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基于单基站天线阵列的超宽带定位AOA估计方法

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电子与信息学报 2013年第8期35卷 2024-2028页

作者：张浩刘兴 Gulliver T A 崔学荣中国海洋大学信息科学与工程学院青岛266100 维多利亚大学电子与计算机工程学院

该文提出一种基于单基站六角单极定向天线阵列的到达角(Angle Of Arrival,AOA)估计方法,用于超宽带(UWB)室内精确定位。该文设计的AOA估计方法是通过测量各天线接收脉冲幅度信息,结合加入了动态参数的天线阵列的波束方向图,从而获得AOA... 详细信息

该文提出一种基于单基站六角单极定向天线阵列的到达角(Angle Of Arrival,AOA)估计方法,用于超宽带(UWB)室内精确定位。该文设计的AOA估计方法是通过测量各天线接收脉冲幅度信息,结合加入了动态参数的天线阵列的波束方向图,从而获得AOA,避免了传统多基站定位系统中采用测量脉冲到达时间差的方法带来的部署困难以及精度不足问题。仿真结果显示,使用该文提出的AOA估计方法,估计误差小于1°的概率可达到96%,在IEEE802.15.4a CM3信道下,当定位距离为10 m时,定位误差小于15 cm的概率可达80%。因此,基于该文单基站AOA估计方法的UWB定位系统部署简单,并且可提供精确的定位精度,是一种有效的定位方法。

关键词：超宽带定位单基站天线阵列脉冲幅度

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超宽带定位的降噪方法研究

测绘科学 2019年第4期44卷 175-181页

作者：王川阳王坚宁一鹏余航中国矿业大学国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室江苏徐州221116 北京建筑大学测绘与城市空间信息学院北京102616

针对超宽带定位中原始观测数据存在的高频噪声影响定位结果的问题,该文利用小波变换、Vondrak滤波、卡尔曼滤波3种方法分别对原始观测数据和定位结果两种方案进行降噪处理,并通过静态实验对比了降噪前后定位结果精度。结果表明,在两种... 详细信息

针对超宽带定位中原始观测数据存在的高频噪声影响定位结果的问题,该文利用小波变换、Vondrak滤波、卡尔曼滤波3种方法分别对原始观测数据和定位结果两种方案进行降噪处理,并通过静态实验对比了降噪前后定位结果精度。结果表明,在两种降噪方案中,3种方法都能够有效提高定位结果精度,且卡尔曼滤波方法的效果最优,此外,对于同一点位,两种降噪方案得出的定位结果精度基本一致。

关键词：超宽带定位噪声小波变换 Vondrak 卡尔曼滤波

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融合卡尔曼滤波算法在超宽带定位中的研究

测绘科学 2022年第5期47卷 10-17页

作者：董佳琪连增增徐精诚陆星浩河南理工大学测绘与国土信息工程学院河南焦作454003

针对超宽带定位技术带有不可避免的随机误差问题,为了减小其对室内定位精度的影响,提出了一种融合卡尔曼滤波算法。该算法通过引入间接平差算法求解定位标签的三维坐标,并将此坐标作为观测量进行卡尔曼滤波算法求解,达到多次减小随机误... 详细信息

针对超宽带定位技术带有不可避免的随机误差问题,为了减小其对室内定位精度的影响,提出了一种融合卡尔曼滤波算法。该算法通过引入间接平差算法求解定位标签的三维坐标,并将此坐标作为观测量进行卡尔曼滤波算法求解,达到多次减小随机误差的目的。实验结果表明,与经典平均算法相比,在X、Y、Z方向上的精度分别提高了58.76%、41.68%、35.58%,点位精度也提高了48.08%。同时与扩展卡尔曼滤波算法、粒子滤波算法解算结果进行比较,定位精度更高。因此得出结论,融合卡尔曼滤波算法可以有效提升标签三维坐标的精度,具有平滑性和可靠性。

关键词：融合卡尔曼滤波间接平差平均算法超宽带定位

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煤矿井下超宽带定位混合解算方法

工矿自动化 2021年第3期47卷 53-59页

作者：陈美蓉王凯张嘉纯许鹏远中国矿业大学数学学院江苏徐州221116 煤炭科学研究总院矿山大数据研究院北京100013 中国矿业大学信息与控制工程学院江苏徐州221116

超宽带定位是根据基站测定的标记点距离,基于一组非线性定位方程组,通过泰勒(Taylor)级数展开算法、Chan算法或最小二乘法解算获得精确的设备位置。其中,Taylor级数展开算法的求解精度高,但是对初始值具有很强的依赖性,如果初始值选择... 详细信息

