UWB室内定位系统研究与实现

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定位技术经过了多年的发展,已取得的很大的进步,尤其在室外定位技术方面,以GPS为代表的室外定位技术已经可以较为完美的为人们提供基于位置的服务,例如通过谷歌、百度等地图进行目的地导航,查找周围满足用户需求的场所:美食、电影院、外卖、酒店等,人们对于基于位置服务的应用有了很好的体验。但是由于室外定位技术在具有独特特征的室内环境中有一定的局限性,再加上室内位置服务需求更加的具体化和精细化,所以室外定位技术不能在室内环境中给用户很好的定位体验。目前,有多种室内定位技术,例如:蓝牙、红外线,WIFI等。当用户对定位稳定性和精度有较高的要求时,UWB具有很明显的优势,能够很好地满足用户的需求。为此,本文提出以UWB技术为基础,在实际场景中建立UWB室内定位系统,实现精度高、稳定高的室内定位。本文对建立系统的实际场景和使用硬件设施进行了论述;对系统使用的动态和静态数据进行了研究;详细的设计了系统总体框架,包括需求分析、架构设计、功能分析以及数据库的设计。其中功能主要包括:定位结果的可视化、标签和基站的管理、历史轨迹回放等。最终本文采集了系统的定位数据,并采用定位精度评价指标对系统进行了评价,影响到定位精度的因素包括多径效应、信号衰减、非视距等。本文考虑到实景场景中,基站的密度足够以及在视距情况下多径效应影响较小,所以选择非视距和视距两种情形下的定位精度进行比较。通过多组数据比较发现在视距情况下定位精度在0.2m左右,非视距情况下在0.6m左右。并通过误差累计分布函数可以发现系统的稳定性也较好。最后对本文的工作做了总结和展望。本文建立了 UWB室内定位系统,实现定位标签的二维实时可视化。由于非视距等复杂环境下定位结果降低整体的定位精度,综合的平均定位精度达到0.4m,视距情况下平均定位精度达0.2m,且系统表现出较好的稳定性。
摘要第6-7页
ABSTRACT第7-8页
第一章 绪论第11-24页
    1.1 研究背景第11-12页
    1.2 超宽带技术的发展及现状第12-13页
    1.3 室内定位技术第13-21页
        1.3.1 超声波技术第14-15页
        1.3.2 红外线技术第15-16页
        1.3.3 蓝牙技术第16-18页
        1.3.4 WiFi技术第18页
        1.3.5 Zigbee技术第18-19页
        1.3.6 超宽带技术第19-20页
        1.3.7 小结第20-21页
    1.4 本文的主要内容和结构安排第21-24页
第二章 超宽带无线定位技术第24-36页
    2.1 超宽带的定位方法第24-29页
        2.1.1 基于信号强度的方法(Receive Signal Strength,RSS)第24-26页
        2.1.2 基于信号到达角法(Angle Of Arrival,AOA)第26页
        2.1.3 基于到达时间方法(Time Of Arrival,TOA)第26-27页
        2.1.4 基于到达时间差方法(Time Difference Of Arrival,TDOA)第27-28页
        2.1.5 小结第28-29页
    2.2 定位算法第29-35页
        2.2.1 Fang算法第29-31页
        2.2.2 Taylor算法第31-32页
        2.2.3 指纹定位算法第32-35页
    2.3 本章小结第35-36页
第三章 UWB室内定位系统关键技术及系统设计第36-46页
    3.1 系统的关键技术第36-38页
        3.1.1 Spring框架第36-37页
        3.1.2 MySQL数据库第37-38页
    3.2 系统需求分析和功能设计第38-40页
    3.3 系统架构设计第40-41页
    3.4 系统的数据第41-45页
        3.4.1 地图数据的准备第42-43页
        3.4.2 系统数据库第43-45页
            3.4.2.1 数据库表设计原则第43-44页
            3.4.2.2 数据表的设计第44-45页
    3.5 本章小结第45-46页
第四章 UWB室内定位系统的建设第46-60页
    4.1 基站的建设第46-49页
        4.1.1 UWB室内定位现场的勘察第46-47页
        4.1.2 系统硬件设备第47-48页
        4.1.3 建设实施第48-49页
    4.2 系统界面的设计第49-51页
    4.3 系统的主要功能实现第51-55页
        4.3.1 数据的传输第51-53页
        4.3.2 定位数据可视化第53-54页
        4.3.3 历史轨迹回放第54-55页
    4.4 定位的性能评价第55-60页
        4.4.1 定位性能评价指标第55-56页
        4.4.2 UWB室内定位系统数据采集与处理第56-59页
        4.4.3 系统评价第59-60页
第五章 总结与展望第60-62页
    5.1 总结第60-61页
    5.2 展望第61-62页
参考文献第62-66页
附录 科研成果第66-67页
致谢第67页
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