Bachelor's Thesis

Mapping of the movement 2D space using UWB modules

Final Thesis 5.36 MB Appendix 5.62 MB

Author of thesis: Jan Brokeš

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Tomáš Kratochvíl, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Aleš Povalač, Ph.D.

Abstract:

This bachelor’s thesis is focused on the design of a system for mapping the movement of an object in a two-dimensional space using Ultra-Wideband technology. The thesis describes the basic principles of UWB localization, distance measurement using the Two-Way Ranging method, and subsequent position determination by trilateration. The practical part deals with the concept of a localization system consisting of a mobile TAG node and stationary anchors. The selection of hardware components, the design of a custom printed circuit board, the power supply solution, and communication interfaces are also described. The proposed system is intended for experimental verification of localization accuracy in an indoor environment and for real-time visualization of object movement.

Keywords:

Ultra-Wideband, UWB, indoor localization, distance measurement, Two-Way Ranging, trilateration, movement mapping

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentuje výsledky a postupy řešení své závěrečné práce. Následně odpovídá na dotazy vedoucího a oponenta práce a na dotazy členů zkušební komise: dr. Pospíšil: Dotaz na tabulku v práci se zvláštními překlady. Student odpovídá, že jde o jeho vlastní špatný překlad.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Electronics and Communication Technologies (BPC-ECT)

Composition of Committee

prof. Ing. Tomáš Kratochvíl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Martin Štumpf, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Martin Pospíšil, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Pavel Fiala, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Papica (člen)

Úkolem studenta Jana Brokeše bylo studium principů lokalizace pomocí systému UWB a stanovení měření vzdálenosti dostupnými metodami a čipy řady DW1000. Měl navrhnout architekturu systému, definici kotev a tagu a komunikační rozhraní mezi uzly. Zadání bakalářská práce požadovalo návrh a realizaci hardware včetně implementace komunikace a vývoj software pro vizualizace ve 2D prostoru a v reálném čase. Navržený systém měl být testován v laboratorních i reálných podmínkách a vyhodnocena měla být také přesnost určování polohy.

Mohu konstatovat, že předložená bakalářská práce obsahuje požadovaný návrh i realizaci komplexního systému, který umožňuje uživatelskou instalaci kotev a sledování polohy tagu v reálním čase. Student se nejprve seznámil s charakteristikami a specifiky širokopásmové komunikace UWB a metodami lokalizace a určování polohy z naměřených vzdáleností. Vůči zadání byl systém po dohodě s vedoucím práce navržen a realizován na modernější verzi modulu s čipem DW3000 od výrobce G-Nice RF s integrovanou PCB anténou. Komunikace s rádiovým modulem UWB3000F00 je zajištěna mikrokontrolérem řady STM32 a přenos naměřených dat do nadřazeného výpočetního zařízení je zajišťován hardwarovým rozhraním USB 2.0. Vlastní deska plošného spoje byla navržena studentem a realizována na zakázku. Experimentální měření potvrdilo plnou funkčnost návrhu a realizovaný systém pro mapování pohybu byl předveden formou živé ukázky se 4 kotvami (ANCHOR 0 až 3) a jedním tagem s vizualizací v grafickém prostředí aplikace programované v Pythonu. Byly ověřeny laboratorní i reálné podmínky provozu včetně přesnosti určování polohy. Po formální i grafické stránce je bakalářská práce na solidní úrovni a její rozsah je nadstandardní.

Závěrem shrnuji, že zadání bakalářské práce bylo ve všech bodech splněno. Student pracoval samostatně, kdy na ne příliš pravidelných konzultacích však prezentoval úspěšně dosažené výsledky. Bakalářskou práci Jana Brokeše doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení A/92 bodů. Points proposed by supervisor: 92

Grade proposed by supervisor: A

Předložená práce se zabývá návrhem a realizací lokalizačního systému pro sledování pohybu objektu ve 2D prostoru technologií UWB s využitím metody Two-Way Ranging a trilaterace, včetně vlastního hardwaru, firmwaru a vizualizační aplikace.

Zadání považuji za splněné. Student navrhl a vyrobil vlastní desku plošných spojů, implementoval firmware pro kotvy i tag, výpočet polohy a Python aplikaci pro zobrazení trajektorie v reálném čase. Funkci systému ověřil ve třech prostředích. Zadání předepisuje čip DW1000, zatímco realizace je postavena na jeho nástupci DW3000. Záměna je technicky opodstatněná, v textu však zcela chybí zmínka, že k ní došlo, i srovnání parametrů obou čipů.

Hardware hodnotím jako zdařilý: integrované napájení, správné zakončení USB-C, PTC ochrana i kompaktní rozvržení s ohledem na anténní část modulu. Nesprávně je řešen resetovací R-C obvod mikrokontroléru. Vlastní VF návrh je omezený, anténa i RF část jsou součástí hotového modulu. Firmware staví na driveru DW3000 a metodě DS-TWR. Volba TWR je opodstatněná, odpadá synchronizace kotev za cenu většího počtu výměn. Kód je psán stylem "vše v main" bez rozdělení do modulů, což snižuje přehlednost, ale pro bakalářskou práci je akceptovatelný.

Nejslabší je měřicí část. Jako míra přesnosti je v grafech používán reziduál výpočtu nejmenších čtverců, v textu zaměňovaný za "chybu lokalizace"; ten však vyjadřuje konzistenci měření, nikoli odchylku od skutečné polohy. Skutečná přesnost je doložena jediným statickým měřením (4,86 vs. 5,01 m, tj. 15 cm).

Formální úroveň je podprůměrná - nevhodné formátování, špatně čitelná schémata, řada překlepů, chybné číslování rovnic a chyby v citacích. Použití generativní AI je u Python aplikace transparentně přiznáno. Zadání považuji za splněné, výsledný systém je funkční a hardwarová část velmi zdařilá. Celkový dojem snižují formální nedostatky a nepřesné vyhodnocení přesnosti. Topics for thesis defence:
  1. 3. Zadání předepisuje čip DW1000, realizace používá DW3000. Popište hlavní rozdíly obou čipů a zdůvodněte, proč jste záměnu provedl.
  2. 2. V kapitole 5 uvádíte měření na kanálu 9, firmware je však konfigurován na kanál 5. Na kterém kanálu měření probíhala a čím vysvětlíte tento rozpor?
  3. 1. Vysvětlete rozdíl mezi reziduálem výpočtu polohy (svislá osa grafů) a skutečnou chybou lokalizace a popište, jak byste skutečnou chybu změřil.
Points proposed by reviewer: 82

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová