集成超宽带 (UWB) 模块的驱动因素是为了以绝对精度锚定漂移的系统。通过利用纳秒级窄脉冲特性，UWB 模块提供高精度飞行时间 (ToF) 测距。这使得系统能够收集厘米级距离测量数据，这对于纠正惯性导航固有的累积误差至关重要。
虽然惯性传感器在内部跟踪运动，但它们会随着时间的推移而不可避免地发生漂移。UWB 模块通过提供精确的外部距离测量作为“真实数据”来解决此问题，从而使系统能够同时纠正其位置并绘制环境地图。
高精度测距机制
纳秒脉冲技术
UWB 的核心优势在于其信号结构。该模块传输纳秒级窄脉冲。
由于这些脉冲非常短，因此系统可以非常清晰地区分直射信号和反射信号。
飞行时间 (ToF) 精度
这种信号架构实现了高精度飞行时间 (ToF) 测距。
ToF 测量信号从源传输到目的地的确切时间。在此上下文中，它测量脚部传感器与外部信标之间的距离。
厘米级精度
此过程的结果是厘米级距离观测。
与基于信号强度（波动剧烈）估算距离的系统不同，UWB 提供可靠的物理距离测量。
在算法和误差校正中的作用
实时数据融合
UWB 距离数据并非孤立使用。它直接输入扩展卡尔曼滤波器 (EKF)。
EKF 实时运行，不断将这些绝对距离测量与惯性传感器的相对数据融合。
消除累积漂移
惯性导航系统存在累积位置误差。如果没有外部校正，速度上的微小误差会随着时间的推移变成位置上的巨大误差。
UWB 观测充当约束。通过确认到信标的实际距离，系统将漂移的惯性计算“重置”回正确的位置。
实现 SLAM（同时定位与地图构建）
集成使得系统不仅能够跟踪用户。它能够自动绘制未知环境信标的地图并进行定位。
这意味着系统可以动态确定信标相对于彼此的位置，即使它们的位置没有经过预先测量。
理解依赖关系
依赖外部硬件
虽然 UWB 提供高精度，但它引入了对动态部署信标的依赖。
脚部传感器无法独立纠正其误差；它需要这些外部节点来建立测距数据。
算法复杂性
该过程需要复杂的处理。EKF 必须同时处理跟踪用户不稳定运动和计算信标静态位置的双重挑战。
为您的目标做出正确选择
如果您的主要重点是长期精度： UWB 集成至关重要，因为它可以防止独立惯性系统典型的无限误差增长。
如果您的主要重点是快速环境测绘： 此解决方案允许您进入未知空间，自动构建信标位置的相对地图，而无需事先测量。
UWB 模块最终将标准导航系统转变为自校正测绘引擎。
摘要表：
| 功能 | UWB 集成优势 | 技术机制 |
|---|---|---|
| 测距精度 | 厘米级精度 | 纳秒级飞行时间 (ToF) |
| 漂移控制 | 消除累积误差 | 实时 EKF 数据融合与约束 |
| 测绘 | 同时定位/测绘 | 自动信标位置跟踪 |
| 可靠性 | 高信号清晰度 | 窄脉冲抗反射能力 |
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参考文献
- Chi-Shih Jao, Andrei M. Shkel. Augmented UWB-ZUPT-SLAM Utilizing Multisensor Fusion. DOI: 10.1109/jispin.2023.3324279
本文还参考了以下技术资料 3515 知识库 .