通导一体无线自组网构建及辅助行人定位

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近年来,物联网(IOT)的出现使得基于位置的服务(LBS)渗透到社会活动的方方面面,人们对室内定位的需求越来越大。目前室内定位方法主要有基于无线网络与基于惯性原理两种,定位技术正向着低成本和易携带、高精度、多融合以及室内外无缝定位方向发展。超宽带(UWB)能够获得高精度距离信息,但是受到多路径和非视距(NLOS)影响严重;行人航位推算(PDR)具有强抗干扰能力,可以在短期内精确估计相对运动变化,但误差随时间发散。两种技术优势互补,通过信息融合可以获得高精度、稳定的定位结果。同时,室内环境复杂多变,快速构建定位基准也至关重要。基于无线自组织网络的定位方案灵活、易于实现,或能解决恶劣或未知环境下的定位问题。因此,本文提出一种通导一体无线自组织网络构建与辅助行人定位方案,可以在目标场景中快速建立定位基准,并实现行人融合定位。本文主要的工作内容为:(1)提出了自适应峰值检测算法,根据不同用户在不同步速下采集的运动数据自适应确定检测峰值的阈值,有效缓解固定阈值造成的误检测、漏检测等问题;并且,融合陀螺仪、加速度计和磁力计,基于磁干扰检测和外部加速度检测实现航向估计算法,抑制传感器漂移、噪声和微小抖动等误差的影响。(2)介绍常见的UWB定位机制及NLOS检测原理,使用Deca Wave公司的DWM1001-DEV开发板进行双向测距(TWR),在多组距离下采集数据,实现UWB锚节点距离标定,结果表明,在无人为干扰的情况下,该UWB锚节点可以达到厘米级测距精度。(3)介绍本文所提出的PDR辅助下UWB无线自组织网络构建过程,通过PDR递推获得未知锚节点的初位置以及相邻锚节点之间的航向,再通过TWR测量锚节点之间的距离,利用航向与距离的约束信息实现导线网平差,获得锚节点精位置。针对两种典型的室内场景重点介绍两种构网方案,并进行实地测试,结果表明,本文所提出的通导一体自组织网络构建方法可以实现分米级的基站标定精度。(4)提出了基于异常值检测的自适应粒子滤波(APF)融合算法,融合PDR提供的步长、航向,以及UWB的距离信息,并基于卡方分布检测异常测距值,动态调整测量噪声方差。设计集成了WT931姿态传感器和DWM1001-DEV开发板的设备并采集数据,对所提出的方法进行实验验证。实验结果表明,本文所提出的自适应粒子滤波算法在简单或复杂环境中都具有更高的精度。在复杂环境中,95%的误差为0.54 m,与PDR、最小二乘(LS)、传统粒子滤波(PF)相比,APF精度提高超过70%。并且,在引入构网误差后,APF在复杂环境中的平均误差仅增加0.09 m,证明了所提出的构网、定位方案的可行性与有效性。
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