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融合双目视觉和2D激光雷达的室外定位

控制与决策 2023年第7期38卷 1861-1868页

作者：刘诤轩王亮李和平程健北京工业大学信息学部北京100124 煤炭科学研究总院有限公司矿山大数据研究院北京100013

高精度的定位对于自动驾驶至关重要.2D激光雷达作为一种高精度的传感器被广泛应用于各种室内定位系统.然而在室外环境下,大量动态目标的存在使得相邻点云的匹配变得尤为困难,且2D激光雷达的点云数据存在稀疏性的问题,导致2D激光雷达在... 详细信息

高精度的定位对于自动驾驶至关重要.2D激光雷达作为一种高精度的传感器被广泛应用于各种室内定位系统.然而在室外环境下,大量动态目标的存在使得相邻点云的匹配变得尤为困难,且2D激光雷达的点云数据存在稀疏性的问题,导致2D激光雷达在室外环境下的定位精度极低甚至无法实现定位.为此,提出一种融合双目视觉和2D激光雷达的室外定位算法.首先,利用双目视觉作为里程计提供相对位姿,将一个局部时间窗口内多个时刻得到的2D激光雷达数据融合成一个局部子图;然后,采用DS证据理论融合局部子图中的时态信息,以消除动态目标带来的噪声;最后,利用基于ICA的图像匹配方法将局部子图与预先构建的全局先验地图进行匹配,消除里程计的累积误差,实现高精度定位.在KITTI数据集上的实验结果表明,仅利用低成本的双目相机和2D激光雷达便可实现较高精度的定位,所提出算法的定位精度相比于ORB-SLAM2里程计最高可提升37.9%.

关键词： 2D激光雷达室外定位双目视觉栅格地图证据理论栅格地图匹配

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基于电信数据的室外定位技术研究

计算机工程与科学 2018年第4期40卷 649-659页

作者：廖山河赵钦佩李江峰饶卫雄同济大学软件学院上海201804

越来越多的移动计算依赖位置信息提供基于位置的服务,移动设备的室外定位技术至关重要。目前广为采用的方式是GPS,但移动设备端的GPS位置信息依赖移动设备如手机的GPS传感器获取,电信运营商虽然为用户提供通话和数据服务,却无法获得用... 详细信息

越来越多的移动计算依赖位置信息提供基于位置的服务,移动设备的室外定位技术至关重要。目前广为采用的方式是GPS,但移动设备端的GPS位置信息依赖移动设备如手机的GPS传感器获取,电信运营商虽然为用户提供通话和数据服务,却无法获得用户的精确GPS位置。针对这种情况,提出利用手机端和电信基站之间的连接信号数据(简称电信数据),实现移动设备的定位服务。考虑到电信运营商积累了海量的电信数据,因此通过研究基于电信数据的室外定位技术,使得运营商获取用户位置成为可能。提取电信特征数据、以手机所在GPS位置作为标签数据,研究了五种基于机器学习模型的室外定位算法,实现了从基站信号数据到GPS坐标点的预测,通过大量的实验对比了这些方法的定位精度和运行时间、不同数据收集模式的定位精度、不同特征的定位精度以及探索了后处理对定位精度的提升效果。最终通过实验可知,基于栅格化的随机森林分类模型是效果最好的方法,能够达到15~20m的平均误差和10m的中位误差,比前期回归算法在2G和4G数据分别实现了39.46%和54.28%的精度提升,取得与GPS定位接近的定位精度。

关键词：室外定位电信数据指纹识别随机森林多层感知器

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基于近红外视觉的移动机器人室外定位系统

基于近红外视觉的移动机器人室外定位系统

作者：胡仕煜上海交通大学

学位级别：硕士

本论文以室外环境下的移动机器人定位与导航问题为研究内容,利用里程计等内部传感器以及自行设计的编码路标和全景近红外视觉系统,实现移动机器人的定位评估,重点围绕室外环境下降低光照变化对视觉定位系统的影响以及视觉定位模型中的... 详细信息

