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An improved LSE-EKF optimisation algorithm for UAV UWB positioning in complex indoor environments

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Journal of Control and Decision 2023年第4期10卷 547-559页

作者： Guantong Guan Guohua Chen College of Mechanical and Electrical Engineering Beijing University of Chemical TechnologyBeijingPeople’s Republic of China

With the increasing application of UAVs,UAV positioning technology for indoor complex environment has become a hot research issue in the industry.The traditional UWB positioning technology is affected by problems such as multipath effect and non-line-of-sight propagation,and its application in complex indoor environments has problemssuch as poor positioning accuracy and strong noise interference.We propose an improved LSE-EKF optimisation algorithm for UWB positioning in indoor complex environments,which optimises the initial measurement data through a BP neural network correction model,then optimises the coordinate error using least squares estimation to find the best pre-located coordinates,finally eliminates the interference noise in the pre-located coordinate signal through an EKF algorithm.It has been verified by experiments that the evaluation index can be improved by more than 9%compared with EKF algorithm data,especially under non-line-of-sight(NLOS)conditions,which enhances the possibility of industrial application of indoor UAV.

关键词： Indoor UAV positioning UWB BP neural networks least squares estimation extended Kalmanfiltering

Miniaturized Novel UWB Band-Notch Textile Antenna for Body Area Networks

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Computer Systems Science & Engineering 2022年第3期40卷 1183-1198页

作者： Mohammad Monirujjaman Khan Arifa Sultana Mehedi Masud Gurjot Singh Gaba Hesham A.Alhumyani Department of Electrical and Computer Engineering North South UniversityBashundharaDhaka1229Bangladesh Department of Computer Science College of Computers and Information TechnologyTaif UniversityTaif21944Saudi Arabia School of Electronics&Electrical Engineering Lovely Professional UniversityPunjabIndia Department of Computer Engineering College of Computers and Information TechnologyTaif UniversityTaif21944Saudi Arabia

This paper presents the design and analysis of a miniaturized and novel wearable ultra-wideband(UWB)band-notch textile antenna for Body Area Networks(BANs).The major goal of building the antenna for wearable applications with band notch in X-band is to reject the downlink band(7.25 to 7.75 GHz)of satellite communication in the UWB frequency ranges of 3.1–10.6 GHz to keep away from interference.Computer Simulation Technology(CST)TM Microwave Studio,which is user-friendly and reliable,was used to model and simulate the antenna.The radiating element of the antenna is designed on Jeans’textile substrate,which has a relative permittivity of 1.7.The thickness of the jeans’fabric substrate has been considered to be 1 mm.Return loss,gain,bandwidth,impedance,radiation,and total efficiency,and radiation patterns are presented and investigated.The antenna is simulated placed on the three layers of the human body model,and the on-body results are summarized in comparison with free space.Results and analysis indicate that this antenna has good band-notch characteristics in the frequency range of 7.25 GHz to 7.75 GHz.The parametric study varying the relative permittivity of Jeans’fabric substrate of this antenna is also evaluated.In addition,effects on the antenna parameters of variation of ground plane size have been reported.The antenna is 25 mm×16 mm×1.07 mm in total volume.Results reveal that this antenna achieves the design goal and performs well both in free space and on the body.

关键词： UWB band notch textile antenna wearable antenna on-body BANs jeans X-band CST

煤矿井下UWB信号路径损耗测量及中心频率选择

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工矿自动化 2023年第4期49卷 147-152页

作者：吕瑞杰国家能源集团神东煤炭集团公司陕西榆林719315

煤矿井下分别部署UWB,5G,WiFi6等系统,存在基站多、传输线缆多、供电设备多、系统成本高、维护工作量大等问题。将UWB,5G,WiFi6等集成在同一个一体化基站或分站内,可有效解决上述问题,但一体化基站的UWB,5G,WiFi6天线之间距离近,相互干... 详细信息