超宽带定位是根据基站测定的标记点距离,基于一组非线性定位方程组,通过泰勒(Taylor)级数展开算法、Chan算法或最小二乘法解算获得精确的设备位置。其中,Taylor级数展开算法的求解精度高,但是对初始值具有很强的依赖性,如果初始值选择不恰当,会导致算法不收敛。针对上述问题,提出了一种结合头脑风暴优化(BSO)和Taylor级数展开的混合解算(BSO-Taylor)方法。采用BSO算法求解移动站到基站的误差函数最小化的最优解,将最优个体的到达时间差(TDOA)值作为Taylor级数展开算法的初始值,进行Taylor展开解算得到定位信息,解决了Taylor级数展开算法需要较好初始值的问题。对Chan算法、Taylor级数展开算法和BSO-Taylor混合解算方法的结果进行了对比实验,结果表明,BSO-Taylor混合解算方法通过全局搜索策略,获得了接近于真实位置的迭代初始值,既可以获得接近真值的定位性能,又解决了Taylor级数展开算法对不良初始值的敏感性;相较于Chan算法,BSO-Taylor混合解算方法的解算结果更加稳定,且准确性更好;相较于初始位置为真实位置的Taylor级数展开算法,BSO-Taylor混合解算方法的解算误差稍大;定位距离的变化和TDOA测量值标准差的变化对Taylor级数展开算法和BSO-Taylor混合解算方法的影响基本一致,而对Chan算法的影响较大。

关键词：矿井定位超宽带定位到达时间差误差解算 Taylor级数展开算法头脑风暴优化 TDOA

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基于压缩感知的超宽带定位研究

基于压缩感知的超宽带定位研究

作者：晏子敬中国矿业大学

学位级别：硕士

由于超宽带具有非常强的多径分辨能力,因此被广泛应用在短距离定位技术领域,比较常见的是室内环境下的超宽带定位。但是由于超宽带信号具有十分宽的带宽,按照传统的奈奎斯特采样定律就会对系统接收节点的ADC(Analog-to-Digital Convert... 详细信息

由于超宽带具有非常强的多径分辨能力,因此被广泛应用在短距离定位技术领域,比较常见的是室内环境下的超宽带定位。但是由于超宽带信号具有十分宽的带宽,按照传统的奈奎斯特采样定律就会对系统接收节点的ADC(Analog-to-Digital Converter)模块有着极高的采样速率要求,造成接收节点ADC模块设计成本增加,增加硬件设计难度。压缩感知(Compressed Sensing,CS)技术为解决超宽带接收端采样速率过高的难题提供解决方案,为了解决超宽带定位接收机采样速率过高的问题,本文研究基于压缩感知的超宽带定位技术。主要工作如下:首先,为了解决超宽带定位系统的高采样速率问题,设计出基于压缩感知的超宽带定位系统模型,将超宽带定位分成两个步骤:第一步:使用压缩感知技术低速率的估计包含目标信号时延信息的冲激响应;第二步:利用TOA估计算法从冲激响应中提取目标信号的TOA信息。然后,提出基于压缩采样匹配追踪(CoSaMP)重构的UWB TOA定位算法,采用CoSaMP完成冲激响应估计步骤,在TOA估计环节,通过设置门限来进行目标径的提取,在基于能量最大值均值比门限TOA估计算法(AMMR-TOA)算法基础上提出一种改进的基于能量最大值均值比门限估计算法GAMMR-TOA,新算法在设置门限时同时考虑了最强径与最弱径的影响,使得能量最大值均值比更充分的体现信道特征和信噪比,得到更精确的TOA信息。对基于压缩采样匹配追踪(CoSaMP)重构的UWB TOA定位算法进行仿真分析,验证算法的定位性能。最后,为了解决基于压缩感知的超宽带定位中冲激响应估计环节传统贪婪算法对冲激响应估计精度不足、实际信道中接收机接收到的多径信号稀疏度未知等问题,本文提出一种改进的高精度压缩感知UWB定位算法(HSRMP-GAMMR-TOA),该算法可以在未知稀疏度的实际情况下进行冲激响应重构;在挑选最优原子步骤中,使用广义Dice准则代替以往重构算法使用的內积法,使得选择原子步骤更严谨,可以更精确地完成冲激响应估计。仿真结果表明本算法可以取得更好的定位效果。

