UWB定位技术及智能制造应用

前言
未来已来！高精度无线定位技术为智能制造领域生产要素的精准定位业务带来了无限可能，也衍生出更多的安全、高效的新业务、新产品和新服务。UWB定位技术势必赋能智能制造，促进新一轮的智能制造新业态的优质发展。
超宽带（Ultra WideBand，UWB）是一种新型的无线通信技术，近年来兴起了对该技术的研究和产品开发热潮。UWB定位技术就是利用电子标签设备发射脉冲信号，定位基站接收，再根据到达时间或到达时间差等方法来计算标签相对于基站的距离差，从而获得电子标签的高精度位置数据。该项定位技术可应用于机场、高铁站、医院、商场、化工生产线、智能制造车间等不同的定位场景。
本书详细地介绍了UWB定位技术的原理、方法、模型、算法、研发路径和智能制造应用案例，共分为9章。第1章主要介绍了常见的定位技术及其工作原理，如RFID、UWB和卫星等，并对常见定位技术的性能做了比对分析；第2章主要介绍了超宽带UWB无线通信技术的发展历程、相关标准以及各国监管机构及频谱分配；第3章主要介绍了UWB定位原理及方法，详细地阐述了常见的位置测量方法、UWB室内系统定位原理以及典型的UWB无线定位方法；第4章主要介绍了UWB室内定位模型及算法，主要包括UWB的系统信号、信道模型和定位算法，后详述了基于TDOA模型的室内定位实现仿真案例；第5章主要分析了UWB定位误差的来源和评价指标，后分析误差并给出了消除误差的方法；第6章主要分析了UWB系统中的惯性导航辅助定位，其中主要涉及的内容是惯性导航设备、三维空间刚体运动、UWB与IMU的组合定位算法和融合技术，后对提出的算法进行仿真验证；第7章主要阐述了UWB系统产品的迭代研发路径与行业案例；第8章主要阐述了智能制造原理与技术、智能制造中的柔性物流与UWB，以及UWB在智能制造领域的设计与部署方法；第9章分享了UWB定位技术在智能制造领域各行业的应用案例、实施效果与项目建设经验，如电气设备行业、汽车制造行业、电子信息行业、钢铁行业以及工程机械行业等UWB定位项目成功案例。
为增强本书的技术实用性，在附录部分涵盖了关于TDOA的定位程序、定位数据处理及显示程序、UWB典型产品选型指导以及UWB系统标准化接口协议等，兼具实用技术手册的功能。
本书的编写工作由同济大学CIMS研究中心的赵荣泳副教授、陆剑峰副教授和张浩教授，以及南京沃旭通讯科技有限公司的总经理林权威合作完成。在此，感谢同济大学中德学院王磊教授对本书的学术指导。感谢本书编写小组协调人同济大学CIMS研究中心研究生张智舒，以及负责各章节资料整理、分析和研究工作的李咪渊、王妍、贾萍，中德学院研究生谭光涛。同时，感谢南京沃旭通讯科技有限公司技术总监房宏、市场经理房海燕和博世力士乐（常州）有限公司工程师朱枫对本书技术研发和应用案例的大力支持，以及机械工业出版社的付承桂编辑对本书的修订建议。
本书以科普性、理论性、技术性和实用性为编写原则，面向智能制造发展过程中对各类生产要素高精度定位的需求，深入浅出地阐述了UWB高精度定位技术的相关理论、方法、模型和实现算法。同时，结合本书作者及其科研团队在智能制造领域中的理论和技术研究，介绍了行业代表性产品应用案例。本书可以为智能制造相关领域的科研人员、UWB定位软硬件研发人员、企业安全管理和生产运营管理人员提供宝贵的技术参考，也可以作为无线通信、智能制造及其相关专业的高年级本科生或研究生的教材。
本书的部分研究工作得到中德政府间国际科技创新合作重点专项“基于3D实时位置信息的智能工厂物流优化与碰撞规避技术研究”（项目编号2017YFE0100900）的资助，部分方法也来自国家自然科学基金“含双向充电桩的新能源微电网运行机制建模及优化策略”（项目编号71871160）等项目的研究成果。本书在编写过程中得到南京沃旭通讯科技有限公司、博世力士乐（常州）有限公司、机械工业出版社等相关单位的大力支持，在此一并感谢。
本书面向日新月异的UWB定位技术研究和工程应用，应运而生。因成稿时间紧迫，难免存在不足、瑕疵甚至片面之处，恳请广大读者不吝指教。

