Углубленный анализ модуля UWB650 (часть 4): калибровка задержки антенны, рекомендации и передовой опыт развертывания модуля

Калибровка задержки антенны

Эта глава — наиболее технически насыщенная часть отчёта. В ней будет последовательно разобран весь процесс калибровки задержки антенны, начиная с базовых физических принципов и углубляясь в анализ реализации на уровне кода. Освоение этого процесса — ключ к раскрытию полного прецизионного потенциала модуля UWB650.

Теоретическая основа: почему задержка антенны является основным источником ошибок измерения дальности

• Определение : Задержка антенны — это общее время распространения сигнала между опорной точкой, где генерируется временная метка внутри микросхемы UWB, и физической точкой излучения антенны. Она включает в себя задержку передачи и приёма сигнала внутри микросхемы, на печатных платах и ​​через саму антенну.

• Влияние на точность : Хотя эта задержка крайне мала (на уровне наносекунд), она не учитывается во времени пролёта сигнала (ToF) по воздуху, однако учитывается в необработанном измерении ToF. Точность измерения дальности сверхширокополосного сигнала основана на точном измерении временных интервалов наносекундного уровня. Любое нескомпенсированное фиксированное отклонение времени напрямую приводит к ошибке измерения расстояния. В официальной документации представлена ​​очень наглядная метрика: ошибка измерения времени в 1 нс приведёт к ошибке измерения дальности примерно в 30 см .

• Необходимость калибровки : Из-за производственных допусков компонентов, различий в материалах печатных плат и типа используемой антенны значение задержки антенны каждого модуля UWB650 уникально. Предустановленное на заводе значение ANTDELAY (по умолчанию 16440) — это всего лишь эмпирическое значение, подходящее для общих ситуаций. Для приложений, требующих высокой точности менее ±10 см, выполнение независимой и точной калибровки задержки антенны для каждого модуля не является опцией, а необходимым шагом.

Математический метод: решение задачи задержки с использованием метода наименьших квадратов

Представленный метод калибровки основан на принципе, рекомендованном Qorvo, основная идея которого заключается в использовании избыточных данных измерений между несколькими модулями для решения их соответствующих неизвестных задержек.

• Моделирование проблемы : для процесса калибровки требуется как минимум три сверхширокополосных модуля (UWB). Сначала параметры задержки антенн всех модулей устанавливаются равными нулю. Затем, в сценарии с известными физическими расстояниями, выполняется двусторонний замер расстояния между каждой парой модулей, в результате чего получается матрица измеренных расстояний (EDM_Measured), содержащая 6 измерений (d12, d21, d13, d31, d23, d32). Одновременно на основе физических измерений получается матрица истинных расстояний (EDM_Actual).

• Цель оптимизации : Цель калибровки — найти набор значений задержки антенны, минимизирующий разницу между измеренными с учётом компенсации расстояниями и истинными расстояниями. Математически это выражается как минимизация разницы между нормами двух матриц:

• Решение методом наименьших квадратов (Linear Least Squares) : Хотя задача описывается как минимизация нормы матрицы, представленный код на языке C раскрывает конкретный метод её реализации — метод наименьших квадратов (Linear Least Squares). Задачу можно преобразовать в переопределённую систему линейных уравнений. Для любого измерения между парой модулей i и j погрешность измерения в основном определяется суммой задержек их антенн. Можно установить следующее соотношение:

где c — скорость света. После преобразования расстояния во время каждое измерение может быть получено в виде линейного уравнения относительно неизвестных задержек τ_i и τ_j. При наличии достаточного количества измерений (например, 6 измерений между 3 модулями) можно построить переопределённую систему уравнений Ax=b, где x — вектор, содержащий все неизвестные задержки. Эту систему можно решить методом наименьших квадратов, решив нормальные уравнения (A ^T A)x = A ^T b.

Практический рабочий процесс калибровки

Ниже приведены стандартные рабочие этапы, которые инженеры выполняют для выполнения точной калибровки задержки антенны для модулей UWB650 в лабораторных или полевых условиях:

1. Физическая установка : выберите открытое пространство без значительных отражателей. Надёжно разместите не менее трёх модулей UWB650 и точно измерьте физическое расстояние d_Act между ними с помощью высокоточных инструментов, например, лазерного дальномера. Для уменьшения помех, вызванных многолучевым распространением, расстояние между модулями должно быть достаточно большим (например, более 30 метров), или мощность передачи модулей должна быть соответствующим образом снижена.

2. Первоначальная конфигурация : с помощью последовательного инструмента отправьте команду UWBRFAT+ANTDELAY=0 всем 3 модулям, чтобы обнулить их компенсацию задержки антенны.

3. Сбор данных : выполните двусторонний ранжирование между всеми парами модулей последовательно. Например, для модулей 1 и 2 сначала модуль 1 выступит в роли инициатора для ранжирования модуля 2, записав расстояние d21; затем модуль 2 выступит в роли инициатора для ранжирования модуля 1, записав расстояние d12. Выполните измерения для всех 3 пар модулей (всего 6 измерений) и запишите все 6 значений ранжирования.

4. Расчёт значений задержки : запустите предоставленный инструмент калибровки Qt Antdelay_cal.exe. В интерфейсе введите 6 измеренных значений расстояния и 1 ранее измеренное фактическое физическое расстояние d_Act, затем нажмите кнопку «Рассчитать».

5. Параметры записи : инструмент выведет 3 значения регистра ANTDELAY, соответствующие каждому модулю. Отправьте UWBRFAT+ANTDELAY=команду каждому модулю через последовательный порт для записи рассчитанных значений калибровки в модули.