煤矿井下分别部署UWB,5G,WiFi6等系统,存在基站多、传输线缆多、供电设备多、系统成本高、维护工作量大等问题。将UWB,5G,WiFi6等集成在同一个一体化基站或分站内,可有效解决上述问题,但一体化基站的UWB,5G,WiFi6天线之间距离近,相互干扰大。选择不同的工作频段,是解决一体化基站的UWB,5G,WiFi6天线之间相互干扰大的有效方法。为与地面设备兼容,矿用WiFi6和5G工作频段选择范围较小,UWB工作频段选择范围较大。目前矿井人员和车辆定位系统主要采用UWB主流芯片DW1000,其中心频率为3.5,4.0,4.5,6.5 GHz。中心频率为3.5 GHz的UWB与3.5 GHz的5G工作频段相近,不宜选用。中心频率为4.0,4.5,6.5 GHz的3个频段的UWB,均与5G和WiFi6频段不相近,可选择其中衰减较小的频段作为矿用UWB中心频率。煤矿井下测试结果表明,4.0 GHz信号的路径损耗最小,在其他条件相同的情况下,传输距离最远,既解决了UWB与5G和WiFi6相互干扰的问题,又减少了基站数量和系统成本,便于使用与维护。因此,UWB中心频率应优选4.0 GHz。

关键词：矿井无线传输无线传输衰减工作频段路径损耗中心频率 UWB 5G WiFi6

基于UKF滤波加权C-T融合算法的无人驾驶单轨吊双标签UWB定位

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煤炭科学技术 2023年

作者：吕玉寒张牧野鲍久圣杨阳杨健健王茂森中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院中国矿业大学机电工程学院石家庄煤矿机械有限责任公司

单轨吊机车是煤矿井下重要的辅助运输设备之一，目前正在朝着智能化和无人化的方向发展。为了提高无人驾驶单轨吊定位精度，开展了基于UKF滤波加权C-T融合算法的双标签UWB定位方法研究。首先，根据单轨吊车身的结构特征，设计了包含双... 详细信息

单轨吊机车是煤矿井下重要的辅助运输设备之一，目前正在朝着智能化和无人化的方向发展。为了提高无人驾驶单轨吊定位精度，开展了基于UKF滤波加权C-T融合算法的双标签UWB定位方法研究。首先，根据单轨吊车身的结构特征，设计了包含双标签定位信息采集层、定位数据传递层和定位坐标解析层的双标签UWB定位系统；其次，将UWB中Chan算法的定位结果作为Taylor算法的初始值，保障了Taylor算法的收敛性和计算效率；再次，通过预设的单轨吊车身长度与双标签定位数据得到定位补偿error，将error代入Taylor算法以进一步提高定位精度，仿真结果表明优化后算法的定位精度提高了44%；然后，使用无迹卡尔曼（UKF）对加权C-T融合算法进行滤波优化，提高了定位系统在NLOS环境中的定位精度，仿真结果表明UKF滤波优化后的定位精度在直行路段提高了7.8%以上，在弯道路段中提高了10.6%以上，且随着NLOS误差的增大，定位效果明显提升；最后，在石煤机试验场进行单轨吊实车试验，结果表明：基于UKF滤波的双标签加权C-T融合定位算法使单轨吊静态定位精度小于20cm，动态定位精度小于30cm，整体定位精度达到分米级，稳定性和可靠性也得到提高，可满足单轨吊井下无人驾驶定位需求。研究分米级精度的单轨吊定位系统是矿井单轨吊实现智能化、无人化高效运输的重要保障。

关键词：单轨吊 UWB 加权C-T融合算法双标签 UKF滤波

矿井UWB定位系统中圆极化天线的优化设计和应用

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工矿自动化 2023年第1期49卷 171-176页

作者：鞠晨国家能源集团神东煤炭集团公司陕西榆林719315

天线是矿井UWB定位系统的重要组成部分,为了抑制矿井UWB定位系统接收到多径反射信号,提高矿井UWB定位系统的定位精度,对传统圆极化天线结构进行优化,设计了一种新型右旋圆极化微带天线。先将矩形开槽改为十字开槽,改变电流轨迹,使两正... 详细信息

