基于多特征融合的室内定位技术研究

作     者：邓大山 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王韦刚

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：高精度室内定位 超宽带 图像定位 图像处理 融合定位 嵌入式系统 

摘      要：随着移动智能设备技术的推广,人们对于位置服务（Location Based Services,LBS）的需求变得越来越普遍,与此同时,人们对位置服务的准确性有了更高的要求。虽然传统的定位系统可以很好的应用于空旷、遮挡情况不严重的室外环境,但在遮挡严重且定位精度需求更高的室内环境中表现不佳。由于室内工作与生活的需要,在不久的将来,室内位置服务需求必然会是一个巨大的流量入口。在室内环境中,GPS信号难以穿透障碍物,并且信号的传播会受到折射、反射和多径效应所带来的影响,由于这些因素,室内场景下的定位要远比室外定位困难得多。本文将从室内图像定位与UWB定位着手,构建图像定位数据库,应用提出的改进图像特征融合模型,设计并实现了基于图像的室内定位系统。对于UWB定位,本文设计了一套基于UWB的室内定位系统,给出了具体的软件设计流程和硬件原理图,并实现了稳定且准确的UWB定位。并在此基础上,本文选用视频小车作为实验载体,最终设计并实现了基于图像和UWB融合的室内定位系统,完成了高精度的室内定位。本文主要工作和创新点如下:第一,阐述了UWB定位的基本原理,研究并对比了UWB测距数据的不同获取方式和测距误差,确定了本文使用误差较小的测距数据获取方案。并针对UWB测距不稳定的情形,提出了改进的测距算法,减小了测距波动误差。针对UWB定位坐标值异常的问题,利用改进的卡尔曼滤波对其进行优化,并设计和开发了一套基于UWB的室内定位系统,给出了硬件原理图设计和软件开发流程,通过误差校准提高测距和定位精度,最后在实际环境中通过测试并验证了本文设计的UWB定位系统的可靠性和准确性。第二,介绍图像定位所涉及的图像预处理、图像特征提取以及图像分类算法,并针对单一特征对图像描述不足的问题,提出了改进的图像特征融合算法模型,给出了具体设计思路和结构框图,并通过仿真实验和实际环境测试验证了改进算法模型的有效性和准确性。最后基于改进的算法模型,设计了包含上位机界面软件的图像定位系统,并在实际测试中运行良好。第三,考虑到UWB在一些信号不稳定的环境下定位不准确的问题,设计了基于图像和UWB融合的室内定位系统。利用视频小车作为实验载体,通过小车摄像头作为图像定位的数据输入接口,将UWB标签节点安装在小车上实现UWB定位,并设计了动态权重机制以对图像定位坐标和UWB定位坐标进行有效的结合。通过实际定位效果测试,验证了本文所设计融合定位算法对定位精度提高的有效之处,同时搭建了一套可应用于室内环境的定位系统,能够满足高精度室内定位系统的需求。