关键词：压缩感知超宽带定位 TOA参数估计方法重构算法

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基于超宽带定位的农业机械导航控制系统研究

基于超宽带定位的农业机械导航控制系统研究

作者：赵辰彦浙江农林大学

学位级别：硕士

随着现代化农业的发展,由于农业机械的自动导航控制可以有效提升工作效率,提高作业精度,因此智能农业机械被广泛应用于设施农业。而对于自动导航,位置测量和导航路径跟踪控制方法是其两个重要部分。本研究针对在设施温室工作环境的农机... 详细信息

随着现代化农业的发展,由于农业机械的自动导航控制可以有效提升工作效率,提高作业精度,因此智能农业机械被广泛应用于设施农业。而对于自动导航,位置测量和导航路径跟踪控制方法是其两个重要部分。本研究针对在设施温室工作环境的农机自动导航控制,选择超宽带定位系统为农机进行定位,并对路径跟踪控制方法进行研究,具体工作如下:首先,对超宽带定位的原理以及误差进行分析。研究对比超宽带定位常用的几种定位方法,综合优缺点后选取到达时间差(TDOA)作为本文的定位方法。针对TDOA受到误差影响精度下降的情况,采用二元三次多项式对误差进行拟合,并修正测量点误差,并在实际定位试验中验证其有效性。其次,对比分析几种农机的转向驱动方式,通过对本文生产平台前轮转向和后轮驱动的研究,以实现在自动导航过程中的更高精度控制。并设计路径跟踪模糊控制器,以横向偏差和航向偏差为控制系统的输入量,前轮转角为输出量,并结合自调整函数解析式对输入量的权重进行动态调整,通过仿真验证了模糊控制器的可靠性。最后,分别在体育馆和设施温室环境中进行自动导航试验,试验结果表明,基于超宽带定位的农业机械具有较高的定位精度,结合本文设计的导航控制方法能够实现在设施农业中自动导航。本文采用超宽带定位为农业机械提供位置信息,并修正定位误差,同时采用模糊控制作为导航控制方法,在设施温室内进行自动导航,且精度较高,能够为设施温室内的自动导航研究提供一定的参考。

关键词：设施农业农业机械自动导航超宽带定位模糊控制

基于超宽带定位和航迹推演算法融合的送餐机器人定位系统研究与实现

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基于超宽带定位和航迹推演算法融合的送餐机器人定位系统研究与实...

作者：刘星亚上海师范大学

学位级别：硕士

近年来,随着机器人越来越多的渗入到我们的生活中,服务机器人得到了快速的发展,其中送餐机器人成为了该领域研究的热点之一。早期磁导航送餐机器人因施工复杂,路径更换不灵活等因素逐渐被淘汰,无轨导航技术成为送餐机器人的发展的趋势... 详细信息

近年来,随着机器人越来越多的渗入到我们的生活中,服务机器人得到了快速的发展,其中送餐机器人成为了该领域研究的热点之一。早期磁导航送餐机器人因施工复杂,路径更换不灵活等因素逐渐被淘汰,无轨导航技术成为送餐机器人的发展的趋势。在无轨导航技术中,视觉导航环境适应性差,激光导航的成本过高,而采用多信息融合的定位算法具有性价比高、定位精度高、定位稳定性好等优点。本文对送餐机器人定位系统中的超宽带定位技术、航迹推演算法、多传感器信息融合算法进行了深入研究,主要研究工作包括如下方面:1.总结了国内外服务机器人、室内定位技术以及多传感器融合算法的研究现状,分析其缺点及不足并确立本文研究方向及论文组织架构。2.建立送餐机器人的运动学模型和动力学模型,以模型为基础,推导出针对送餐机器人的传统航迹推演算法,并在传统算法基础上进行改进,使改进型航迹推演算法更适合送餐机器人长时间、远距离的工况。3.分析现有室内绝对定位技术,选用适合餐厅环境的基于TDOA算法的超宽带定位技术;为有效提高定位精度和稳定性,采用卡尔曼滤波融合算法将超宽带系统和改进型航迹推演算法的定位结果进行融合,提高定位精度和稳定性。4.在Windows端通过TDOA算法对超宽带数据进行解算并得到定位结果,同时在Linux端通过ROS对送餐机器人进行控制;设计主控板的硬件电路和底层驱动程序,使其能够接收来自ROS平台的左、右轮速度并通过改进型航迹推演算法解算得到送餐机器人的定位结果。5.实验通过TDOA算法对超宽带数据进行解算并得到一组送餐机器人的定位结果;同时通过改进型航迹推演算法解算得到另一组送餐机器人的定位结果,对两组结果进行误差分析并通过扩展卡尔曼滤波融合算法进行融合,融合后的定位结果精度和稳定性大大提高,其定位误差在15厘米左右,远小于超宽带定位系统和改进型航迹推演算法的定位误差。

