UWB串口数据解析

1.UWB实现途径：LinkTrack

目前实验室采用的是深圳市空循环科技有限公司提供的LinkTrack P-B，相关参数见下表。

1.1 LinkTrack P-B工作模式

（1）LP Mode（局部定位模式）——测距、定位、导航、授时、通信

定位原理与GPS定位相似，应用场合包含单区域定位场合、多区域定位场合以及其他场合。包含多种模式（LP_MODE0、1、4、5、6），主要差别为各个角色的容量与更新频率差异，从而可以适应不同的应用场合需求，但使用方法相同。

在该模式下，可以通过将标签参数配置中的定位输出帧改为NMEA-0183，实现伪GPS。GPS的NMEA-0183输出格式使用的是WG384坐标系，即地球坐标系，而TAG实际输出的数据皆基于基站坐标系，采用的基站坐标系原点是虚拟、固定的（北纬22.5180977度，东经113.9007329度），最终输出的坐标为模拟出的经纬度。因此，如需代替GPS传给无人机，还需结合基站的实际位置做相应转换。根据手册，定位的精度可以保证，一般可直接替换原有载体的GPS接收机。

（2）DR Mode（分布式测距模式）——分布式测距、通信、授时

该模式下只有NODE一种角色，每个节点角色都等价，不区分TAG、ANCHOR、CONSOLE等角色。同时要求运行于同一套系统中的NODE所配置的容量一致。使用NAssistant后，选择其中一个Node，可以观察其与别的节点之间的距离、信号强度等数据。

（3）DT Mode（数传模式）——一对多广播、一对一双向通信

一般配置一个Node为主机MASTER，配置其他的Node为从机SLAVE。将需要发送的数据与传输模式嵌入到NLink_LinkTrack_User_Frame1协议帧，再通过通信接口（UART/USB）发送给MASTER，MASTER会通过无线报文传输给相应的SLAVE，从而实现通信功能。

分为DT_MODE0、DT_MODE1和DT_MODE2。其中DT_MODE1为双向数传模式，支持一个主机与一个从机双向通信；DT_MODE2为广播模式，支持一个主机向无限个从机广播数据；DT_MODE0则为上述两种模式的集成。

（4）三种模式在Role与Protocol上的差异

其中，透明输入指的是通过通信接口（如串口）直接发送未经编码的数传数据。

值得注意的是：

A.手册中还提到了NLink_LinkTrack_Setting_Frame0，通过这一协议可以实现读取当前节点 role、id、基站坐标，写入基站坐标功能。但若要进行写操作，需在进行读操作后，将读取到的部分数据嵌入到要写入的数据帧中。同时基站坐标写入只有在 LP Mode 下，写入到 ANCHOR 或 CONSOLE 中才有效，而TAG 只支持基站坐标读取功能。并且对于TAG，其上电默认所有基站坐标数值无效，直到接收到对应有效基站坐标才会更新，可通过读输入帧查询 TAG 接收基站坐标的具体数值。

B.暂时只能获取 UART、USB 的通信协议，CAN 通信协议暂未开放。

（5）LinkTrack P-B使用过程对软件NAssistant的依赖程度

手册中Q&A提到的“所有组网、定位解算均在模块中完成，NAssistant 主要负责监测、显示、控制、配置功能。并不是在终端运行 NAssistant 系统才能正常工作”，是最简练的答案。

而实际上，整个的模式配置过程都是在该软件上进行的，使用软件时既可以实时观察到状态数据，也能进行无线设置（网络内正常组网的节点的查看及操作）、固件更新以及录制、回放与导出。其中，录制将输出.dat文件，实时状态或者回放状态将导出文本数据到本地.xlsx 文件。在厂家提供的使用ROS解析数据中，也提到了需用到NAssistant。为

本ROS包用于支持Nooploop产品，采用C++编写，只需根据对应产品手册，通过我们的上位机NAssistant配置好模块，确定设备已正常工作后，运行本ROS包中产品对应的节点即可获取产品协议一一对应的ROS消息，为您省去处理数据通信及解析的时间

这里可以看出，如果已经安装了ROS，只要稍加改进应该就能在LP模式下用UWB代替GPS了。而如果硬要自己写解析程序，也得对症下药——根据采用的模式与协议进行解析。