天线是矿井UWB定位系统的重要组成部分,为了抑制矿井UWB定位系统接收到多径反射信号,提高矿井UWB定位系统的定位精度,对传统圆极化天线结构进行优化,设计了一种新型右旋圆极化微带天线。先将矩形开槽改为十字开槽,改变电流轨迹,使两正交线性极化电场的相差更接近90°,从而降低轴比,使天线的圆极化纯度更高;再将十字开槽平滑扩展为菱形开槽,达到提高交叉极化电平、抑制正交旋向的效果,使天线实现更高的右旋圆极化纯度。采用HFSS软件对该新型右旋圆极化微带天线进行仿真,仿真结果表明,主辐射方向交叉极化电平>10.4 dBi,可以达到很好的右旋圆极化效果。新型右旋圆极化微带天线样品的工作频带和回波实测结果同仿真结果基本吻合,说明该新型天线结构易于加工且正常容差内的工艺偏差对天线性能的影响程度相对较小。将制作的新型右旋圆极化微带天线样品用于基于到达相位差的UWB定位系统,并在隧道环境下进行现场测试,测试结果表明,信号到达相位差稳定性有明显改善,对多径效应有明显的抑制效果,可以有效提高UWB定位系统的定位精度。该新型右旋圆极化微带天线具有体积小、质量轻、易于制作等优点。

关键词： UWB 矿井定位系统圆极化天线多径效应轴比交叉极化电平右旋圆极化天线

GPS+BDS与UWB组合定位的Helmert方差分量估计方法

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测绘通报 2023年第8期 91-96页

作者：赵奕文杨天然苗李莉马运涛北京建筑大学测绘与城市空间信息学院北京102616 富宁县公安局云南文山663416 中国矿业大学(北京) 北京100083

为了提高室内外过渡区定位精度,本文采用GPS+BDS与UWB组合定位,建立GPS+BDS与UWB组合定位模型,并针对GPS与BDS星座结构的不同,以及UWB与GNSS观测值残差差异较大的情况,采用Helmert方差分量估计法分别对GPS、BDS、UWB进行定权;最后通过... 详细信息

为了提高室内外过渡区定位精度,本文采用GPS+BDS与UWB组合定位,建立GPS+BDS与UWB组合定位模型,并针对GPS与BDS星座结构的不同,以及UWB与GNSS观测值残差差异较大的情况,采用Helmert方差分量估计法分别对GPS、BDS、UWB进行定权;最后通过动态室内外过渡区试验组合模型进行精度验证。结果表明,基于GNSS+UWB定位系统,采用Helmert方差分量方法,在东、北、天3个方向的定位精度均获得了显著提高,静态条件下提高幅度约为20%,动态条件下提高幅度约为10%。

关键词：组合定位 Helmert方差分量估计 GPS BDS UWB

基于UWB与物联网的移动式温室环境监测系统设计与实现

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农业工程学报 2020年第23期36卷 229-240页

作者：侯加林蒲文洋李天华丁小明张观山山东农业大学机械与电子工程学院泰安271018 山东省农业装备智能化工程实验室泰安271018 农业农村部规划设计研究院设施农业研究所北京100125

为低成本实现对温室不同区域环境的全面感知,该研究设计了移动式温室环境监测系统,其采用超宽带(Ultra Wide Band,UWB)网状拓扑结构进行分布式组网,节点设备以一主多从的形式对移动工作台实时定位。利用优化后的双向双边测距算法计算各... 详细信息

为低成本实现对温室不同区域环境的全面感知,该研究设计了移动式温室环境监测系统,其采用超宽带(Ultra Wide Band,UWB)网状拓扑结构进行分布式组网,节点设备以一主多从的形式对移动工作台实时定位。利用优化后的双向双边测距算法计算各基站与标签之间的距离,通过距离的归一化残差分布判断是否存在非视距(Non Line of Sight,NLOS)误差,利用改进后的增量卡尔曼滤波算法消除NLOS误差,通过Chan算法解算标签准确位置。移动工作台以Arduino控制器为核心,搭载温度、湿度、二氧化碳和光照度传感器,实现对温室环境的实时监测和对移动工作台的远程控制。测试结果表明,系统静态定位最大横向偏差为7.92 cm,最大纵向偏差为7.98 cm,横向和纵向偏差的平均值均<5 cm;移动工作台以0.4 m/s的平均速度行驶,动态定位最大横向偏差为8.7 cm,平均横向偏差为4.7 cm;采集参数上传平均丢包率为2.78%;温度、湿度、光照度和二氧化碳浓度监测相对误差分别低于0.63%、0.34%、0.70%和0.67%,满足温室环境信息移动监测要求。该研究对温室环境调控和温室内作业机具精准定位技术的发展具有一定的理论意义和参考价值。