本论文以室外环境下的移动机器人定位与导航问题为研究内容,利用里程计等内部传感器以及自行设计的编码路标和全景近红外视觉系统,实现移动机器人的定位评估,重点围绕室外环境下降低光照变化对视觉定位系统的影响以及视觉定位模型中的不确定性处理展开研究:通过设计黑白相间的条形编码路标,使得路标醒目且易识别,以提高视觉定位系统在室外高噪声环境下的路标识别能力;通过采用全景近红外照明与全景近红外成像相结合,旨在降低室外环境下大幅度的光照变化对视觉观测的影响;通过实验分析比较白天和夜间不同的视觉观测特点,以期建立具有针对性的视觉观测模型,提高定位精度。总结全文,在光照大幅度变化的室外环境下的视觉定位研究中,提出了一些具有一定创新性的方法: 针对室外环境下光照强度变化大、噪声高等特点,提出了条形编码路标的设计。该路标设计采用黑白相间的编码方式,醒目且易识别,受小幅度的光照变化影响不大;路标采用的条状的编码格式使其可视范围大,不同角度视觉观测结果一致。四种简单的编码路标组合,可以构造出直行、拐弯和定位三种常用的路径成分,并进而依据实际环境组成路径复杂的地图。针对室外环境中大幅度的光照变化(例如:白天和夜间)可能导致视觉传感器成像失真或完全失效的问题,提出了一种照明与成像相结合的全景近红外视觉系统。通过近红外光源照明,编码路标发射,近红外摄像机成像,获取环境的近红外成像图,抑制可见光对视觉系统的影响,提高识别可靠性。针对白天和夜间的成像特点,分别提出了相应的不确定性描述方法。该方法通过分析两种情况下的误差分布和特点,形成相应的不确定域计算方法,有效的提高了误差描述的准确性和定位精度。

关键词：移动机器人室外定位近红外传感器融合

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基于RSSI的LoRa室外定位算法的研究

基于RSSI的LoRa室外定位算法的研究

作者：许璐东南大学

学位级别：硕士

随着物联网（Internet of Things,IoT）技术的飞速发展,作为物联网的核心和关键技术之一的定位技术正在吸引着越来越多的关注。人们对室外定位的需求越来越高,除了 GPS和北斗技术外,长距离（Long Range,LoRa）技术由于其低功耗、低成本... 详细信息

随着物联网（Internet of Things,IoT）技术的飞速发展,作为物联网的核心和关键技术之一的定位技术正在吸引着越来越多的关注。人们对室外定位的需求越来越高,除了 GPS和北斗技术外,长距离（Long Range,LoRa）技术由于其低功耗、低成本和传输距离远的特点,成为室外定位的热门技术之一。本文提出一种基于测距的LoRa室外定位方法,包括数据处理、建立测距模型和基于距离定位三个步骤。首先基于接收信号强度指示（Received Signal Strength Indication,RSSI）和到达时间（Arrive of Time,TOA）对RSSI进行筛选,对通过筛选的RSSI求加权平均值用于测距。然后,基于预先测量样本的方式,构建了一种类高斯分布的每个定位基站对应测距模型,获取待定位设备距离基站的距离和定位基站的位置坐标映射用于定位。最后,通过加权三角质心算法改进Taylor级数展开定位算法,有效的提高Taylor定位算法的性能。论文还研制了基于STM32微处理器和SX1280射频模块的LoRa室外定位验证平台,并进行了实测。Matlab仿真和实测结果表明,本文提出的基于RSSI的LoRa室外定位方法可以有效提高定位精度。论文的主要工作如下:（1）介绍LoRa定位的方法类别,阐述基于LoRa的各类定位方法的原理和特点,重点分析了基于距离的定位方法。（2）通过预先测量和融合TOA和RSSI的动态数据处理方法,构建测距模型。通过滑动窗口法动态的统计数据,结合TOA对RSSI进行筛选,采用加权平均值的方法进行数据处理,有效提高RSSI值的准确性。根据RSSI和距离的分布关系,提出一种类高斯分布的距离计算模型,通过预先测量数据的方式,使用拟牛顿迭代法通过数据对模型进行拟合,构建完整的测距模型,可以通过处理后的RSSI值进行距离计算。Matlab仿真结果表明,采用提出的数据处理方法可以提高后续定位结果的准确性。（3）基于融合三角加权质心算法,提出一种改进的Taylor定位算法。由于Taylor级数展开定位算法需要一个位置初始值,然后通过不断的迭代,缩小与真实位置之间的差距直到满足迭代停止条件。初始值的选取如果距离真实的位置较远会造成迭代不收敛和迭代次数过多的问题,所以,采用三角加权质心算法对定位设备的位置进行估算,这个位置的估计作为Taylor定位算法的位置初始值。Matlab仿真结果表明,提出的改进Taylor定位算法性能更好。（4）设计并实现了基于STM32微处理器和SX1280为射频模块的LoRa室外定位验证平台。该平台包括待定位设备、多个定位基站、数据收集终端和PC端。定位基站接收来自待定位设备的信号并进行数据处理和测距,把结果传送给数据收集终端,数据收集终端把数据上传PC端,在PC端通过Python程序采用提出的定位算法实现定位。设计传输机制,保障数据传输准确率和实效性之间的平衡。研制的定位系统在东南大学九龙湖校区进行了实测,验证了提出的定位算法具有较高的定位准确度。