2.通信协议解析

2.1关注的通信协议

根据实用目的，暂时只将LP Mode的四种定位输出帧作为解析处理的对象。

（1）NLink_LinkTrack_Tag_Frame0

（2）NLink_LinkTrack_Node_Frame2

（3）NLink_LinkTrack_Node_Frame3

（4）NMEA-0183

NMEA - 0183 是美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association）为海用电子设备制定的标准格式。目前业已成了全球导航卫星系统下导航设备统一的 RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）标准协议。该协议采用 ASCII 码来传递信息，串行通信默认参数为：波特率＝4800bps，数据位＝8bit，开始位=1bit，停止位＝1bit，无奇偶校验。

帧格式形如：$aaccc,ddd,ddd,…,ddd*hh(CR)(LF)

其中，“$”为帧命令起始位；aaccc为地址域，前两位aa为识别符，后三位ccc为语句名；ddd…ddd为数据；“*”为校验和前缀（也可以作为语句数据结束的标志）；hh为$与*之间所有字符 ASCII 码的校验和（各字节做异或运算，得到校验和后，再转换 16 进制格式的 ASCII 字符）；(CR)(LF)为帧结束，回车和换行符。

NMEA-0183 常用命令如表所示：

其中，UTC1即协调世界时，相当于本初子午线(0 度经线)上的时间，北京时间比 UTC 早 8 个小时。XX可以为GP（GPS）、BD（北斗）、GL（GLONASS），有时可以是GN（多星联合）。GPS下各命令的发送次序为$GPZDA、$GPGGA、$GPGLL、$GPVTG、$GPGSA、$GPGSV*3、$GPRMC。

在这里只关注$GPRMC，格式介绍如下

用户手册中对NMEA-0183的介绍见8.2，包含GGA 、GSA和RMC。

2.2解析程序

基础参考：厂家所提供的解析程序，见[3]。目前进展如下：

• 已将[3]中的程序整合至Qt项目NLinkOrigin.pro中，通过删减其中发送ROS消息的功能，完成了项目NLink_ROSFree.pro。经验证，在Linux环境中支持使用cmake或qmake编译，运行后可与指定的串口或USB口建立联系；增加了打印解析结果的回调函数，便于调试，暂未增加与其他程序的接口。
• 解析程序中似乎不包含NLink_LinkTrack_Setting_Frame0与NLink_LinkTrack_User_Frame1，此外多出了NLink_LinkTrack_Node_Frame5和NLink_LinkTrack_Node_Frame6。

（1）关于原程序架构

int main(int argc, char **argv)
{
  ros::init(argc, argv, "linktrack_parser");
  ros::NodeHandle nh;
  serial::Serial serial;
  initSerial(&serial);
  NProtocolExtracter protocol_extraction;
  linktrack::Init init(&protocol_extraction, &serial);
  ros::Rate loop_rate(1000);
  while (ros::ok())
  {
    auto available_bytes = serial.available();
    std::string str_received;
    if (available_bytes)
    {
      serial.read(str_received, available_bytes);
      protocol_extraction.AddNewData(str_received);
    }
    ros::spinOnce();
    loop_rate.sleep();
  }
  return EXIT_SUCCESS;
}

结合main.cpp与其他源文件，整个程序的流程为：

• ros与NodeHandle节点 init；
• serial init；
• linktrack init: 初始化解码的protocl，以及ROS将用到的publisher、subscribler，同时设置callback，保证收到指定帧数据时，能发布相应的message；
• 设置ROS的message发布速率后进入循环；
• 循环内处理串口信息：解析——判断protocol的handel是否有效，无效则终止程序——callback调用，填充消息并发布，并不时调用ros::spinOnce()，查看缓冲区内有无消息，进行轮转；
• ROS关闭后跳出循环并return。

（2）原程序使用及相关问题

原程序使用步骤：

• 安装serial库：获取代码后，进入文件夹编译项目

  make

  再安装

  sudo make install

• 克隆代码并编译

  cd catkin_workspace/src
  git clone --recursive https://github.com/nooploop-dev/nlink_parser.git 
  cd ../
  catkin_make
  source devel/setup.bash

  运行LinkTrack

  roslaunch nlink_parser linktrack.launch

相关问题：

• 根据CMkaeLists中的配置，默认将库的链接文件libserial.so放在/usr/local中，这使得后续编译时可能会出现共享链接库失败(Cannot open shared object)。建议的解决方法是将/usr/local添加至/etc/ld.so.conf中，并使用/sbin/ldconfig -v更新配置。
• 由于不使用ROS播报，因此未安装ROS的情况下连编译都无法通过。可以安装ROS而利用消息发布、订阅机制，也可以修改源文件，只保留解析部分。事实上也正是按第二种方法进行的。

