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[无线] #宅家发存货-5# 拆个Robomaster比赛专用的UWB标签

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发表于 2020-2-9 20:39:59 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 trex000 于 2020-2-9 20:44 编辑

上图之前先放点干货


UWB (ultra-wide band, 超宽带)技术源于20世纪60年代的军用雷达技术之一,在2002-2006年之间逐渐向民用领域开放,其使用纳秒级别的非正弦超窄脉冲进行数据传输,因此占用较宽的频谱范围,工作频率在3.1-10.6GHz之间。此外由于其发射脉宽极窄,使其具有功耗极低,信道衰落不敏感,对普通无线设备干扰低(对于WiFi、蓝牙等设备而言UWB信号相当于白噪声),截获能力低等优点。从工程角度来看,民用UWB技术通常只采用单周期高斯脉冲,低功耗、单一的数学调制和解调方式使得发射、接收、编解码等一系列功能都可以在同一块芯片上实现,既缩小体积又减少系统复杂度[参考1]。此外由于具有优异的穿墙性能,UWB还可用作室内定位,比如iPhone11 pro和pro max两款手机上就搭载了UWB定位芯片,我没有仔细调查过这两款手机的室内定位能力,但根据DJI设计的这个UWB模块的精度,考虑到苹果的技术能力,想必定位性能不会太差。



UWB由于技术可以实现通信和测距二合一,用来实现Robomaster机器人上裁判系统与裁判服务器系统通信,同时实现更高精度的室内定位是最合适不过了。Robomaster是DJI主办的面向高中生和大学生(包括本科、硕士、博士)的机器人比赛,具体信息可自行搜索。根据规则和需要,参赛的每台机器人上需要加装比赛官方的裁判系统,用于检测功率、血量、发射速度等信息,同时还需要定位模块让机器人在比赛场地中的相对位置能够准确显示于地图上,为操作手和观众提供信息。裁判系统会和赛场上的服务器进行实时通讯,实时地将机器人的血量和诊断信息传送出来作为判别依据,移动通信必然使用无线电传输,但蓝牙距离限制太大,普通2.4GHz模块信道质量奇差,433/915MHz等无线电频率容易造成或遭受不必要的干扰,大功率WiFi耗电太大,并且考虑到比赛场地布满金属和障碍物以及各种无线通讯设备地复杂射频环境,UWB通讯是较为理想的实现方式,采用UWB通讯的同时还可以通过在场地内设置多个UWB基站来实现UWB定位,一举两得。


UWB测距技术和激光定位测距的TOF (time of flight, 飞行时间)技术基本原理相同,只不过为了增加精确性和鲁棒性采用了TW-TOF (two-way time of flight, 双向飞行时间法). 基本工作原理是[参考2]
                 定位标签和基站在上电时各自生成独立的时间戳
                 定位标签在标签时间戳Ta1发出定位信号a,信号a在时间基站时间戳Ta2被基站收到
                 定位基站在基站时间戳Tb1发送响应信号b,信号b在标签时间戳Tb2被标签收到
                 则发送端(标签)时间差为Ttrans=Ta1-Tb2,响应端(基站)时间差为Tresp=Ta2-Tb1
                 可得飞行时间Ttof=(Ttrans-Tresp)/2=[(Ta1-Tb2)-(Ta2-Tb1)]/2
                 乘以光速c即可得到距离D=c*[(Ta1-Tb2)-(Ta2-Tb1)]/2
如果要同时实现数据传输,只需要设计好数据帧格式,并在每个package特定位置加入时间判断标志位即可,不作赘述。由于光速极快,1ns内已经传输了30cm,为了提高检测精度,UWB定位芯片通常采用高倍数PLL (phase lock loop, 锁相环电路)来提高时钟频率,比如DW1000芯片可通过PLL提供高达64GHz的时钟,即每个时钟周期宽度为15.65ps,以此提高信号分辨率。


在测距基础上,很容易实现一、二、三维的UWB定位,较常见的一种方法是TDOA (time difference of arrival, 时间差到达),简单的数学实现原理见参考3,还有一些相关知识可查阅参考2和Wikipedia