关键词： LoRa TOA RSSI 室外定位 Taylor定位算法

复杂环境下基于WiFi信号的室外定位方法研究

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复杂环境下基于WiFi信号的室外定位方法研究

作者：涂岳亮云南大学

学位级别：硕士

随着人类科技发展日新月异,人们已然越来越离不开对于基于位置服务的需求。室外环境下,GPS(全球定位系统,Global Positioning System)能够实现对大部分位置的精确定位。但是,在高楼建筑物和城市立交桥等复杂地形环境下,GPS信号会受多径... 详细信息

随着人类科技发展日新月异,人们已然越来越离不开对于基于位置服务的需求。室外环境下,GPS(全球定位系统,Global Positioning System)能够实现对大部分位置的精确定位。但是,在高楼建筑物和城市立交桥等复杂地形环境下,GPS信号会受多径和衰落的影响,导致GPS定位出现问题。另外,随着城市WiFi部署规模的不断扩大和智能手机的广泛应用,仅依靠WiFi基础设施实现精确的GPS-free室外定位成为可能。基于此,研究复杂地形环境下基于WiFi信号的室外定位技术具有潜在的应用价值。本文主要有以下研究内容和创新点:(1)在云南大学软件学院的室外区域构建包含18515条WiFi指纹信息的数据库,并采用基于CNN(卷积神经网络,Convolutional Neural Networks)WiFi指纹定位方法实现定位。实验结果验证,从室外环境采集所有参考点RSSI(接收信号强度指示)数据的次数足够多的情况下,采用机器学习的方法实现室外定位同样可达到亚米级别的平均定位误差。(2)实现了一种知识图谱结合传统WiFi定位的两步法定位算法。在城市立交桥环境下,根据不同道路将定位区域划分为若干子区域,然后建立立交桥WiFi信号的知识图谱模型,采用知识图谱相似度算法对车辆初步定位到所在立交桥道路;用WKNN(加权K近邻算法,Weighted K Nearest Neighbors)进一步精确估算车辆坐标位置,最终实现对立交桥上车辆位置的定位。仿真结果表明,相比直接采用传统的WiFi定位算法,该两步法算法具有降低匹配运算量的优点。(3)针对GPS存在的问题,提出了一种城市立交桥环境下基于WiFi信号的车辆定位模型系统架构的解决方案。该系统由物理空间和信息空间组成,包含数据获取层、云计算层和数据可视化层。利用仿真数据开发了昆明市小菜园立交桥下基于WiFi的车辆定位系统,并对系统主要功能进行了展示,验证了所提方案的有效性和潜在工程应用价值。

关键词：室外定位 WiFi定位两步法算法知识图谱神经网络

基于LoRa的城市环境室外定位方法研究与实现

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基于LoRa的城市环境室外定位方法研究与实现

作者：黄新源电子科技大学

学位级别：硕士

室外定位问题已经研究了数十年,随着物联网技术的迅猛发展,物联网设备的定位管理问题也成为了近年来的研究热点。现今被普遍使用的全球定位系统GPS虽然在定位精度上取得了显著的进步,但是其定位组件所需要的高能耗却与物联网设备的低功... 详细信息

室外定位问题已经研究了数十年,随着物联网技术的迅猛发展,物联网设备的定位管理问题也成为了近年来的研究热点。现今被普遍使用的全球定位系统GPS虽然在定位精度上取得了显著的进步,但是其定位组件所需要的高能耗却与物联网设备的低功耗特性相冲突。此外,移动智能手机中还常使用基于蜂窝网络的定位方案,但是其定位精度却不尽人意。在物联网技术飞速发展的同时,LoRa扩频通信技术的出现给物联网设备的通信和定位问题带来了新的选择和启发。LoRa技术的特点是功耗低、传输范围广,其特性正好符合物联网设备的能耗与通信需求。同时,在建筑密集的城市环境中,LoRa信号同样表现出了对环境的敏感性,即当信号发送端位于不同的地理环境时,其通信链路表现出了不同的通信质量。利用LoRa的上述特性,本文提出了一种城市环境中基于LoRa的室外定位方案,用以解决城市物联网设备的定位问题。在本文的定位方案中,根据LoRa通信链路质量在不同环境中的各异性和在同一地点表现出的稳定性,将网关在不同数据发送点的数据包接收率PRR作为与其位置相关联的指纹信息,并结合本文提出的改进粒子滤波算法对采集的指纹信息就行跟踪匹配,从而定位出移动物联网设备的具体位置。同简单的粒子滤波算法相比,本文的改进粒子滤波算法在粒子的运动模型、计算模型和重采样模型上都进行了一些创新,以适应物联网设备的移动场景和增加粒子滤波算法的可靠性。除此以外,本文还在COST-231模型的基础上提出了一种新的LoRa信号的预估模型,用以快速生成用于匹配算法运行的指纹库。最后,本文针对提出的定位系统LO-Loc进行了真实环境下的测试实验。实验验证了在不同实验参数下LO-Loc系统的定位效果,实验结果显示,在地貌变化明显的环境中LO-Loc系统的定位精度能达到5-10m,并且定位的错误率能降低到5%以下。同其他定位方案相比,本文基于LoRa的室外定位方案不但能节约能耗,降低成本,还能提供不错的定位精度和能够接受的准确率。

