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目錄

前言

第1章常用無線定位技術(shù)概述

11RFID定位技術(shù)

111RFID技術(shù)簡介

112RFID定位技術(shù)的原理及發(fā)展

12WiFi定位技術(shù)

121WiFi技術(shù)原理

122基于WiFi的無線定位技術(shù)

123WiFi定位技術(shù)的應(yīng)用

13ZigBee定位技術(shù)

131ZigBee技術(shù)原理

132基于ZigBee的室內(nèi)定位系統(tǒng)

14SLAM定位技術(shù)

141SLAM技術(shù)簡介

142SLAM定位系統(tǒng)構(gòu)建

15無線UWB定位技術(shù)

151UWB技術(shù)簡介

152UWB室內(nèi)定位技術(shù)

165G定位技術(shù)

1615G技術(shù)簡介

1625G室內(nèi)定位技術(shù)

17衛(wèi)星定位技術(shù)

171衛(wèi)星定位技術(shù)概述

172美國GPS衛(wèi)星定位與導(dǎo)航系統(tǒng)

173中國北斗衛(wèi)星定位與導(dǎo)航系統(tǒng)

174歐盟伽利略衛(wèi)星定位與導(dǎo)航系統(tǒng)

175俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星定位與導(dǎo)航系統(tǒng)

18常用定位技術(shù)性能對(duì)比

19定位技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

110本章小結(jié)

第2章UWB無線通信技術(shù)

21UWB定位技術(shù)現(xiàn)狀

211UWB技術(shù)的由來

212UWB技術(shù)的發(fā)展

213UWB定位關(guān)鍵技術(shù)

22UWB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

221IEEE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

222ETSI國際標(biāo)準(zhǔn)

223ECMA國際標(biāo)準(zhǔn)

224無線多媒體UWB規(guī)范

225ISO國際標(biāo)準(zhǔn)

23各國監(jiān)管機(jī)構(gòu)及頻譜分配

231中國頻譜分配

232美國頻譜分配

233日本頻譜分配

24本章小結(jié)

第3章UWB無線定位原理及方法

31常見的測(cè)量方法

311三邊測(cè)量法

312三角測(cè)量法

313極大似然估計(jì)法

32UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)原理

321UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

322UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)發(fā)射器原理

323UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)接收器原理

33典型的無線定位方法

331基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間的定位方法TOA估計(jì)法

332基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差的定位方法TDOA估計(jì)法

333基于信號(hào)到達(dá)角度的定位方法AOA估計(jì)法

334基于接收信號(hào)強(qiáng)度的定位方法RSSI估計(jì)法

335混合定位方法

336網(wǎng)絡(luò)連通性

34本章小結(jié)

第4章UWB室內(nèi)定位模型及算法

41UWB的系統(tǒng)信號(hào)

411脈沖波形

412脈沖的調(diào)制方式

413擴(kuò)頻技術(shù)

42UWB的信道模型

421雙簇模型

422SV模型

423IEEE 802153a UWB信道模型

424IEEE 802154a UWB信道模型

43UWB的定位算法

431最小二乘法

432Fang算法

433Chan算法

434Taylor算法

435高斯牛頓算法

44基于UWB的室內(nèi)定位實(shí)現(xiàn)

441TDOA模型

442算法介紹

443仿真與分析

45本章小結(jié)

第5章UWB定位誤差分析及消除方法

51UWB系統(tǒng)的定位精度影響因素

52定位性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

53UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)的誤差分析

54UWB定位誤差消除方法

55本章小結(jié)

第6章UWB系統(tǒng)中的慣性導(dǎo)航輔助定位

61慣性導(dǎo)航原理介紹

611慣性導(dǎo)航的作用

612IMU部件介紹

613慣性器件確定性誤差

614慣性器件隨機(jī)誤差

615慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

62三維空間剛體運(yùn)動(dòng)

621坐標(biāo)系

622坐標(biāo)系間的歐氏變換

623歐拉角

624四元數(shù)

63卡爾曼濾波技術(shù)

631經(jīng)典卡爾曼濾波技術(shù)

632擴(kuò)展卡爾曼濾波技術(shù)

633無跡卡爾曼濾波技術(shù)

634容積卡爾曼濾波技術(shù)

64定位耦合算法

641松耦合算法

642緊耦合算法

65耦合算法與仿真驗(yàn)證

651耦合導(dǎo)航系統(tǒng)初始化

652運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

653量測(cè)方程

654耦合導(dǎo)航

655仿真驗(yàn)證

66本章小結(jié)

第7章UWB定位系統(tǒng)產(chǎn)品迭代研制的行業(yè)案例

71位置傳感器

72位置到業(yè)務(wù)

73UWB定位引擎軟件

74UWB定位系統(tǒng)后臺(tái)軟件研制

75UWB定位系統(tǒng)接口研發(fā)

