隧道多车辆定位系统研究、设计与实现
发布时间：2020-11-09 04:47
【摘要】：在无GPS或GPS信号微弱的交通隧道中,车辆的高精度定位是一个待解决的重要问题。目前,组合导航定位中车载视频系统和微波雷达系统可能会遇到弱光、视线模糊、强烈的雷达反射波等问题,惯性导航系统和激光雷达受制于成本和累积误差的影响,即辅助定位都需要GPS来校正或提供初始参考位置。在ADAS和自动驾驶汽车逐步投入应用时,解决该问题变得越来越迫切且具有较大的研究意义。本文提出基于UWB的隧道定位系统,作为“隧道GPS”,与车载GPS信号无缝切换,为车辆提供准确、连续的定位。然而将UWB定位用于隧道定位时,不但要保证系统定位精度、稳定性和覆盖范围,而且从慢速移动的室内定位应用到快速移动的车辆定位,面临实时性的问题,即由于对高定位刷新率的需求,可能会严重降低系统容量。针对以上问题,本文主要工作如下:(1)设计与实现了满足隧道行车场景的基于DW1000芯片的UWB定位的硬件终端,包括固定基站与车载标签,涉及终端布局、高频电路设计、芯片选型、PCB绘制以及最终调试。提出使用双向测距TW-TOF(Two-way Time of Flight,TW-TOF)算法,开发配套的下位机定位程序、PC端上位机用户图形界面以及用于二者通信的TCP/IP协议的实现。(2)为了保证通信的可靠性,本系统采用TDMA机制。面对高速行驶车辆定位,定位系统更新率与系统容量的共存问题。本文通过改良的Kalman模型在实现误差消除的同时进行轨迹预测,实现实时定位和较大的系统容量,并分别研究了速度、加速度、弯道曲率半径对改良Kalman模型影响。(3)在UWB定位系统厘米级定位精度的基础上,本文提出一种以位移变化量和速度变化量为核心的事故检测方法。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U495
【图文】：
图 1.1 无线定位原理示意图Fig 1.1 Wireless positioning system号传输时延和数据处理时延测定和带有随机性的时延可能导致米级的定位误差。例如，任都有电容电感效应。例如假定等效电阻 R=1k ，分布电容 C=10-9s=1ns，该 RC 将产生 3 -4 （3-4ns）的上升沿或下降沿电路设计或过长的 PCB 布线，所产生的时延也可能接近 1ns。实现低成本的专用无线定位系统，通常选择相对低档的 MCU控模块，其主频一般低于 1GHz，在这样的主频下，一条简单要几个纳秒的时间。此外，如果主控芯片使用了操作系统，由交互的消息队列机制，时延一般均在 1ns 以上位算法和时间同步算法定位的基础是无线测距，无线测距又依赖于信号传输时间。从算传输时间必须保证节点间的时钟同步，且时钟同步误差小
图 1.2 UWB 典型应用案例Fig1.2 Typical UWB application cases国际电气和电子工程师协会（IEEE）制定了UWB通信协议IEEE802.15.4-2011，规定了 UWB 物理层协议，对其信道模型等做了详细制定[21]。目前为止，国际上在UWB 室内定位技术领域具有较多技术积累和商业化成功的公司有如下几家。美国 Time Domian 公司是 UWB 技术领域的先行者与领导者，其一直致力于超宽带通信在精确定位和无人驾驶等方面研发，并于 1999年生产了全球首款 UWB芯片。其推出的集测距与通信功能的 PulsON 410 模块是一个微型的相干 UWB 模块，采用 FPGA 作为处理器，利用特殊的超宽带脉冲射频信号机制通过双向飞行实现测距和通信，在高度多径和高杂波环境下具备优异性能，测距距离可达几百米，低延迟下更新速率可达 125Hz。然而该公司在 2018 年被毫米级精确定位射频开发公司 Humatics 收购合并，相信基于 Time Domian 的先进技术，Humatics 的无线微位置传感器和分析软件将彻底改变人类和机器的定位、导航和协作的方式，助力智能工业、无人驾驶和智慧城市的发展。
制 TCP 稳定可靠离 120m+ 隧道内环境式 TDMA 避免消息碰撞间 全天候 PoE 供电量 ≥36 个节点 单小区法 TW-TOF 无需实现时间同率 -9.3dBm 不含 PA 电路块 50Ω阻抗匹配的 SMA 接口天线 全向性天线系统组成我们将面向隧道行驶车辆的特殊环境，所提出的系统的应用场位系统主要分为三个部分：数据采集、数据传输和数据处理。
【参考文献】
本文编号：2875912
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U495
【图文】：
图 1.1 无线定位原理示意图Fig 1.1 Wireless positioning system号传输时延和数据处理时延测定和带有随机性的时延可能导致米级的定位误差。例如，任都有电容电感效应。例如假定等效电阻 R=1k ，分布电容 C=10-9s=1ns，该 RC 将产生 3 -4 （3-4ns）的上升沿或下降沿电路设计或过长的 PCB 布线，所产生的时延也可能接近 1ns。实现低成本的专用无线定位系统，通常选择相对低档的 MCU控模块，其主频一般低于 1GHz，在这样的主频下，一条简单要几个纳秒的时间。此外，如果主控芯片使用了操作系统，由交互的消息队列机制，时延一般均在 1ns 以上位算法和时间同步算法定位的基础是无线测距，无线测距又依赖于信号传输时间。从算传输时间必须保证节点间的时钟同步，且时钟同步误差小
图 1.2 UWB 典型应用案例Fig1.2 Typical UWB application cases国际电气和电子工程师协会（IEEE）制定了UWB通信协议IEEE802.15.4-2011，规定了 UWB 物理层协议，对其信道模型等做了详细制定[21]。目前为止，国际上在UWB 室内定位技术领域具有较多技术积累和商业化成功的公司有如下几家。美国 Time Domian 公司是 UWB 技术领域的先行者与领导者，其一直致力于超宽带通信在精确定位和无人驾驶等方面研发，并于 1999年生产了全球首款 UWB芯片。其推出的集测距与通信功能的 PulsON 410 模块是一个微型的相干 UWB 模块，采用 FPGA 作为处理器，利用特殊的超宽带脉冲射频信号机制通过双向飞行实现测距和通信，在高度多径和高杂波环境下具备优异性能，测距距离可达几百米，低延迟下更新速率可达 125Hz。然而该公司在 2018 年被毫米级精确定位射频开发公司 Humatics 收购合并，相信基于 Time Domian 的先进技术，Humatics 的无线微位置传感器和分析软件将彻底改变人类和机器的定位、导航和协作的方式，助力智能工业、无人驾驶和智慧城市的发展。
制 TCP 稳定可靠离 120m+ 隧道内环境式 TDMA 避免消息碰撞间 全天候 PoE 供电量 ≥36 个节点 单小区法 TW-TOF 无需实现时间同率 -9.3dBm 不含 PA 电路块 50Ω阻抗匹配的 SMA 接口天线 全向性天线系统组成我们将面向隧道行驶车辆的特殊环境，所提出的系统的应用场位系统主要分为三个部分：数据采集、数据传输和数据处理。
【参考文献】
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本文编号：2875912
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