基于UWB的室内SDS-TWR测距算法优化和定位算法融合的研究

发布时间：2017-07-01 03:15

  本文关键词：基于UWB的室内SDS-TWR测距算法优化和定位算法融合的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在定位系统中,全球卫星导航系统具有最广泛的运用范围,然而由于技术局限性,无法满足人们对室内环境下定位的要求。随着无线传感网络(Wireless Sensor Network, WSN)的迅速发展,基于超宽带(Ultra-Wideband, UWB)、蓝牙、RFID(Radio Frequency Identification)等无线定位技术成为研究的热点。其中,超宽带技术具有发射功率低、抗多径能力强、穿透力强、保密性好,定位精度高等特点,使其拥有更广泛的应用前景。本文在研究了UWB技术的特点以及信道特性,讨论了基于UWB的几种常用测距技术,以及经典的基于TOA的测距算法,并针对传统的对称双边双程(Symmetric Double-Sided Two-Way Ranging, SDS-TWR)测距协议需要较长的时延,提出了改进算法,并给出了该算法的数学分析,从理论上证明了算法的有效性。另外针对泰勒算法对初始值的准确度要求较高的问题,提出将最小二乘法与泰勒算法融合方法,并给出了仿真图,从理论上证明了算法的可行性。最后给出了基于UWB的定位系统模型,并搭建了一个基于UWB的室内定位系统,并在现实的室内环境中进行了实地测试。本文的主要贡献如下：(1)本文分析了几种常用的基于UWB的测距技术,通过比较他们的克拉美罗下限,指出了TOA技术对UWB测距的有效性。研究了时钟漂移对TOA测距的影响,给出了时钟漂移对几种常用的TOA测距算法的影响,以及引起的误差仿真图。针对SDS-TWR以牺牲测量时间为代价来减小时钟漂移影响的问题,提出一种SDS-TWR优化测距算法,并通过数学推导,证明了算法的有效性。(2)本论文分析了最小二乘、Chan氏、泰勒算法等常用的定位技术,针对泰勒算法对初始值要求较高的问题,提出最小二乘和泰勒的融合算法,并给出其定位仿真结果。同时,针对定位过程中节点移动会带来定位坐标有跳动的情况,采用UKF滤波算法对定位结果进行滤波,能有效追踪移动节点的运动。(3)实现了基于UWB技术的定位系统。搭建了一个基于DecaWave推出的DW1000芯片的UWB的定位系统,采用优化的SDS-TWR测距算法和最小二乘算法与泰勒算法融合的定位算法,缩短了定位时间,提高了定位精度。室内定位精度达40cm。
【关键词】：超宽带 SDS-TWR Taylor UKF 定位系统
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN925
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-15
• 1.1 研究背景与意义10-11
• 1.2 UWB定位的定义及其基本特点11-12
• 1.2.1 UWB的定义11
• 1.2.2 UWB的特点11-12
• 1.3 国内外研究现状12-13
• 1.4 本文的主要研究内容与结构13-15
• 1.4.1 论文的主要研究内容13
• 1.4.2 本文的框架结构13-15
• 第二章 超宽带的概念及相关技术15-26
• 2.1 超宽带的定义15-17
• 2.2 超宽带信号模型17-18
• 2.3 超宽带信道模型18-22
• 2.3.1 IEEE802.11.4a标准信道模型18-21
• 2.3.2 IEEE802.15.4a信道模型仿真21-22
• 2.4 UWB信号检测22-25
• 2.5 本章小结25-26
• 第三章 UWB测距原理26-42
• 3.1 无线测距技术26-32
• 3.1.1 RSSI测距技术及其克拉美罗下限26-28
• 3.1.2 AOA定位技术及其克拉美罗下限28-29
• 3.1.3 TOA测距技术及其克拉美罗下限29-30
• 3.1.4 TDOA定位技术30-32
• 3.1.5 适合UWB的测距技术32
• 3.2 UWB的测距算法32-41
• 3.2.1 单程测距32-33
• 3.2.2 双程测距及其误差分析33-35
• 3.2.3 对称双边双向测距及其误差分析35-36
• 3.2.4 非对称双边双向测距及其误差分析36-39
• 3.2.5 SDS-TWR算法的优化及其误差分析39-41
• 3.3 本章小结41-42
• 第四章 超宽带定位技术42-54
• 4.1 常用的定位算法42-47
• 4.1.1 最小二乘法42-43
• 4.1.2 Chan氏43-46
• 4.1.3 Taylor级数展开46-47
• 4.2 基于最小二乘法的Taylor融合算法47-49
• 4.3 跟踪算法49-53
• 4.3.1 扩展卡尔曼滤波的基本思想49-50
• 4.3.2 无迹卡尔曼滤波的基本思想50-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第五章 基于UWB的室内定位系统实现54-61
• 5.1 定位性能指标54
• 5.2 定位模型54-56
• 5.3 实验结果与结论56-60
• 5.4 本章小结60-61
• 第六章 总结与展望61-62
• 参考文献62-69
• 致谢69

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本文编号：504446