76產(chǎn)品迭代與性能圖譜

77本章小結(jié)

第8章智能制造原理與UWB定位系統(tǒng)建設(shè)

81智能制造概述

811智能制造的內(nèi)涵

812智能制造的發(fā)展歷程

813智能制造分類

814智能制造關(guān)鍵技術(shù)

82智能制造中物流柔性化和透明化

821柔性與物流的概念

822物流的柔性化和透明化策略

83智能制造中的柔性物流系統(tǒng)

831柔性物流系統(tǒng)分類

832柔性物流系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

833企業(yè)對(duì)物流系統(tǒng)柔性化的需求

84物流系統(tǒng)柔性的測(cè)度

841物流系統(tǒng)的范圍柔性和響應(yīng)柔性測(cè)度

842物流系統(tǒng)的多路徑柔性

843物流系統(tǒng)柔性的可靠性測(cè)度

85智能制造中柔性物流的技術(shù)基礎(chǔ)

851定位精度

852實(shí)時(shí)性

853可靠性

854透明化

86智能制造中柔性物流的定位需求

861柔性物流中的定位對(duì)象

862柔性物流對(duì)定位的功能需求

863柔性物流對(duì)定位的性能需求

864無線定位技術(shù)對(duì)比與選取

865物流中UWB定位方法的選取

87智能制造UWB定位系統(tǒng)的建設(shè)

871UWB定位的空間維度

872UWB定位系統(tǒng)的設(shè)備選型

873影響定位精度的因素分析

874UWB定位系統(tǒng)建設(shè)流程

88本章小結(jié)

第9章UWB定位技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用

91電氣設(shè)備行業(yè)生產(chǎn)線的效率提升

92汽車制造行業(yè)車間現(xiàn)場(chǎng)安燈系統(tǒng)支持

93汽車制造行業(yè)車間工序效率提升

94電子產(chǎn)品制造行業(yè)生產(chǎn)線優(yōu)化

95鋼鐵行業(yè)倉儲(chǔ)管理優(yōu)化

96工程機(jī)械行業(yè)液壓油缸生產(chǎn)線柔性物流UWB定位

961油缸車間柔性物流系統(tǒng)集成需求與UWB系統(tǒng)設(shè)計(jì)

962基于UWB的實(shí)時(shí)3D車間內(nèi)物料位置采集

963基于UWB定位和AR透明化的車間物料配送

97UWB精確定位技術(shù)支撐智能運(yùn)營中心建設(shè)

98本章小結(jié)

附錄

附錄AUWB系統(tǒng)TDOA定位程序

附錄BUWB定位數(shù)據(jù)處理及顯示程序

附錄CUWB系統(tǒng)典型產(chǎn)品性能與選型指導(dǎo)參考

附錄DUWB定位系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化接口協(xié)議參考

D1用戶登錄接口協(xié)議

D2實(shí)時(shí)位置獲取協(xié)議

D3添加和修改地圖節(jié)點(diǎn)協(xié)議

D4刪除地圖協(xié)議

D5添加和修改地圖信息協(xié)議

參考文獻(xiàn)

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前言/序言

前言

未來已來！高精度無線定位技術(shù)為智能制造領(lǐng)域生產(chǎn)要素的精準(zhǔn)定位業(yè)務(wù)帶來了無限可能，也衍生出更多的安全、高效的新業(yè)務(wù)、新產(chǎn)品和新服務(wù)。UWB定位技術(shù)勢(shì)必賦能智能制造，促進(jìn)新一輪的智能制造新業(yè)態(tài)的優(yōu)質(zhì)發(fā)展。

超寬帶（Ultra WideBand，UWB）是一種新型的無線通信技術(shù)，近年來興起了對(duì)該技術(shù)的研究和產(chǎn)品開發(fā)熱潮。UWB定位技術(shù)就是利用電子標(biāo)簽設(shè)備發(fā)射脈沖信號(hào)，定位基站接收，再根據(jù)到達(dá)時(shí)間或到達(dá)時(shí)間差等方法來計(jì)算標(biāo)簽相對(duì)于基站的距離差，從而獲得電子標(biāo)簽的高精度位置數(shù)據(jù)。該項(xiàng)定位技術(shù)可應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、高鐵站、醫(yī)院、商場(chǎng)、化工生產(chǎn)線、智能制造車間等不同的定位場(chǎng)景。

