超寬頻(UWB)室內定位系統應用於 智能工廠的部署與最佳化
超寬頻(UWB)室內定位系統應用於
智能工廠的部署與最佳化
文◆財團法人精密機械研究發展中心陳偉民, Tesfaye Wakessa Gussu, 賴嬿如, 與陳哲堅
隨著自動化和智慧工廠的快速發展，室內定位裝置的使用越來越普遍。這發展突顯了精確室內定位系統在提高安全性和生產力方面的重要性。為了滿足室內定位的需求，市場上開發了各種室內定位技術，包括WIFI、藍牙、RFID、ZigBee和超寬頻（UWB）。在這些技術當中，UWB以其最佳的定位精度脫穎而出。然而由於訊號輸出會受到多徑效應的影響，這情況與安裝條件不佳有關但很少被正視、解決。因此，本研究討論了不同的安裝場景和獲取最佳定位精度的參考方法；本研究是將三點定位原理與飛行時間（TOF）相結合，實現對定位標籤的位置測量。此外，通過定位基站和定位標籤進行一系列安裝實驗，用以優化實驗設置的量測結果。最後，在一個34.3公尺×24.5公尺的區域內設置了六個定位基站，並通過在21個不同位置進行位置經度量測。量測結果顯示平均定位精度為22.6公分。這些結果突顯了UWB技術實現高精度室內定位的潛力，使其成為自動化和智慧工廠應用上的最有前景的解決方案之一。
關鍵字—UWB, 超頻寬, 室內定位, 定位基座, 定位標籤, 飛行時間, TOF.
前言
隨著智慧工廠的進步，室內環境中自主設備的使用比例逐步增加，從而對這些設備與人類之間的協作產生了日益增長的需求。確保最佳安全性和提高生產力變得至關重要。因此，實現高定位精度是高安全性和高生產力的關鍵指標之一。目前市面上已經開發和應用了各種室內定位技術[1]。
以WIFI為例，是最常用的室內傳輸技術之一，WIFI具有長距離傳輸的優勢。它可以與RSSI（接收信號強度指示器）[2]、TOA（到達時間）[3]、AOA（到達角度）[4]和TDOA（到達時間差）[5]技術相結合，基於三角測量方法來計算定位精度，該技術在室內定位精度大約小於200公分(cm)。
藍牙技術也是移動設備的主要通訊技術之一。當手持藍牙設備進入熱點區域時，可以記錄和估計出位置[6, 7]。然而藍牙在固定大小的空間內熱點的數量上存在著限制。如果同一區域同時存在太多藍牙設備，它們會顯著地互相影響定位精度[8]。
由於具有低成本和高精度，射頻識別（RFID）已被廣泛應用於工業自動化、車輛管理、倉庫管理、供應鏈管理、醫療保健等領域[9, 10]。RFID利用固定天線將無線訊號轉換為電磁場，使附加在物體上的設備能夠通過誘導電流傳輸訊號[11, 12]。有些業者提出了基於RFID的室內定位技術，並利用TOA和TDOA方法進行定位量測。
ZigBee是一種以低數據速率和長傳輸距離而聞名的無線傳輸技術。它通常應用於家庭和工業設備，譬如遠程抄表、照明控制、無線煙霧檢測和醫療監測等任務[13]。結合RSSI量測技術後，ZigBee可用於根據接收訊號強度進行人員和設備的室內定位。ZigBee還可以通過實現節點間的訊號來擴展室內定位的使用範圍。對比於藍牙技術，ZigBee提供了一種低複雜度和低成本的解決方案[14]。
超寬頻（UWB）是一種基於脈衝的射頻通信技術[15]。它利用大帶寬的能力在特定條件下實現卓越的測距能力。UWB技術通常應用於通信和測距應用。相比其他室內定位技術，UWB技術具有良好的穿透力和抗干擾性。當結合飛行時間（TOF）方法時，UWB技術可以獲得高精度的定位。然而，它在功耗方面的表現相對較差。圖一和表一顯示常見的室內定位技術和特性[1]。
在超寬頻的室內定位系統的實際應用上，多徑干擾和非直射干擾是不可避免的，這導致訊號衰減並使某些測量效果不佳。因此，這種干擾可能導致獲得的定位座標產生偏差。這顯示在實現智慧工廠內精確室內定位時，目前對於定位基座和定位標籤在安裝的貢獻及影響具有較少的研究。
本文提出了一種尋找最佳定位基座(anchor)放置、定位標籤(tag)感測方法，以及確定兩種不同UWB系統設置的最大範圍，以實現增強UWB的定位精度的技術。然後通過數值分析驗證結果、找到最佳測量結果。在所提出的技術中，既不使用額外的感測器，也不使用粒子濾波器或深度學習等學習算法。此外，不需要UWB標籤位置的先前知識，也不需要額外準確的測量設備。最後，在考慮引起多徑和非直射效應的所有因素的複雜工廠環境中測試了所提出的方法。