比赛官方的裁判系统中包括4-5块装甲板,用于检测碰撞,作为扣血依据;一个电源模块,为机器人云台和发射部分供电,兼具功率测量功能;一个血条指示灯,指示状态和血量;一个或两个枪口测速模块,用于监测发射速率是否超标,同时可以根据测量值和规则限定值显示枪口发热程度;一套图传系统,给操作手和观众提供实时或延迟的视频反馈(过热后裁判系统会在视频信号中加上2s延迟作为处罚);一个信息面板,可以显示各种参数以及调整设置,还可以用作裁判系统与电脑通讯界面;最后还包括本帖的主角——UWB通信标签。一整套裁判系统价格接近3万,单独这个模块好像单卖要2000多一个,DJI的东西真的是天价,还好所有裁判系统都是官方提供,比完赛归还即可,不需要自己掏钱


上图

20190818_IMG_0439.JPG
外形比较科幻,形状类似钻石切割,上面有注塑凸印的RM logo

20190818_IMG_0440.JPG
带上数据线的整体大小,左边四颗螺丝加起来大约一角硬币大,整个模块大概乒乓球大小

20190818_IMG_0442.JPG
数据线为5芯4针航空插公头,有防水圈

20190818_IMG_0443.JPG
仔细看看,里面的插针是镀金的
比较神奇的是裁判系统所有模块之间均为4pin航空插或者4pin排线通讯,扣除电源线之后通信线只有两根,那么会是什么协议呢?串口?I2C?CAN?还是大疆自有协议?

20190818_IMG_0438.JPG
拆下底下的4颗螺丝,M2.5内六角自攻螺丝

20190818_IMG_0445.JPG
开瓢了,刚打开的时候感觉有点紧,都不敢用力掰,毕竟是2000多块钱捏在手里,万一拆坏了就百给
还好加了点力之后顺利开壳,上壳为塑料,挺厚的,底壳为铝合金,起到一定的EMI屏蔽作用

20190818_IMG_0446.JPG
覆盖了铜箔的是控制板,竖在上面这块黑色的是UWB天线

20190818_IMG_0447.JPG
天线上印有DJI商标
看看天线两面铜皮的形状,可以判断这是单极化全向天线,关于天线类型的相关知识可参阅这篇文章,关于UWB天线的知识可参阅这篇文章

20190818_IMG_0451.JPG
拿下PCB,揭开铜箔,底下没什么东西,只有接线焊点

20190818_IMG_0448.JPG
翻过来看看,黑色的射频馈线由IPEX端子连接到PCB,整块板子都涂了三防漆,大疆一贯作风。两块大的芯片都打了保密胶,不过没关系,按照DJI的尿性,左下角的LQFP芯片必然是STM32,在UWB模块中不需要非常强大的运算能力,因此可能是STM32F103;上面的QFN芯片必然是UWB芯片了,外围有预留屏蔽罩焊盘,不知为何没焊上,数了数每一面有12个引脚,大概率是DW1000,这里附上数据手册
板子上还有micro USB接口和两个信号灯,把模块连接到电脑会有提示音,用设备管理器可以看到USB设备,但没有其他任何反应,不知道这个口子是干什么用的,可能是升级固件?下载数据?

20190818_IMG_0450.JPG
角落里是一片孤岛式隔离的QFN芯片,丝印MP66,根据invensense命名规则猜测是MPU6600(MPU6500丝印为MP65,可查其数据手册),然而查不到资料,可能是DJI定制芯片?或者是我猜的不对?
说起来,这种在PCB中间挖出一小块用来放置灵敏元件的做法非常值得借鉴,陀螺仪、数字温湿度计、电压基准等芯片均对温度和EMI敏感,单独放置或孤岛式布局有利于减少PCB整体向周围孤岛中元件散发的热量和干扰
为什么UWB定位模块里面还要放一枚陀螺仪芯片,我猜是为了结合陀螺仪的数据进行位置信号融合,实现更加精准和实时的定位,不得不佩服DJI的工程师

20190818_IMG_0449.JPG
掏空了,底壳里面是CNC加工的,凹陷位置为高大的原件预留了沉降空间,可以减少厚度,金属层更接近PCB也能起到更好的EMI屏蔽效果


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moontree + 6 謝謝分享
x067 + 10 用料还行啊。

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发表于 2020-2-9 22:03:45 | 显示全部楼层
用料还行啊。
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 楼主| 发表于 2020-2-9 22:07:00 | 显示全部楼层