关键词：超宽带定位航迹推演算法扩展卡尔曼滤波送餐机器人

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基于遗传算法的超宽带定位研究

基于遗传算法的超宽带定位研究

作者：郑宪芝山东理工大学

学位级别：硕士

超宽带(Ultra Wideband,UWB)定位通过发送纳秒级的窄脉冲信号来传输数据,可实现视距环境下厘米级的精确定位,被广泛应用于精准农业、智慧工业、智慧仓储等位置服务场景。因此,开展超宽带定位的相关研究,具有非常广泛的应用价值和实际意... 详细信息

超宽带(Ultra Wideband,UWB)定位通过发送纳秒级的窄脉冲信号来传输数据,可实现视距环境下厘米级的精确定位,被广泛应用于精准农业、智慧工业、智慧仓储等位置服务场景。因此,开展超宽带定位的相关研究,具有非常广泛的应用价值和实际意义。超宽带定位获得测距信息后,建立定位方程,使用智能优化方法求解此方程,得到标签位置。智能优化求解方法中,遗传算法具有寻优性能好、收敛速度快、鲁棒性强等优点,成为超宽带定位研究的一个热点。但是在求解过程中,传统遗传定位算法所用的适应度函数只考虑标签和基站之间的距离,没有考虑标签之间的距离,测距信息不够全面,从而导致该算法的定位精度提高有限。因此需要改进适应度函数,充分利用标签之间的测距信息,提高定位精度。另外,采用新的适应度函数导致解空间维数由少维变为多维,影响定位结果的收敛速度。鉴于此,对基于遗传算法的超宽带定位进行研究,提高定位精度,加快定位结果的收敛速度。论文主要工作如下:(1)针对传统遗传定位精度提高有限的问题,提出了一种改进遗传定位算法。首先对适应度函数进行改进,改进的适应度函数不仅考虑了标签与基站之间的距离,还考虑了标签之间的距离,充分利用所有的测距信息,从而提高定位精度;接着采用一种改进的变异方式,防止出现搜索范围过大导致定位结果收敛速度慢的问题;最后为改善收敛性能,引入基于布朗运动的搜索机制。仿真结果表明,与传统遗传定位算法相比,改进遗传定位算法明显地提高了定位精度,并且改进的变异方式和基于布朗运动的搜索机制改善了定位结果的收敛性能。(2)在对改进遗传定位算法的进一步研究中发现随机选取的初始值严重影响算法的定位效果,导致定位误差较大。因此提出了基于灰狼优化的初始值选择方法,为改进遗传定位算法提供良好的初始值。仿真结果表明,该方法可以减少随机初始值对定位性能的影响。(3)改进遗传定位算法属于随机搜索算法,得到的最优解还不够精确。针对此问题,提出了一种融合改进遗传和Taylor级数展开的定位算法,该算法结合了改进遗传算法较强的寻优能力和Taylor级数展开法的迭代求解能力。仿真结果表明,该融合定位算法能进一步提高定位精度。(4)为了评估改进遗传定位算法的性能,设计了超宽带定位平台。该定位平台主要由两部分组成:定位算法和定位界面,能够实现算法参数的自定义、定位结果的显示等功能。

关键词：超宽带定位适应度函数改进遗传定位算法灰狼优化 Taylor级数展开法

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超宽带定位技术及应用

通信对抗 2007年第3期26卷 33-36,61页

作者：王磊张洪顺柏熙重庆通信学院电磁频谱管理教研室

超宽带（JWB）定位技术和传统定位技术相比，具有抗噪声能力强、多径分辨力高、可以穿透障碍物等优点，已经引起了诸多研究人员的关注。对超宽带定位的基本原理进行了探讨，重点讨论了经典算法中的非迭代算法和迭代算法，对其优缺点进... 详细信息

超宽带（JWB）定位技术和传统定位技术相比，具有抗噪声能力强、多径分辨力高、可以穿透障碍物等优点，已经引起了诸多研究人员的关注。对超宽带定位的基本原理进行了探讨，重点讨论了经典算法中的非迭代算法和迭代算法，对其优缺点进行了对比分析，并以实例说明了超宽带定位技术的优良性能。

关键词：超宽带定位到达时间泰勒级数