基于超声波和航迹推算的室内定位方法研究

发布时间：2020-11-10 01:37

　　 随着物联网和智能空间的发展,目标定位问题正得到越来越多人的关注,它的技术发展十分迅速。按照使用环境不同,定位系统可以分为室内定位和室外定位,两者相比,室外定位普遍采用卫星定位技术,室内定位技术则呈现多方面发展。目前室内定位主要研究方向有:红外线室内定位技术、射频识别(RFID)室内定位技术、蓝牙室内定位技术、WiFi室内定位技术、超宽带(UWB)室内定位技术……相比这些定位技术中的信号处理,超声波信号更加容易处理,信号处理系统具有硬件简单、成本低的特点,因此本文在分析对比各种室内定位技术的基础上,选择超声波室内定位技术作为本文研究对象。另一方面,无线传感网络和移动智能终端在这些年已经得到迅猛发展,许多商场、办公区域都已经实现无线网络覆盖。为了节约室内定位系统的通信布线成本,方便系统的推广使用,可以利用已有无线覆盖作为传感网络节点之间的通信手段。本学位论文结合超声波测距技术和无线传感网络通信,设计并实现了一种室内定位系统,并将该系统应用到实际控制系统中。具体而言,本文主要包括以下这几方面的研究内容:首先,在基于超声波和无线传感网络的室内定位系统中,利用超声波在空中的渡越时间和传播速度计算目标节点到锚节点之间的距离,然后利用距离和锚节点坐标之间的关系求解出目标节点的坐标。在定位系统实现过程当中,最重要的是测量超声波信号在空中的渡越时间,本文采用检测超声波包络信号最大值点的方法来计算渡越时间。考虑实际系统中存在各种噪声的情况,检测到的包络信号最大值点,总会在真实值左右飘移。本学位论文中采用数字锁相放大技术来检测超声波的包络信号,数字锁相放大技术首先将超声波信号作频谱搬移,将有用信号搬移到直流信号附近,然后通过数字低通滤波器滤除噪声和干扰,通过仿真和应用实验表明,数字锁相放大技术能检测出包络信号,有效滤除噪声,提高系统的稳定性和定位精度。同时,本文提出了一种基于最小二乘法的包络检测方法,该方法利用最小二乘法估计超声波信号的振幅和相位,能有效完成超声波包络检测。另外,由于最小二乘法具有滤波的作用,基于它的包络检测方法不需要额外的数字滤波器,所检测的包络信号也就没有滤波造成的延迟,本文同样对该算法进行了仿真与应用实验。其次,针对单独基于超声波的定位系统不能满足本文的应用要求,这里研究了基于超声波和航迹推算的组合定位方法。为了完成航迹推算,本文提出了一种基于磁力计测量移动机器人驱动轮转动角度的方法,该方法具有测量精度高、成本低的特点。为了提高系统定位精度,这里采用扩展卡尔曼滤波方法融合超声波定位和航迹推算。针对扩展卡尔曼滤波存在线性化误差的情况,本文分析、讨论了基于无迹卡尔曼滤波的组合定位方法。同时,考虑到本文所设计的系统是基于无线传感网络通信,存在通信数据延时和丢失的现象。本文针对组合定位系统,分别推导了测量随机一步延时和丢失情况下的扩展卡尔曼滤波方法,分析和讨论了这两种方法在组合定位系统中的应用。最后,结合本文作者在博士期间参与的两种网络化实验系统的研发,根据作者所作研究工作,本文描述了两种实验平台的实现过程。第一种实验平台系统是基于实时操作系统eCos和低功耗嵌入式微处理器STM32实现的实时网络化控制实验系统,另一种是基于安卓智能终端和无线执行器的网络化控制实验系统。结合前文所述基于超声波和航迹推算的室内定位系统,应用组合定位方法实现移动机器人的位置反馈,完成基于网络化轮式移动机器人的路径跟踪控制实验。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB55;TP242;TN92
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究背景、意义以及目的
    1.2 室内定位系统的国内外研究现状
        1.2.1 室内定位其它主要技术及研究现状
        1.2.2 超声波室内定位技术的研究现状
    1.3 本文主要研究内容
第2章 基于超声波和无线传感网络的室内定位系统研究
    2.1 引言
    2.2 基于超声波和无线传感网络的室内定位系统原理
        2.2.1 基于超声波和无线传感网络的室内定位系统结构
        2.2.2 时间同步方法
        2.2.3 测距和目标位置估计方法
    2.3 基于数字锁相放大包络检测的室内定位方法
        2.3.1 问题描述
        2.3.2 基于数字锁相放大包络检测方法
        2.3.3 系统及算法实现
        2.3.4 仿真实验与讨论
        2.3.5 应用实验与结果
    2.4 基于最小二乘法包络检测的室内定位方法
        2.4.1 问题描述
        2.4.2 基于最小二乘包络检测方法
        2.4.3 系统及算法实现
        2.4.4 仿真实验与讨论
        2.4.5 应用实验与结果
    2.5 本章小结
第3章 基于超声波和航迹推算的组合定位系统研究
    3.1 引言
    3.2 基于扩展卡尔曼滤波的组合定位方法
        3.2.1 扩展卡尔曼滤波理论
        3.2.2 移动机器人航迹推算系统
        3.2.3 基于超声波的移动机器人定位系统
        3.2.4 基于超声波和航迹推算的组合定位系统
        3.2.5 仿真与讨论
        3.2.6 实验与结果
    3.3 基于无迹卡尔曼滤波的组合定位方法
        3.3.1 问题描述
        3.3.2 无迹卡尔曼组合定位算法
        3.3.3 仿真与讨论
        3.3.4 实验与结果
    3.4 本章小结
第4章 测量信号随机滞后或丢失情况下的组合定位方法研究
    4.1 引言
    4.2 考虑测量随机一步延时的扩展卡尔曼滤波组合定位方法
        4.2.1 问题描述
        4.2.2 测量随机一步延时的扩展卡尔曼滤波方法
        4.2.3 超声波系统具有随机一步延时的组合定位算法
        4.2.4 仿真与讨论
        4.2.5 实验与结果
    4.3 考虑测量丢失的扩展卡尔曼滤波组合定位方法
        4.3.1 问题描述
        4.3.2 测量丢失情况下的扩展卡尔曼滤波方法
        4.3.3 超声波定位系统数据丢失情况下的组合定位方法
        4.3.4 仿真与讨论
        4.3.5 实验与结果
    4.4 本章小结
第5章 室内定位系统在移动机器人路径跟踪控制中的应用
    5.1 引言
    5.2 基于实时系统的网络化控制器
        5.2.1 实时网络化控制系统软件描述
        5.2.2 实时网络化控制系统硬件设计
    5.3 基于安卓终端的网络化控制器
        5.3.1 基于安卓的网络化控制系统软件描述
        5.3.2 基于安卓的网络化控制系统硬件设计
    5.4 轮式移动机器人路径跟踪控制
        5.4.1 轮式移动机器人系统介绍
        5.4.2 移动机器人路径跟踪控制方法描述
        5.4.3 实验与结果
    5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
个人简历

【参考文献】

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本文编号：2877270