关键词：温室环境调控物联网 UWB 移动工作台定位

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智能汽车两阶段UWB定位算法

交通运输工程学报 2021年第2期21卷 256-266页

作者：朱冰陶晓文赵健柯敏王志伟李鑫吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室吉林长春130022 中国人民解放军空军航空大学航空作战勤务学院吉林长春130021

为了提高智能汽车行驶的可靠性,以超宽带(UWB)为研究对象,研究了智能汽车两阶段UWB定位算法;分析了智能汽车UWB定位算法的基本原理与误差来源;建立了测距值筛选与加权位置解算两阶段UWB定位算法,在测距值筛选阶段,采用高斯筛选剔除小概... 详细信息

为了提高智能汽车行驶的可靠性,以超宽带(UWB)为研究对象,研究了智能汽车两阶段UWB定位算法;分析了智能汽车UWB定位算法的基本原理与误差来源;建立了测距值筛选与加权位置解算两阶段UWB定位算法,在测距值筛选阶段,采用高斯筛选剔除小概率、大干扰事件,在加权位置解算过程中,根据多测距点的位置坐标加权计算得到最终的位置坐标,以有效减小非视距、多径效应所带来的误差,通过使用抗多径天线以有效减小多径效应所带来的误差,并分别建立了静态补偿和运动补偿策略,以有效减小设备晶振偏差等硬件问题造成的误差;在MATLAB/Simulink仿真平台中搭建一定测距方差约束下的UWB随机测距值仿真环境,对算法进行了仿真测试并与三边定位算法、三边质心定位算法进行仿真比较,分析基站数量对定位精度的影响;搭建实物UWB测试系统,对UWB设备定位精度进行了评估与误差补偿,并对两阶段UWB定位算法进行了实车测试。仿真结果表明:东向和北向的定位误差均值最小分别可达0.3823、0.4470 m;补偿后的UWB定位轨迹更接近RT3002所示的轨迹,东向和北向轨迹误差的平均值分别为0.0492、0.0178 m,均方根误差分别为0.0698、0.0264 m。可见,提出的智能汽车两阶段UWB定位算法能够满足智能汽车的定位需求,具有高精度、低成本、稳定性好等优点。

关键词：汽车工程智能汽车高精度定位路侧基站 UWB 运动补偿

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一种行人遮挡下的UWB非视距传播识别方法

物联网学报 2023年第4期7卷 63-71页

作者：吴彤李业深黄镇煌张煜张万乐熊轲北京交通大学高速铁路网络管理教育部工程研究中心北京100044 北京交通大学计算机与信息技术学院北京100044 国网能源研究院有限公司北京102209

超宽带(UWB,ultrawideband)技术带宽大、抗干扰能力强、多径分辨率高,是室内定位的热点技术。然而由于室内环境复杂,UWB信号传播不可避免会受到遮挡,产生非视距(NLOS,non-line-of-sight)传播,极大降低了UWB定位的精度。因此,准确识别出N... 详细信息

超宽带(UWB,ultrawideband)技术带宽大、抗干扰能力强、多径分辨率高,是室内定位的热点技术。然而由于室内环境复杂,UWB信号传播不可避免会受到遮挡,产生非视距(NLOS,non-line-of-sight)传播,极大降低了UWB定位的精度。因此,准确识别出NLOS数据,将其进行剔除或矫正,对缓解定位精度下降问题有重要的作用。现有NLOS识别工作多数聚焦于墙体等建筑结构遮挡的场景,行人遮挡的场景需要进一步讨论。由于人体遮挡对信号的影响复杂且不可忽略,针对行人遮挡下的UWB非视距传播识别问题进行研究。综合比较多种机器学习方法和信号特征组合,提出了一种基于第一路径信号功率、总接收信号功率和测量距离三维特征的随机森林方法,使用较少维度的特征达到了良好的NLOS识别效果。基于不同实测数据的实验结果表明,采用所提三维特征的随机森林方法在3组不同数据集上的NLOS识别准确率分别达到了99.05%、99.32%和98.81%。

关键词： UWB 室内定位非视距识别随机森林