本文後面架構如下，第二節討論了UWB的室內定位系統的系統設置。第三節討論了最佳安裝條件，第四節比較安裝方法。最後第五節提出了結論。
II.基於UWB室內定位系統的系統設置
本研究採用了一個擁有伺服器、WIFI和定位基座的UWB（超寬頻）系統，如圖二所示。定位技術基於三點測距法，利用飛行時間（TOF）測量來確定定位標籤的位置。TOF測量兩點之間的傳輸時間來計算距離，從而實現精確的定位。
在這研究中使用了六個定位基座作為定位基礎，測量了21個定位標籤的位置。這些定位基座用於接收定位標籤的封包數據，其中標籤處理自身的位置定位和訊息傳輸。UWB系統使用飛行時間（TOF）距離測量技術和三點測距法來定位附有標籤的物體的位置，從而確定其精確位置。三個定位基座之間的最大距離可以達到100公尺(m)，該系統對於測量30公尺×30公尺的空間具有更好的感應效果，在其中可以放置50至100個定位標籤。
圖三展示了[6]所採用的三點測距法原理。已知三個定位基座（A1、A2和A3）的坐標，使用方程式（1）至（3）計算A1T、A2T和A3T之間的距離。
III.最佳安裝條件
儘管UWB系統已建議定位基座最少包含三個的定位基座並於三角形位置分布，但要獲得良好的定位精度，還需要適當的安裝方向或基座高度等等條件。因此，在進行大規模測量之前，有必要對安裝條件進行確認測試。
圖四和圖五展示了實驗場地，面積為45.3公尺×31.7公尺。六個定位基座設置在34.3公尺×24.5公尺的區域內。在這部分實驗中，主要分為兩個部分，以找到定位基座的最佳安裝條件和定位標籤的感測條件。
A.定位基座(Anchor)的安裝條件
在這部分實驗中，定位標籤固定在離地面100公分的高度，並與地板平行，面向等邊三角形的頂點方向。最靠近定位標籤的三個基座均勻地放置，形成一個等邊三角形。基於這個設置，進行了其他條件的變化以進行實驗。
(a) 定位基座的方向：天線在定位基座上的位置會影響其方向，而這取決於其高度和位置。例如，如果定位基站固定在天花板上，天線將朝下，導致其方向相反。如果工廠的天花板過高，則選擇將定位基站固定在側邊牆壁上，這可能是一個更好的選擇，在這種情況下，天線將水平定向；定位基座的坐標列示於表二。
(b) 定位基座之間的距離：在等邊三角形內定位基座之間的距離會影響到定位精度。然而，目前還不清楚定位基座與定位標籤之間應該放置標多少距離以獲得更好的性能與效益。因此，在實驗中設置了三種不同的定位基座之間距離，分別為24公尺、16公尺和8公尺，以檢驗基站放置的效果，如圖六所示。表三顯示定位基座的坐標。
(c) 定位基座距離地面的高度：由於工廠中的空間有限，受到設備放置、天花板高度和其他因素的影響，基座的位置可能需要根據需求進行調整。在這個實驗中，基座的放置高度固定在地面上方的三個不同高度，分別為280公分、100公分和25公分（定位基座放在地板上），如圖七所示。
(d) 影響因子的比較：在這個實驗的部分中，使用了A、B和C三個影響因子，每個影響因子分別有2個水平、3個水平和3個水平。在這三個因子下採用L18直交表進行了總共18組實驗。最後，通過望小特性比較信噪比（S/N）來檢測每個因子的水平對結果的影響程度。在此，信噪比越高，對定位精度的影響就越好。圖八顯示實驗結果，結果顯示直立放置A1的基座比水平放置A2的基座影響更大。這是因為在直立放置的情況下，無線訊可以傳輸更遠，使得定位標籤接收到更好的訊號，從而產生更大的影響。從結果還可以看出，當定位基座以等距離且靠近定位標籤的方式放置時，其影響更好，例如B3。這是因為在較近的情況下，訊號傳輸較不受到其他物體和其他信號的影響。至於定位基座放置的高度，發現將定位基座放置在比定位標籤更高的位置效果更好。從圖中可以看出，將定位基座放置在100公分的高度（C2）的影響要略高於280公分的高度（C1），但差異不明顯，表四呈現出實驗結果。
B. 定位標籤(Tag)感測方法
在這個部分，定位基座被固定在直立位置（天線朝下），高度在280公分，並且最靠近標籤的三個基站以24公尺的等邊三角形排列。接著，調整定位標籤的放置方式、高度和位置，再進行實驗。
(a) 定位標籤放置的方向：定位標籤的放置分為水平和垂直兩種方向。這兩種放置方式的原因是當定位標籤固定在無人叉車或自動導引車上時，通常是水平放置、或固定在無人叉車的桌子、或車頂上以便使用。然而當定位標籤由人員佩戴時，通常是掛在脖子上，則是垂直放置在胸前。