（3）ROS相关

• 消息自定义、发布和订阅机制：参考[4]中相关链接。而形如nlink_parser/LinktrackAnchorframe0.h的头文件，是ROS将.msg文件转化所得，一般放在ROS的workspace里，以头文件的形式被其他可执行文件所包含，最终能实现调用相应的消息类型。因此没有ROS的情况下无法产生，也不需要此类头文件。

• ROS设置串口和通信波特率是在文件夹lauch中的.launch中定义，串口初始化时再借助ROS库获取，形如

  auto port_name = ros::param::param<std::string>("~port_name", "/dev/ttyUSB0");
  auto baud_rate = ros::param::param<int>("~baud_rate", 921600);

• utils\nutils似乎是与RVIZ显示可执行消息转换器有关。

（4）关于报错：No such file or directory

在程序编译和运行的过程中，这是常见的一个问题，而可能的因素有：程序中的文件路径写错、源文件因编码无法被系统读取、动态编译缺少解释器、共享链接库失败、文件本身不存在或者文件损坏、无执行权限（chmod 777 xxx）和系统位数与程序位数不同。而在这次程序的运行中，出现了这样的报错：

try to open serial port with /dev/ttyUSB0,921600
Unhandled Exception: IO Exception(2): No such file or directory, file .../src/impl/unix.cc/unix.cc, lineXX.

我曾一度以为这是之前的报错类型，但结合前半段的打印内容，我最终发现这是串口初始化过程中抛出的异常。在调用serial->open()时，最终会执行这条语句

 fd_ = ::open (port_.c_str(), O_RDWR | O_NOCTTY | O_NONBLOCK);

以读写方式、不把该文件作为终端设备、设置非阻塞方式打开port_表示的设备。此处，fd_为设备描述符，linux在操作硬件设备时，屏蔽了硬件的基本细节，只把硬件当做文件来进行操作，所有的操作都是以open函数来开始，用以获取fd_，然后后期的其他操作全部控制fd_来完成对硬件设备的实际操作。而在修改后的init_serial.cpp中，直接使用了/dev/ttyUSB0，这表示电脑上的一个USB口，当电脑没有插入U盘等设备时，是不会有此类设备的。最终就会抛出错误，在源文件中即有定义errno 2对应“No such file or directory”。

（5）关于编译：qmake，cmake和catkin_make

• catkin_make：在原程序的编译过程中，使用到了catkin_make，它是一个命令行工具，用以构建catkin workspace中的代码。由于并不打算使用ROS，所以只是粗略查阅，得知catkin_make的本质还是cmake。

• qmake：在使用Qt时，我们使用.pro将源文件整合为可以执行的项目，Qt可以提供良好的文件管理和debug环境，并包含一些内置的类，供用户进行通信（如QUdpSocket）和GUI制作。我们可以直接在程序中按下按钮编译和运行，也可以使用命令行语句，如

  qmake ../NLink_ROSFree.pro
  make -j16				//看不同版本Qt上的Build步骤，似乎也会有make -j8
  ./Nlink

  前者生成Makefile，后者进行编译，生成许多库对应的.o文件和可执行程序（如./Nlink），最后运行。

• cmake：实验室的SummerCamp中有相关的教程，因此我在此不多说。在出现（4）中的情况时，我尝试了改写CMakeList，以保证编译器能找到源文件虽然成功运行后还是在报相同的错误。如果感兴趣，想进一步学习CMakeList，可以参考阅读[4]中的相关链接。cmake的命令行语句是

  cmake ..
  make
  ./linktrack

3.实物调试

目前进展如下：

• 初步实践了如何使用LinkTrack P-B进行UWB定位，但是在使用数根充电线且不使用架子时摆放很麻烦，所以调试先告一段落。
• 整理时发现了源程序还提供了test，有空将其改写、测试现有程序。

Reference

[1]相关手册：选型; 用户手册; 通信协议; NLink协议

[2]第三方协议介绍：NMEA-0183(全); NMEA-0183(GPS)与$GPRMC解析

[3]解析程序Demo：C语言解析协议; 解析与ROS的配合; Serial库; 他人讲解

​ 该部分的程序源码已以zip压缩包的形式放于本仓库中。

[4]零散知识点：

• ROS：NodeHandle,英文介绍; ROS参数服务器; loop_rate与spinOnce; catkin_make; unordered_map; ROS与话题消息1; ROS与话题消息2;
• 串口：串口设备信息获取; /dev/tty解释; 打开串口;
• CMakeList: 简单用法; 全面用法; SummerCamp;
• 编译问题：动态编译的解释器缺失; 系统与程序位数不符; 动态依赖库;
• 其他：assert; std::function函数封装; decltype; 句柄