本書詳細(xì)地介紹了UWB定位技術(shù)的原理、方法、模型、算法、研發(fā)路徑和智能制造應(yīng)用案例，共分為9章。第1章主要介紹了常見的定位技術(shù)及其工作原理，如RFID、UWB和衛(wèi)星等，并對(duì)常見定位技術(shù)的性能做了比對(duì)分析；第2章主要介紹了超寬帶UWB無線通信技術(shù)的發(fā)展歷程、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及各國監(jiān)管機(jī)構(gòu)及頻譜分配；第3章主要介紹了UWB定位原理及方法，詳細(xì)地闡述了常見的位置測(cè)量方法、UWB室內(nèi)系統(tǒng)定位原理以及典型的UWB無線定位方法；第4章主要介紹了UWB室內(nèi)定位模型及算法，主要包括UWB的系統(tǒng)信號(hào)、信道模型和定位算法，最后詳述了基于TDOA模型的室內(nèi)定位實(shí)現(xiàn)仿真案例；第5章主要分析了UWB定位誤差的來源和評(píng)價(jià)指標(biāo)，最后分析誤差并給出了消除誤差的方法；第6章主要分析了UWB系統(tǒng)中的慣性導(dǎo)航輔助定位，其中主要涉及的內(nèi)容是慣性導(dǎo)航設(shè)備、三維空間剛體運(yùn)動(dòng)、UWB與IMU的組合定位算法和融合技術(shù)，最后對(duì)提出的算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證；第7章主要闡述了UWB系統(tǒng)產(chǎn)品的迭代研發(fā)路徑與行業(yè)案例；第8章主要闡述了智能制造原理與技術(shù)、智能制造中的柔性物流與UWB，以及UWB在智能制造領(lǐng)域的設(shè)計(jì)與部署方法；第9章分享了UWB定位技術(shù)在智能制造領(lǐng)域各行業(yè)的應(yīng)用案例、實(shí)施效果與項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，如電氣設(shè)備行業(yè)、汽車制造行業(yè)、電子信息行業(yè)、鋼鐵行業(yè)以及工程機(jī)械行業(yè)等UWB定位項(xiàng)目成功案例。

為增強(qiáng)本書的技術(shù)實(shí)用性，在附錄部分涵蓋了關(guān)于TDOA的定位程序、定位數(shù)據(jù)處理及顯示程序、UWB典型產(chǎn)品選型指導(dǎo)以及UWB系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化接口協(xié)議等，兼具實(shí)用技術(shù)手冊(cè)的功能。

本書的編寫工作由同濟(jì)大學(xué)CIMS研究中心的趙榮泳副教授、陸劍峰副教授和張浩教授，以及南京沃旭通訊科技有限公司的總經(jīng)理林權(quán)威合作完成。在此，感謝同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院王磊教授對(duì)本書的學(xué)術(shù)指導(dǎo)。感謝本書編寫小組協(xié)調(diào)人同濟(jì)大學(xué)CIMS研究中心研究生張智舒，以及負(fù)責(zé)各章節(jié)資料整理、分析和研究工作的李咪淵、王妍、賈萍，中德學(xué)院研究生譚光濤。同時(shí)，感謝南京沃旭通訊科技有限公司技術(shù)總監(jiān)房宏、市場(chǎng)經(jīng)理房海燕和博世力士樂（常州）有限公司工程師朱楓對(duì)本書技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用案例的大力支持，以及機(jī)械工業(yè)出版社的付承桂編輯對(duì)本書的修訂建議。

本書以科普性、理論性、技術(shù)性和實(shí)用性為編寫原則，面向智能制造發(fā)展過程中對(duì)各類生產(chǎn)要素高精度定位的需求，深入淺出地闡述了UWB高精度定位技術(shù)的相關(guān)理論、方法、模型和實(shí)現(xiàn)算法。同時(shí)，結(jié)合本書作者及其科研團(tuán)隊(duì)在智能制造領(lǐng)域中的理論和技術(shù)研究，介紹了行業(yè)代表性產(chǎn)品應(yīng)用案例。本書可以為智能制造相關(guān)領(lǐng)域的科研人員、UWB定位軟硬件研發(fā)人員、企業(yè)安全管理和生產(chǎn)運(yùn)營管理人員提供寶貴的技術(shù)參考，也可以作為無線通信、智能制造及其相關(guān)專業(yè)的高年級(jí)本科生或研究生的教材。

本書的部分研究工作得到中德政府間國際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)“基于3D實(shí)時(shí)位置信息的智能工廠物流優(yōu)化與碰撞規(guī)避技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)2017YFE0100900）的資助，部分方法也來自國家自然科學(xué)基金“含雙向充電樁的新能源微電網(wǎng)運(yùn)行機(jī)制建模及優(yōu)化策略”（項(xiàng)目編號(hào)71871160）等項(xiàng)目的研究成果。本書在編寫過程中得到南京沃旭通訊科技有限公司、博世力士樂（常州）有限公司、機(jī)械工業(yè)出版社等相關(guān)單位的大力支持，在此一并感謝。

本書面向日新月異的UWB定位技術(shù)研究和工程應(yīng)用，應(yīng)運(yùn)而生。因成稿時(shí)間緊迫，難免存在不足、瑕疵甚至片面之處，懇請(qǐng)廣大讀者不吝指教。

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