(b) 定位標籤離地面的高度：將標籤與地面之間的距離設定為三個不同的高度：100公分、140公分和180公分。此測試的目的是研究當標籤與地面或定位基座太靠近時，是否會影響定位精度。圖九顯示實驗使用的不同定位標籤高度。
(c) 定位標籤位置：本研究將定位基座放置在一個邊長為24公尺的三角形內。根據製造商的建議，將定位標籤放置在邊長相等的三角形內可以獲得較高的定位精度。然而尚不清楚在三角形內的任何位置是否都同樣能獲得高定位精度；定位標籤距地面高度為100cm，放置位置如圖十所示。
(d) 因子影響比較：在這個部分的實驗，分別使用了三個因子A、B和C，同樣採用L18直交表進行了18組實驗。最終通過望小特性比較信噪比（S/N）來檢視不同水平下每個因子的影響，實驗結果如圖十一所示。水平放置定位標籤(A1)的影響比垂直放置定位標籤(A2)大；這是因為用於定位的超寬頻（UWB）訊號在與地面平行傳播時更有效。當定位標籤水平放置於地板平行時，UWB訊號可以直接沿著地面平面傳播，最小化反射和多徑效應。這導致定位標籤和定位基座之間的距離測量更準確可靠。另一方面，當定位標籤垂直放置時，UWB訊號以垂直於地面的方向傳播。這可能引入來自周圍物體和表面的額外的反射和多徑效應，導致距離測量增加不準確性，從而降低整體定位精度。因此，在UWB系統中，將定位標籤水平放置於地板平行位置可以更好地提高定位精度，減小反射和多徑效應的影響，實現更可靠和精確的精度定位。至於定位標籤放置高度，180cm(B3)的影響比140 cm(B2)和100cm(B1)高。這是因為180 cm高度的定位標籤更靠近定位基座，受地面物品和訊號的影響較小，可以更好地接收訊號。在放置位置方面上，三個定位基座等距離的C2位置最佳，因為該位置具有更多的等距離訊號，導致定位計算誤差較小。這些組合下的平均定位誤差如表五所示。
IV.架設方法的比較
對於定位基座部署測試如圖十二所示，使用(a)五個定位基座和(b)六個定位基座共兩種，期望目標誤差小於30公分。系統原點(0,0)設置在左上角附近的紅點。使用五個定位基座的目的是實現使用較少定位基座完成大範圍的定位系統，這樣可以降低設備成本，同時實現高精度定位。另一方面是使用六個定位基座，優點是所有定位基座都部署在工廠牆壁周圍，這將不會影響製造商現有的使用空間，並可額外獲得定位基座信號，以協助定位標籤進行距離和精密計算。因此，在這兩種部署方法下，設置了21個定位標籤位置，每個位置測量30個數據點，數據每秒更新一次，標籤位置如圖十三和圖十四所示。相應地觀察了不同位置因素下的定位精度，如圖十五和圖十六所示；圖中的T5~T8和T16~T19是靠近水泥柱的標籤位置，部署目的在確認定位標籤無法直接接收最近定位基座信號時對定位精度的影響。
圖十三顯示使用五個定位基座的系統安裝配置可以減少定位基座的使用數量，並有潛在的訊號加強效果，特別是與中央定位基座的結合下。然而測量結果清楚顯示，五個定位基座的配置並不優越，其定位精度在8.0~490.2公分之間變化。平均誤差(AVG)和標準差(σ)分別為55.6公分和102.7公分。另一方面，六個定位基座的感測方法展示了最佳的定位精度，精度範圍在5.4~29.8公分之間。平均誤差(AVG)和標準差(σ)分別為22.6公分和6.2公分。儘管使用較少的參考定位基座並獲得中央定位基座的不受阻礙的距離訊號可能具有潛在優勢，但五個定位基座的配置更容易產生計算誤差，因此不太可能實現高精度的定位。
V.結論
本研究提出了一種方法，用於找到最佳的定位基座配置，補償了定位誤差，並確定兩種不同UWB系統配置的最大範圍，以增強UWB系統的定位精度。通過數值分析驗證了結果，並找到最佳測量結果。該方法不需要額外的感測器或學習算法，如粒子濾波器或深度學習，也不需要對UWB標籤位置或準確基準測量設備具有先前知識。此外，該方法在複雜的工廠環境中進行了測試，解決了引起多徑和NLOS效應的所有因素。本研究採用三角定位原理結合飛行時間（TOF）來測量定位標籤的位置。選擇了一個常規的實驗配置，其中六個定位基座設置於34.3公尺×24.5公尺的區域內。通過在21個不同位置測量位置來評估定位精度，顯示平均精度為22.6公分。這些結果凸顯了UWB技術實現室內高精度定位的潛力，使其成為自動化和智能工廠應用的有潛力的解決方案。
