由于室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜多變,超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)中不可避免地引入了測量噪聲和NLOS誤差,較大的NLOS誤差會導(dǎo)致超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位性能急劇下滑,尤其是在3維定位系統(tǒng)中,傳統(tǒng)定位算法不能滿足實際需求。TDOA、TOA等基于時間測距的定位方法較之其它定位方法,定位精度相對較高。本文對常用的經(jīng)典TDOA定位算法在LOS環(huán)境和NLOS環(huán)境下進行了仿真分析,結(jié)果表明,Chan、Taylor等算法在LOS環(huán)境下表現(xiàn)優(yōu)異,但在NLOS環(huán)境下性能較差,而在使用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法修正定位誤差后,經(jīng)典定位算法的定位精度與理想環(huán)境下相差不遠。而Chan算法始終為最佳定位算法。在NLOS環(huán)境下,修正后的基于TDOA的Chan算法需要定位基站之間的時鐘嚴格同步,且算法的時間復(fù)雜度過高。本文提出了一種基于TOF的Chan-GA定位算法,該算法使用最小二乘擬合與卡爾曼濾波算法修正帶有NLOS定位誤差的TOF測量值,先采用經(jīng)典Chan算法得出定位初始解,再利用遺傳算法進行優(yōu)化。以定位精度作為約束條件,將TOF真實值與測量值的差平方作為遺傳迭代的適應(yīng)度,對初始解進行校正。該算法將遺傳算法的搜索解設(shè)定為Chan算法的不確定度,有效地縮小了遺傳算法的搜索空間,降低了算法的整體復(fù)雜度,并且避免了基站間的同步問題。以往定位算法的研究大都基于仿真平臺,很難保證算法的實用性,有鑒于此,本文基于BPM與BPSK調(diào)制方式和微處理器控制技術(shù),完成了超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)實驗平臺的開發(fā),將經(jīng)典的TDOA定位算法和本文提出的算法在該平臺上進行了3維定位驗證,結(jié)果表明,在NLOS環(huán)境下,本文提出的算法的性能較之傳統(tǒng)的定位算法要高,平均定位精度能達到5cm以內(nèi)。
【學(xué)位單位】：鄭州輕工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN925
【部分圖文】：

鄭州輕工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文它們本身都被預(yù)先固定在已知的位置，同時待定位的 UWB 標(biāo)簽在空的，UWB 標(biāo)簽通過每隔一段時間發(fā)送一次定位請求信號來更新自身用基于 TDOA 的檢測方法實現(xiàn)定位，則單次定位的工作流程可簡步：待定位標(biāo)簽在某個時刻向空間中固定位置的各 UWB定位基站發(fā)信號，該信號中包含有待定位標(biāo)簽的標(biāo)識型字段以便定位基站識別。步：分布于定位場景四周的 UWB基站在接收到待定位標(biāo)簽所發(fā)送的分別記錄各自接收到信號時刻的時間戳，并依次將之發(fā)送到定位處某個基站無法收到信號，則此次定位失敗。步：定位處理器收到 UWB基站傳輸?shù)臅r間戳，通過確定兩個基站間得到基站間的距離差，并利用已知的 UWB定位基站的坐標(biāo)，建立雙通過特定的算法求解該定位方程組，便可解算出移動標(biāo)簽的位置坐標(biāo)

位置感知層中的位置信息所用的各種手段，即 RSSI、AOA、TDOA、TOA、TOF 等定位方法，給出了具體的測量過程和相對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。而在實際應(yīng)用環(huán)境中，由于各種各樣的干擾存在使得在位置信息的獲取過程中引入誤差，從而影響 UWB定位系統(tǒng)的定位精度。在當(dāng)前的各類定位方法中，TDOA 和 TOA 充分利用了超寬帶技術(shù)的超精細時間分辨率的優(yōu)勢，較之其他手段定位效果最好。本文所設(shè)計的超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)由定位基站、定位標(biāo)簽、上位機三部分組成，其中定位基站、標(biāo)簽負責(zé)獲取位置信息上位機則負責(zé)提取位置信息并完成位置解算的最終目的。3.1 UWB 基站與標(biāo)簽硬件設(shè)計本文所設(shè)計的 UWB 定位基站與標(biāo)簽由 STM32 主控模塊、DW1000 超寬帶射頻收發(fā)模塊、供電模塊構(gòu)成。其中 UWB 基站與標(biāo)簽的硬件設(shè)計區(qū)別僅在于 STM32 主控芯片的型號不同，且 UWB基站由于承擔(dān)的功能較之標(biāo)簽更多，另外設(shè)計了一些如網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊等擴展模塊。具體的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如 3-1所示。

鄭州輕工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文在格式一里，主要的字段為參與測距的單個標(biāo)簽與基站的 ID 號，以及兩者之間的距離值。用于向上位機表明測距雙方的身份，以及測試測距結(jié)果是否準(zhǔn)確。而格式二則為“定位幀”，此幀里面包括最終定位所需的所有距離信息。由表 3-3 中的（b）表所示，里面共可保存 5 個距離值，即支持 5 個基站同時參與定位。每個距離字段的順序表明了參與基站的“身份”。如果某個字段為空，則表明其代表的基站未曾參與定位。為方便提取出最終參與定位的 TOF 測量值，在上位機程序里面嵌入文件存取模塊，通過讀取里面的測量參數(shù)，利用 Matlab 平臺設(shè)計相應(yīng)的定位算法。本文選用的文件格式為 CSV格式，圖 3-12 所示為上位機界面與某個時刻保存的文件內(nèi)容。
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本文編號：2869162