6. Сохранение и проверка : отправьте команду UWBRFAT+FLASH каждому модулю, чтобы сохранить новые значения задержки антенны во флэш-памяти модуля. После сохранения выполните измерение расстояния ещё раз. Расстояние, сообщаемое модулями, теперь должно в значительной степени соответствовать фактическому физическому расстоянию с погрешностью обычно не более ±10 см, что указывает на успешную калибровку.

Успех всего процесса калибровки в конечном итоге зависит от точности измерения физического расстояния. Сам алгоритм предполагает, что входное опорное значение является абсолютно точным. Любая ошибка, возникшая на этапе физического измерения, будет рассматриваться алгоритмом как систематическое смещение и «калиброваться» в значениях задержки антенны, что приведет к систематическому смещению в конечных результатах. Поэтому обеспечение соответствия точности физических измерений точности, требуемой сверхширокополосной системой, является важнейшей частью процесса калибровки.

Рекомендации по развертыванию и передовой опыт

Цель этой главы — перевести вышеупомянутые технические детали в практические рекомендации по развертыванию модулей UWB650 в реальных условиях. В ней будут обобщены рекомендации по устранению неполадок и ответы на часто задаваемые вопросы из официальной документации, что позволит системным интеграторам получить практическое руководство по развертыванию.

Смягчение воздействия факторов окружающей среды: помехи и эффекты многолучевого распространения

Производительность системы UWB тесно связана с физическими характеристиками среды развертывания.

• Прямая видимость (LoS) имеет решающее значение : хотя сверхширокополосные сигналы обладают некоторой проникающей способностью, они не могут эффективно проникать через материалы высокой плотности, такие как железобетонные стены. Когда сигналы сталкиваются с такими препятствиями, они отражаются. Хотя связь всё ещё может быть установлена, увеличение длины пути отражённого сигнала приводит к увеличению времени пролёта, что приводит к серьёзным ошибкам измерения дальности. Металлические пластины или крупные металлические объекты особенно хорошо поглощают сверхширокополосные сигналы и могут создавать мёртвые зоны.

• Анализ воздействия распространенных препятствий :

• Сплошные стены : сигналы не проникают сквозь них. Любой результат измерения дальности, полученный при обходе угла, получен за счёт отражённых сигналов, и данные ненадёжны.

• Стеклянные стены : оказывают значительное влияние на точность измерения расстояния.

• Столбы, деревья и т. д .: степень влияния зависит от расстояния. Если модули находятся далеко друг от друга (например, 100 метров), препятствие посередине оказывает меньшее влияние. Однако, если препятствие находится на расстоянии менее 1 метра от любой из антенн, это может привести к значительному дрейфу данных.

• Картон, деревянные доски : если они не слишком толстые (≤5 см), их влияние на точность измерения расстояния ограничено, но они все равно будут вызывать затухание сигнала.

• Рекомендации по развертыванию : В системе позиционирования якоря следует устанавливать на высоте (рекомендуется выше 2 метров от земли), чтобы максимально увеличить вероятность обеспечения прямой видимости между метками и якорями, избегая помех со стороны людей, транспортных средств или наземного оборудования. Успешное развертывание UWB — это не только задача электронной инженерии, но и задача по защите окружающей среды от радиочастот, требующая тщательного планирования.

Устранение распространенных проблем с точностью определения дальности и позиционирования

Если точность системы не соответствует ожиданиям, вы можете устранить неполадки, выполнив следующие действия:

• Низкая точность измерения дальности :

• Проверка окружающей среды : убедитесь в отсутствии неожиданных физических препятствий между модулями или сильных источников электромагнитных помех поблизости.

• Проверка на помехи : проверьте наличие поблизости других UWB-устройств, работающих в том же диапазоне частот (CH5).

• Проверка оборудования : убедитесь, что антенна правильно установлена ​​и надежно подключена.

• Проверка калибровки : убедитесь, что на всех модулях, участвующих в определении дальности, была выполнена точная калибровка задержки антенны.

• Плохая точность позиционирования :

• Проверка координат : Наиболее частая причина ошибок — неточные настройки координат якоря. Обязательно регулярно проверяйте, что измеренные значения физических точек развёртывания полностью соответствуют значениям, записанным в модули командой UWBRFAT+COORDINATE, и что единицы измерения указаны верно (сантиметры).

• Геометрическая схема : проверьте, соответствует ли размещение якорей рекомендуемым геометрическим конфигурациям (например, треугольнику, прямоугольнику). Неправильная геометрическая схема (например, все якоря расположены примерно на одной прямой) может привести к эффекту геометрического снижения точности (GDOP), когда небольшие ошибки определения дальности усиливаются, что серьёзно влияет на точность окончательного позиционирования.

• Высота и копланарность : убедитесь, что все анкеры установлены на рекомендуемой высоте. Для двухмерного позиционирования убедитесь, что все анкеры находятся примерно в одной горизонтальной плоскости.

• Зона покрытия : Убедитесь, что метка находится в пределах эффективной зоны позиционирования, ограниченной якорями. При выходе метки за пределы зоны покрытия якорей точность позиционирования резко снижается.

Углубленный анализ серии модулей UWB650

• Углубленный анализ модуля UWB650 (часть 1): введение в технологию UWB и модуль UWB650

• Углубленный анализ модуля UWB650 (часть 2): освоение основных функций: настройка и использование

• Углубленный анализ модуля UWB650 (часть 3): расширенные функции и обслуживание системы

• Углубленный анализ модуля UWB650 (часть 4): калибровка задержки антенны, рекомендации и передовой опыт развертывания модуля

• Углубленный анализ модуля UWB650 (часть 5): команды настройки