基于UWB室内定位算法的研究与实现

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进入21世纪,随着社会各行业的蓬勃发展和无线通信技术的显著进步,社会各界对高精度的无线定位需求逐渐增加。室内定位技术属于定位技术的范畴,它与室外定位技术有一些相似性。但是室内环境复杂,定位环境恶劣,且室内空间一般较小,因此室内定位对定位精度和安全性要求较高。室内环境下信号一般比较微弱,且存在着严重的多径效应和反射现象,这就要求相应的室内定位算法对各种误差的鲁棒性要强。近些年,无线通信技术发展迅速。其中,超宽带技术(Ultra Wide Band,UWB)是一种具有很大发展前景的新型无线电通信技术,其已经被认为是未来通信的十大技术之一。超宽带具有极大的带宽,能实现短距离高速率的数据传输。它不仅具有较高的时间分辨率,且具有较强的抗多径衰落能力,在高精度的测距和定位中受到很大的关注。本文以几种室内定位技术的比较作为切入点,对比说明了UWB在室内定位中的优势。以设计便捷实用的室内定位系统和提高定位精度为目的重点完成了如下几个方面的工作:(1)介绍几种常用的室内定位技术,对比它们的优缺点,选用超宽带定位为重点研究对象,对超宽带技术相关的理论知识进行了简述,并对其应用场景进行了介绍;(2)完成UWB定位系统硬件电路的设计,选用STM32为主控芯片,Deca Wave超宽带通信模块DWM1000用来测定端对端的距离,Wi-Fi用来完成和PC设备的通信;(3)对比超宽带通信下几种定位方法的优缺点,选用TDOA(Time difference of Arrival)方式作为设计定位系统的定位方法并进行了深入研究。重点研究了TDOA方式下所建立的非线性方程组对待测目标节点位置估计的几种定位解算法,对几种解算法进行了公式的推导和MATLAB仿真试验;(4)提出一种通过卡尔曼滤波算法改进Chan氏算法的位置估计算法,并使用MATLAB完成了仿真试验。实验条件下,将传统的Chan氏算法的定位精度从?30cm提高到了?15cm。基于DWM1000模块实现了UWB定位系统软件,并在实验环境下对测距误差曲线进行绘制,通过误差曲线的拟合和测距值的实时误差补偿完成对系统实际测量结果的改进;(5)开发了辅助设计的小工具,编写了远程控制显示客户端以及便于实时采集测距数据进行测距值分析和滤波算法分析上位机软件;本文的创新点主要为以下几点:(1)提出一种滑动窗口测距值加权滤波的测距值优化算法,使该系统能在复杂的环境中测距表现更加稳定。(2)尽可能少布置基站的情况下,提出一种Chan氏算法结合卡尔曼滤波的算法对目标节点位置进行双重估计,实现了定位精度的提升。在实验室测试环境下,定位系统的定位精度在二维平面内能够达到?15cm,实验结果表明本论文所设计的定位系统达到了实用的目的。
摘要第3-5页
Abstract第5-6页
第1章 绪论第10-15页
    1.1 课题研究的背景及意义第10页
    1.2 常见室内定位技术比较第10-14页
    1.3 论文结构安排第14页
    1.4 本章小结第14-15页
第2章 超宽带技术的介绍第15-25页
    2.1 超宽带技术的基本概念第15-16页
        2.1.1 UWB概述第15-16页
        2.1.2 UWB定义第16页
    2.2 超宽带无线通信信号的实现方式第16-18页
        2.2.1 脉冲无线电第17页
        2.2.2 多频带方式第17-18页
    2.3 超宽带的特征和应用第18-24页
        2.3.1 UWB特征第18-20页
        2.3.2 UWB应用第20-24页
    2.4 本章小结第24-25页
第3章 超宽带定位系统模型及算法第25-42页
    3.1 常见无线定位方法第25-29页
        3.1.1 基于信号接收强度的定位方法第25-26页
        3.1.2 基于信号到达角度的定位方法第26-27页
        3.1.3 基于信号到达时间的定位方法第27-28页
        3.1.4 基于信号到达时间差的定位方法第28-29页
    3.2 基于TDOA的算法研究第29-37页
        3.2.1 基于WLS的定位解算法第29-30页
        3.2.2 Fang算法第30-31页
        3.2.3 Taylor级数法第31-32页
        3.2.4 Chan算法第32-34页
        3.2.5 仿真模型第34页
        3.2.6 仿真结果与分析第34-37页
    3.3 Chan氏算法结合卡尔曼滤波定位第37-41页
        3.3.1 卡尔曼滤波算法第37-39页
        3.3.2 卡尔曼滤波改进Chan氏算法第39页
        3.3.3 仿真模型第39页
        3.3.4 仿真结果与分析第39-41页
    3.4 本章小结第41-42页
第4章 UWB定位系统设计第42-62页
    4.1 UWB定位系统硬件设计第42-49页
        4.1.1 系统硬件整体设计框架第42页
        4.1.2 系统硬件电路设计第42-48页
        4.1.3 超宽带室内定位系统PCB设计第48-49页
    4.2 UWB定位系统软件设计第49-60页
        4.2.1 系统软件整体设计思想第49-50页
        4.2.2 下位机测距第50-54页
        4.2.3 测距误差修正第54-57页
        4.2.4 定位算法软件实现第57-60页
    4.3 本章小结第60-62页
第5章 定位系统测试与结果第62-70页
    5.1 测试环境搭建第62-63页
    5.2 测距值优化测试第63-68页
        5.2.1 测距滤波算法性能测试第63-64页
        5.2.2 天线收发延迟时间设置测试第64-66页
        5.2.3 误差曲线拟合与测距误差补偿第66-68页
    5.3 定位性能测试第68-69页
    5.4 本章小结第69-70页
第6章 总结与展望第70-72页
    6.1 工作总结第70页
    6.2 工作展望第70-72页
参考文献第72-75页
致谢第75页
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