UWB实现手榴弹投掷训练保护装置

手榴弹投掷训练辅助设备

本系统主要采用了STM32F103单片机为控制核心，基于UWB超带宽技术与蓝牙5.0技术、蜂鸣器技术、DC-DC技术和电磁技术等完成的手榴弹投掷训练保护系统。硬件系统包括STM32F103单片机，UWB的DWM1000模块，蓝牙5.0模块，DC-DC稳压模块，继电器模块，蜂鸣器模块，电解质电容等。主控芯片采用的是STM32F103单片机。首先单片机采集DWM1000的TOF数据，计算基站到标签光传播的时间，然后再计算基站到标签的距离，判断这个距离是否达到安全阈值，判决手榴弹是否爆炸。当距离超出阈值的时候，基站单片机通过蓝牙5.0模块发送启动爆炸命令到标签单片机，标签接收到启动命令后迅速开启蜂鸣器与继电器，实现对手榴弹的爆炸操作。新兵进行手榴弹投掷的时候，能够在这套系统的安全保证下完成训练，以保护新兵的生命安全。本新兵手榴弹保护系统的单片机程序采用Keil进行编程，用C语言对手榴弹保护系统进行程序设计。PCB和原理图采用的是Alitim Designer软件，最后进行实物的硬件调试。

UWB二维测距技术原理：
（1）TOF原理讲解
一个基站到一个标签的距离，可以直接使用标签发送一个带有时间戳的数据包，基站接收到数据包之后，如果基站和标签已经经过时间同步的话，基站根据本地时间和标签发送时间包的时间戳的时间做差值，就能知道光传播的时间，这样就能计算距离了。

图 TOF二次握手原理
TOF测距方法属于双向测距技术，它主要利用信号在两个异步收发机（Transceiver）之间飞行时间来测量节点间的距离。因为在视距视线环境下，基于TOF测距方法是随距离呈线性关系，所以结果会更加精准。我们将发送端发出的数据包和接收回应的时间间记为TTOT，接收端收到数据包和发出回应的时间间隔记为TTAT，那么数据包在空中单向飞行的时间TTOF可以计算为：TTOF=（TTOT-TTAT）/2。

图二次握手示意图
然后根据TTOF与电磁波传播速度的时间便可计算出两点间的距离D=CxTTOF（其中C为光在真空传播的速度，TTOF表示传播的时间）
TOF测距方法和两个关键侧约束：
1、发送设备和接收设备必须始终同步
2、接收设备提供信号的传输时间的长短
为了实现始终同步，TOF测距方法采用了偏移量解决同步问题，由于TOF测距方法的时间以来与本地的远程几点，侧距精度容易受两端节点中的始终偏移量的影响。为了减少此类错误的影响，这里采用反向测量方法，即远程节点发送数据包，本地节点接收数据包，并自动响应。通过平均正向和反向多次测量的平均值，减少对任何始终偏移量的影响，从而减少测距误差。

图修正的二次握手示意图

（2）基于UWB的双边测距的原理

DS测距是在SS测距的基础上再增加一次通讯，两次通讯的时间可以互相弥补因为时钟偏移引入的误差。

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。

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