面向智能移动终端的音频室内定位关键技术研究
发布时间：2021-10-20 00:45
伴随着城市化的快速发展,人类室内活动面积逐渐加大,对室内定位的需求也在不断的增加,如智慧医疗、公共安全、商业推广等。由于卫星信号无法穿透至室内,室内的位置服务只能借助其他的定位技术,如WIFI、蓝牙、UWB、RFID、PDR、地磁、计算机视觉和音频等。其中,音频室内定位技术因具有良好的智能设备兼容性,有望通过低成本的硬件设施投入,为用户提供分米级的高精度室内定位服务,近年来受到了国内外研究者的广泛关注。实际应用中,复杂室内场景带来的强多径、非视距和多普勒效应等是影响音频室内定位系统（Acoustic Indoor Positioning System,AIPS）性能的关键因素。此外,目标与节点间的几何条件、音频发射方案、节点的时钟偏差等因素的影响也不能忽视。本文以自行研制的低成本音频室内定位硬件平台为设备基础,面向实际应用中的诸多复杂因素,开展了对音频检测算法、定位算法以及异常处理和可靠性判断方法的研究,旨在为实现高精度、鲁棒的实时音频定位提供解决方案。具体的研究工作和成果包括:（1）为实现复杂室内场景下的音频到达时间差（Time Difference of Arrival,TDoA）...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 室内定位技术的研究背景及意义
1.2 室内定位技术概述
1.3 音频室内定位系统
1.3.1 音频室内定位系统架构和分类
1.3.2 音频检测算法及其研究现状
1.3.3 基于TDoA的定位算法及其研究现状
1.3.4 异常处理和可靠性判断方法
1.4 本文研究目标与研究内容
1.5 论文组织结构
第2章 音频定位系统架构设计和硬件平台搭建
2.1 音频定位系统架构设计
2.1.1 定位音频的选择
2.1.2 介质访问方式
2.2 音频定位系统的硬件平台搭建
2.2.1 硬件设计和实现
2.2.2 硬件成本核算
2.3 本章小节
第3章 复杂室内环境下高精度TDoA和NRV估计
3.1 引言
3.2 自适应的ADS截取
3.2.1 同步过程中的实时监测算法
3.2.2 定位过程中的自适应ADS截取
3.3 强多径和非视距环境下的AAT精确检测
3.3.1 声音在室内的传播特性简介
3.3.2 复杂室内环境因素对AAT检测的影响
3.3.3 基于自相关波形特征的AAT检测方法
3.3.4 量测TDoA和NRV的获取
3.4 目标运动情形下的AAT精确检测
3.4.1 目标运动对AAT检测的影响
3.4.2 基于NRV的多普勒修正方法
3.5 本章小结
第4章 基于TDoA和NRV量测的定位算法研究
4.1 引言
4.2 基于TDoA和NRV量测的定位问题描述
4.3 基于TDoA的定位算法
4.3.1 基于TDoA的组合加权定位方法
4.3.2 分时发射策略中的移动目标定位修正方法
4.3.3 数值仿真
4.4 基于TDoA+NRV的定位算法
4.4.1 基于TDoA+NRV的线性加权最小二乘方法
4.4.2 基于TDoA+NRV的搜索加权定位方法
4.4.3 数值仿真
4.5 本章小结
第5章 自适应卡尔曼滤波和可靠性判断方法
5.1 引言
5.2 自适应卡尔曼滤波
5.2.1 卡尔曼滤波简介
5.2.2 针对AAT和NRV估计的自适应卡尔曼滤波
5.3 可靠性判断方法
5.3.1 COM-W方法中的可靠性判断
5.3.2 SEA-W方法中的可靠性判断
5.4 数值仿真
5.4.1 AKF处理异常AAT和NRV的效果分析
5.4.2 AKF和可靠性判断实现目标定位的鲁棒性分析
5.5 本章小结
第6章 实验结果与分析
6.1 手机端核心算法移植和APP开发
6.2 实验环境设置
6.2.1 静态目标定位实验设置
6.2.2 动态目标定位实验设置
6.3 音频检测算法的性能分析
6.3.1 音频检测算法中的阈值确定
6.3.2 AAT估计方法的性能比较
6.3.3 NRV估计和多普勒效应误差修正
6.4 定位算法性能分析
6.4.1 不同定位算法性能比较
6.4.2 发射策略中分时问题的修正
6.5 自适应卡尔曼滤波和可靠性判断性能分析
6.5.1 静态目标定位实验
6.5.2 动态目标定位实验
6.6 本章小节
第7章 工作总结和展望
7.1 主要工作总结
7.2 研究创新点
7.3 未来工作展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于智能手机的室内定位技术的发展现状和挑战[J]. 陈锐志,陈亮. 测绘学报. 2017(10)
[2]自适应扩展增量Kalman滤波方法[J]. 傅惠民,吴云章,娄泰山. 航空动力学报. 2012(08)
[3]多星座全球导航卫星系统完整性分析[J]. 卢德兼. 计算机工程. 2010(11)
[4]全球定位系统及其应用综述（三）——GPS的应用[J]. 刘美生. 中国测试技术. 2007(01)
[5]全球定位系统及其应用综述（二）——GPS[J]. 刘美生. 中国测试技术. 2006(06)
[6]全球定位系统及其应用综述（一）——导航定位技术发展的沿革[J]. 刘美生. 中国测试技术. 2006(05)