关键词：室外定位物联网 LoRa

基于三维激光雷达的履带农业机器人室外定位方法

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智能化农业装备学报（中英文） 2020年第2期1卷 1-10页

作者：王凯周俊 Opiyo Samwel 张保华张文海南京农业大学工学院南京市210031 江苏省智能化农业装备重点实验室南京市210031

针对履带农业机器人室外自主导航,本文提出了一种基于三维激光雷达的定位方法。首先,采用lidar_IMU紧耦合里程计与图优化算法建立导航区域特征点的先验地图。其次,为确保机器人能够在先验地图上的任意位置进行定位,将卫星定位信号作为... 详细信息

针对履带农业机器人室外自主导航,本文提出了一种基于三维激光雷达的定位方法。首先,采用lidar_IMU紧耦合里程计与图优化算法建立导航区域特征点的先验地图。其次,为确保机器人能够在先验地图上的任意位置进行定位,将卫星定位信号作为索引信息导入点云地图。最后,采用轻量级激光里程计算法与先验地图进行匹配,计算机器人位于先验地图的姿态信息。同时,为了减少计算量将非线性优化区域限定在栅格化的小地图中。借助机器人携带的GNSS对系统进行了测试,当机器人运动速度1.0 m/s时,最大定位误差小于0.26 m,平均定位误差小于0.125 m,实验过程中没有出现定位失败的情况,可以满足履带农业机器人室外导航的定位需求。

关键词： lidar_IMU 紧耦合里程计先验地图室外定位

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基于超宽带定位的室外定位系统设计

自动化与仪表 2024年第2期39卷 157-161,164页

作者：李斌周帅宇陈洁袁浩上海大学机电工程与自动化学院上海200444

随着体育竞技水平的不断提高,运动员对科学精准的训练分析方法的需求越来越高,对于人体的定位分析是其中一个基本且重要的维度。目前基于GPS的室外定位无法满足一般的小型体育场景的高精度定位,该文基于超宽带定位技术设计了一套应用于... 详细信息

随着体育竞技水平的不断提高,运动员对科学精准的训练分析方法的需求越来越高,对于人体的定位分析是其中一个基本且重要的维度。目前基于GPS的室外定位无法满足一般的小型体育场景的高精度定位,该文基于超宽带定位技术设计了一套应用于小型场景室外定位系统,该系统可以满足高精度、高刷新率要求的体育定位场景,可以应用于一般田径运动的训练分析。

关键词：超宽带定位室外定位体育训练高精度定位

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基于OTT与MR数据的自适应WKNN室外定位方法

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江苏通信 2019年第1期35卷 7-11页

作者：徐珊珊余健王计斌南京华苏科技有限公司

随着无线通信技术的快速发展和日趋成熟,基于位置的无线定位服务对于无线通信网络优化分析越来越重要。当GPS不能达到全覆盖时,类似于指纹库的定位技术逐渐产生。本文提出了一种自适应WKNN指纹库定位算法,该算法引入了随机森林算法,计... 详细信息

随着无线通信技术的快速发展和日趋成熟,基于位置的无线定位服务对于无线通信网络优化分析越来越重要。当GPS不能达到全覆盖时,类似于指纹库的定位技术逐渐产生。本文提出了一种自适应WKNN指纹库定位算法,该算法引入了随机森林算法,计算出每个特征的重要性,并通过丢弃不可靠的参考点进行自适应选择,以提升每个用户定位结果的准确性。整个方法是使用Apache Spark框架实现的,并在运营商的真实数据流上进行测试。结果表明,与TA+AOA和传统的WKNN指纹库定位方法相比,该方法有了显著的改进。

关键词：室外定位指纹库 MR数据自适应加权k近邻算法随机森林