超宽带（Ultra WideBand，UWB）是一种新型的无线通信技术，近年来兴起了对该技术的研究和产品开发热潮。本书以科普性、理论性、技术性和实用性为编写原则，面向智能制造发展过程中对各类生产要素高精度定位的需求，深入浅出地阐述了UWB高精度定位技术的相关理论、方法、模型和实现算法。同时，结合本书作者及其科研团队在智能制造领域中的理论和技术研究，介绍了行业代表性产品的研发和应用案例。为增强本书的技术实用性，在附录部分涵盖了关于TDOA的定位程序、定位数据处理及显示程序、UWB典型产品选型指导以及UWB系统标准化接口协议等，兼具实用技术手册的功能。
本书可以为UWB定位软硬件研发人员、企业安全和生产运营管理人员、智能制造系统研发人员提供宝贵的技术参考，同时也可以作为无线通信、智能制造及其相关专业的高年级本科生或研究生的教材。

超宽带（Ultra WideBand，UWB）是一种新型的无线通信技术，近年来兴起了对该技术的研究和产品开发热潮。本书以科普性、理论性、技术性和实用性为编写原则，面向智能制造发展过程中对各类生产要素高精度定位的需求，深入浅出地阐述了UWB高精度定位技术的相关理论、方法、模型和实现算法。同时，结合本书作者及其科研团队在智能制造领域中的理论和技术研究，介绍了行业代表性产品的研发和应用案例。为增强本书的技术实用性，在附录部分涵盖了关于TDOA的定位程序、定位数据处理及显示程序、UWB典型产品选型指导以及UWB系统标准化接口协议等，兼具实用技术手册的功能。
本书可以为UWB定位软硬件研发人员、企业安全和生产运营管理人员、智能制造系统研发人员提供宝贵的技术参考，同时也可以作为无线通信、智能制造及其相关专业的高年级本科生或研究生的教材。

赵荣泳 博士，副教授，博导，同济大学电子信息与工程学院CIMS研究中心。企业数字化技术*工程中心主任助理。国际电气和电子工程师协会IEEE Member，中国人工智能学会粒计算与知识发现专业委员会委员，上海市微电脑应用学会会员；主要研究方向：复杂系统建模、智能制造。主持国家自然基金项目2项，上海市自然基金项目1项，上海市重大研究计划项目1项，参与国家自然基金重大计划项目1项，重点项目1项，上海市科技创新项目12项，上海市信息化项目6项。获得*科技进步奖二等奖1项，上海市科技进步奖三等奖2项。江苏省双创人才项目1项。发表学术论文及专著83篇。发明专利12项，软件著作权21项，SCI/EI收录26篇。采用UWB技术和人工智能技术，已研制“5G绿色园区智能工业云平台”和“大型制造企业安全管理工业云平台”。