[7]粒子滤波器及其在目标跟踪中的应用[J]. 江宝安,卢焕章. 雷达科学与技术. 2003(03)
[8]平面波、球面波和柱面波间的表示[J]. 奚定平. 大学物理. 1997(01)
博士论文
[1]基于声音的智能移动终端室内定位关键技术研究[D]. 张磊.浙江大学 2019
硕士论文
[1]基于音频和到达时间差的室内目标高精度定位研究[D]. 骆名治.中国科学技术大学 2018
[2]结构声学混响时间估值方法研究[D]. 周翔.昆明理工大学 2015
本文编号：3445917
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 室内定位技术的研究背景及意义
1.2 室内定位技术概述
1.3 音频室内定位系统
1.3.1 音频室内定位系统架构和分类
1.3.2 音频检测算法及其研究现状
1.3.3 基于TDoA的定位算法及其研究现状
1.3.4 异常处理和可靠性判断方法
1.4 本文研究目标与研究内容
1.5 论文组织结构
第2章 音频定位系统架构设计和硬件平台搭建
2.1 音频定位系统架构设计
2.1.1 定位音频的选择
2.1.2 介质访问方式
2.2 音频定位系统的硬件平台搭建
2.2.1 硬件设计和实现
2.2.2 硬件成本核算
2.3 本章小节
第3章 复杂室内环境下高精度TDoA和NRV估计
3.1 引言
3.2 自适应的ADS截取
3.2.1 同步过程中的实时监测算法
3.2.2 定位过程中的自适应ADS截取
3.3 强多径和非视距环境下的AAT精确检测
3.3.1 声音在室内的传播特性简介
3.3.2 复杂室内环境因素对AAT检测的影响
3.3.3 基于自相关波形特征的AAT检测方法
3.3.4 量测TDoA和NRV的获取
3.4 目标运动情形下的AAT精确检测
3.4.1 目标运动对AAT检测的影响
3.4.2 基于NRV的多普勒修正方法
3.5 本章小结
第4章 基于TDoA和NRV量测的定位算法研究
4.1 引言
4.2 基于TDoA和NRV量测的定位问题描述
4.3 基于TDoA的定位算法
4.3.1 基于TDoA的组合加权定位方法
4.3.2 分时发射策略中的移动目标定位修正方法
4.3.3 数值仿真
4.4 基于TDoA+NRV的定位算法
4.4.1 基于TDoA+NRV的线性加权最小二乘方法
4.4.2 基于TDoA+NRV的搜索加权定位方法
4.4.3 数值仿真
4.5 本章小结
第5章 自适应卡尔曼滤波和可靠性判断方法
5.1 引言
5.2 自适应卡尔曼滤波
5.2.1 卡尔曼滤波简介
5.2.2 针对AAT和NRV估计的自适应卡尔曼滤波
5.3 可靠性判断方法
5.3.1 COM-W方法中的可靠性判断
5.3.2 SEA-W方法中的可靠性判断
5.4 数值仿真
5.4.1 AKF处理异常AAT和NRV的效果分析
5.4.2 AKF和可靠性判断实现目标定位的鲁棒性分析
5.5 本章小结
第6章 实验结果与分析
6.1 手机端核心算法移植和APP开发
6.2 实验环境设置
6.2.1 静态目标定位实验设置
6.2.2 动态目标定位实验设置
6.3 音频检测算法的性能分析
6.3.1 音频检测算法中的阈值确定
6.3.2 AAT估计方法的性能比较
6.3.3 NRV估计和多普勒效应误差修正
6.4 定位算法性能分析
6.4.1 不同定位算法性能比较
6.4.2 发射策略中分时问题的修正
6.5 自适应卡尔曼滤波和可靠性判断性能分析
6.5.1 静态目标定位实验
6.5.2 动态目标定位实验
6.6 本章小节
第7章 工作总结和展望
7.1 主要工作总结
7.2 研究创新点
7.3 未来工作展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于智能手机的室内定位技术的发展现状和挑战[J]. 陈锐志,陈亮. 测绘学报. 2017(10)
[2]自适应扩展增量Kalman滤波方法[J]. 傅惠民,吴云章,娄泰山. 航空动力学报. 2012(08)
[3]多星座全球导航卫星系统完整性分析[J]. 卢德兼. 计算机工程. 2010(11)
[4]全球定位系统及其应用综述（三）——GPS的应用[J]. 刘美生. 中国测试技术. 2007(01)
[5]全球定位系统及其应用综述（二）——GPS[J]. 刘美生. 中国测试技术. 2006(06)
[6]全球定位系统及其应用综述（一）——导航定位技术发展的沿革[J]. 刘美生. 中国测试技术. 2006(05)
[7]粒子滤波器及其在目标跟踪中的应用[J]. 江宝安,卢焕章. 雷达科学与技术. 2003(03)
[8]平面波、球面波和柱面波间的表示[J]. 奚定平. 大学物理. 1997(01)
博士论文
[1]基于声音的智能移动终端室内定位关键技术研究[D]. 张磊.浙江大学 2019
硕士论文
[1]基于音频和到达时间差的室内目标高精度定位研究[D]. 骆名治.中国科学技术大学 2018
[2]结构声学混响时间估值方法研究[D]. 周翔.昆明理工大学 2015
本文编号：3445917
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