目标点发送等等功能。
第一部分就是基于广州联网科技有限公司的UWB参数配置功能，基本没什么改动。
在这里插入图片描述
第二部分就开发出了
控制架次的选择：可以选择控制所有无人机或者控制单台无人机；
目标点设置：用于控制无人机的定点飞行；
键盘控制无人机：可以通过键盘的方向键发送控制指令从而控制无人机的俯仰和横滚；
编队路径设置：通过录入多组目标点，可以设置出一条航线，让无人机按照航线飞行；
编队队形：还有四个基础的控制队形，用于无人机集群的编队展示（视频中就实现了三台无人机的三角队形和直线队形）；
灯光控制：为了无人机编队表演的效果，我们在无人机上搭载了全彩LED，通过发送控制指令控制无人机的灯光颜色；
在这里插入图片描述
这部分是我同学开发的，为保护其知识产权，我就不擅自分享代码了。