目录

前言

第1章常用无线定位技术概述

11RFID定位技术

111RFID技术简介

112RFID定位技术的原理及发展

12WiFi定位技术

121WiFi技术原理

122基于WiFi的无线定位技术

123WiFi定位技术的应用

13ZigBee定位技术

131ZigBee技术原理

132基于ZigBee的室内定位系统

14SLAM定位技术

141SLAM技术简介

142SLAM定位系统构建

15无线UWB定位技术

151UWB技术简介

152UWB室内定位技术

165G定位技术

1615G技术简介

1625G室内定位技术

17卫星定位技术

171卫星定位技术概述

172美国GPS卫星定位与导航系统

173中国北斗卫星定位与导航系统

174欧盟伽利略卫星定位与导航系统

175俄罗斯格洛纳斯卫星定位与导航系统

18常用定位技术性能对比

19定位技术发展趋势

110本章小结

第2章UWB无线通信技术

21UWB定位技术现状

211UWB技术的由来

212UWB技术的发展

213UWB定位关键技术

22UWB技术标准与规范

221IEEE相关标准

222ETSI国际标准

223ECMA国际标准

224无线多媒体UWB规范

225ISO国际标准

23各国监管机构及频谱分配

231中国频谱分配

232美国频谱分配

233日本频谱分配

24本章小结

第3章UWB无线定位原理及方法

31常见的测量方法

311三边测量法

312三角测量法

313极大似然估计法

32UWB室内定位系统原理

321UWB室内定位系统结构

322UWB室内定位系统发射器原理

323UWB室内定位系统接收器原理

33典型的无线定位方法

331基于信号到达时间的定位方法TOA估计法

332基于信号到达时间差的定位方法TDOA估计法

333基于信号到达角度的定位方法AOA估计法

334基于接收信号强度的定位方法RSSI估计法

335混合定位方法

336网络连通性

34本章小结

第4章UWB室内定位模型及算法

41UWB的系统信号

411脉冲波形

412脉冲的调制方式

413扩频技术

42UWB的信道模型

421双簇模型

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牛顿算法

44基于UWB的室内定位实现

441TDOA模型

442算法介绍

443仿真与分析

45本章小结

第5章UWB定位误差分析及消除方法

51UWB系统的定位精度影响因素

52定位性能评价指标

53UWB室内定位系统的误差分析

54UWB定位误差消除方法

55本章小结

第6章UWB系统中的惯性导航辅助定位

61惯性导航原理介绍

611惯性导航的作用

612IMU部件介绍

613惯性器件确定性误差

614惯性器件随机误差

615惯性导航系统

62三维空间刚体运动

621坐标系

622坐标系间的欧氏变换

623欧拉角

624四元数

63卡尔曼滤波技术

631经典卡尔曼滤波技术

632扩展卡尔曼滤波技术

633无迹卡尔曼滤波技术

634容积卡尔曼滤波技术

64定位耦合算法

641松耦合算法

642紧耦合算法

65耦合算法与仿真验证

651耦合导航系统初始化

652运动学模型

653量测方程

654耦合导航

655仿真验证

66本章小结

第7章UWB定位系统产品迭代研制的行业案例

71位置传感器

72位置到业务

73UWB定位引擎软件

74UWB定位系统后台软件研制

75UWB定位系统接口研发

76产品迭代与性能图谱

77本章小结

第8章智能制造原理与UWB定位系统建设

81智能制造概述

811智能制造的内涵

812智能制造的发展历程

813智能制造分类

814智能制造关键技术

82智能制造中物流柔性化和透明化

821柔性与物流的概念

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统

831柔性物流系统分类

832柔性物流系统优点

833企业对物流系统柔性化的需求

84物流系统柔性的测度

841物流系统的范围柔性和响应柔性测度

842物流系统的多路径柔性

843物流系统柔性的可靠性测度

85智能制造中柔性物流的技术基础

851定位精度

852实时性

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柔性物流中的定位对象

862柔性物流对定位的功能需求

863柔性物流对定位的性能需求

864无线定位技术对比与选取

865物流中UWB定位方法的选取

87智能制造UWB定位系统的建设

871UWB定位的空间维度

872UWB定位系统的设备选型

超宽带（Ultra WideBand，UWB）是一种新型的无线通信技术，近年来兴起了对该技术的研究和产品开发热潮。本书以科普性、理论性、技术性和实用性为编写原则，面向智能制造发展过程中对各类生产要素高精度定位的需求，深入浅出地阐述了UWB高精度定位技术的相关理论、方法、模型和实现算法。同时，结合本书作者及其科研团队在智能制造领域中的理论和技术研究，介绍了行业代表性产品的研发和应用案例。为增强本书的技术实用性，在附录部分涵盖了关于TDOA的定位程序、定位数据处理及显示程序、UWB典型产品选型指导以及UWB系统标准化接口协议等，兼具实用技术手册的功能。
本书可以为UWB定位软硬件研发人员、企业安全和生产运营管理人员、智能制造系统研发人员提供宝贵的技术参考，同时也可以作为无线通信、智能制造及其相关专业的高年级本科生或研究生的教材。

赵荣泳 博士，副教授，博导，同济大学电子信息与工程学院CIMS研究中心。企业数字化技术*工程中心主任助理。国际电气和电子工程师协会IEEE Member，中国人工智能学会粒计算与知识发现专业委员会委员，上海市微电脑应用学会会员；主要研究方向：复杂系统建模、智能制造。主持国家自然基金项目2项，上海市自然基金项目1项，上海市重大研究计划项目1项，参与国家自然基金重大计划项目1项，重点项目1项，上海市科技创新项目12项，上海市信息化项目6项。获得*科技进步奖二等奖1项，上海市科技进步奖三等奖2项。江苏省双创人才项目1项。发表学术论文及专著83篇。发明专利12项，软件著作权21项，SCI/EI收录26篇。采用UWB技术和人工智能技术，已研制“5G绿色园区智能工业云平台”和“大型制造企业安全管理工业云平台”。