毕竟那么贵
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发表于 2020-2-9 22:13:05 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
看过rm比赛,确实很高级,是技术流公司该举办的比赛。为公司以后储备人才。比用人力资源在校招会上吹牛皮要好很多多倍。公司还搞了夏令营
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发表于 2020-2-9 22:34:14 | 显示全部楼层
有个dji的雷达RD2412F啥时候也拆了看看,也是不知道接口定义
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 楼主| 发表于 2020-2-9 22:35:29 | 显示全部楼层
copyright927 发表于 2020-2-9 22:34
有个dji的雷达RD2412F啥时候也拆了看看,也是不知道接口定义

你说MG1S上那个雷达吗?网上有人拆过,走的CAN总线好像
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发表于 2020-2-10 00:08:46 | 显示全部楼层
你接电脑有反应协议肯定是USB 就是需要专用软件
你看看那个4针圆口是不是和USB接口直接相通
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 楼主| 发表于 2020-2-10 09:42:07 | 显示全部楼层
15142895016 发表于 2020-2-10 00:08
你接电脑有反应协议肯定是USB 就是需要专用软件
你看看那个4针圆口是不是和USB接口直接相通 ...

试过用DJI assistant能搜索到,4针圆口不可能是USB因为所有设备是可以挂在一对通信线上互相通信的,CAN的可能性大一些

点评

你应该外壳开孔把USB接口露出来 以后玩就不用总是拆开外壳了 我之前翻垃圾箱捡到过类似的 就用USB接电脑了 原来的线只是找出了供电正负极 外壳开了孔方便插USB  详情 回复 发表于 2020-2-10 12:02
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发表于 2020-2-10 11:47:18 | 显示全部楼层
分析得好专业,应该是设计人员
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 楼主| 发表于 2020-2-10 11:54:14 | 显示全部楼层
rishew 发表于 2020-2-10 11:47
分析得好专业,应该是设计人员

还是学生希望将来能成为设计人员
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发表于 2020-2-10 12:02:28 | 显示全部楼层
本帖最后由 15142895016 于 2020-2-10 12:15 编辑
trex000 发表于 2020-2-10 09:42
试过用DJI assistant能搜索到,4针圆口不可能是USB因为所有设备是可以挂在一对通信线上互相通信的,CAN的 ...

你应该外壳开孔把USB接口露出来 以后玩就不用总是拆开外壳了

我之前翻垃圾箱捡到过类似的(不是一模一样) 就用USB接电脑了 原来的线只是找出了供电正负极 外壳开了孔方便插USB 具体怎么玩就不知道因为没有4针圆口 捡到的时候数据线被剪断了 如果不是拆开看见USB 我就不会玩了 (捡的时候以为是个无线网卡或蓝牙模块) 看到你的帖子我才知道我捡到的那个东西是什么了
你的比我的外壳干净多了 我捡到的光是清洗外壳就费了很长时间

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 楼主| 发表于 2020-2-10 12:25:12 | 显示全部楼层
15142895016 发表于 2020-2-10 12:02
你应该外壳开孔把USB接口露出来 以后玩就不用总是拆开外壳了

我之前翻垃圾箱捡到过类似的(不是一模一样 ...

哈哈哈你运气不错啊,能捡到这个,不过这种东西没有对应的基站感觉玩不起来
之前我一个学弟去参加RM夏令营,在大疆的垃圾堆里捡到一台妙算,你们这都是神仙运气

点评

你这个通电以后能不能用蓝牙或者wifi设备搜索到  详情 回复 发表于 2020-2-10 22:35
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 楼主| 发表于 2020-2-10 12:29:56 | 显示全部楼层
kelchdeng 发表于 2020-2-9 22:13
看过rm比赛,确实很高级,是技术流公司该举办的比赛。为公司以后储备人才。比用人力资源在校招会上吹牛皮要 ...

是的,RM是技术含量很高的比赛了,吊打智能车大赛跟FRC之流,听说比赛里面成绩突出或者被看上的可以直接获得DJI面试资格
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发表于 2020-2-10 22:35:57 | 显示全部楼层
trex000 发表于 2020-2-10 12:25
哈哈哈你运气不错啊,能捡到这个,不过这种东西没有对应的基站感觉玩不起来
之前我一个学弟去参加RM夏令 ...

你这个通电以后能不能用蓝牙或者wifi设备搜索到
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 楼主| 发表于 2020-2-11 11:43:39 | 显示全部楼层
15142895016 发表于 2020-2-10 22:35
你这个通电以后能不能用蓝牙或者wifi设备搜索到

不能,手机和电脑都搜不到信号
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