论文部分内容阅读
随着导航技术的发展与完善,基于位置的服务在人们的出行中显得愈发重要。尽管室内定位在许多领域有着广阔的应用前景,例如在地下停车场为车辆提供定位服务,在大型博物馆里为游客提供导航服务,在商场利用室内定位实现精准营销,在医院以及养老院实现对患者或老年人的健康监护等,但简单易用的室内定位技术尚不成熟。近年来,研究者们以智能终端为基础,提出了基于计算机视觉、红外、蓝牙、Wi-Fi和音频等技术的多种室内定位方案。其中,基于音频的室内定位因具有成本低、精度高、易布设等优点,得到了广泛的关注。本论文致力于实现基于到达时间差(Time Difference of Arrival,TDoA)的高可用、高精度、高鲁棒性的室内音频定位技术。重点探索了基于TDoA的基本定位算法,提出了两种基于二分策略的缩圆(Shrinking Circle,SC)定位算法;针对实际应用中由高度和移动速度带来的定位误差,提出了两个误差消除方案;开展了仿真和实场实验,比较了各种定位算法的表现,并验证了误差消除方案的有效性。本论文的研究成果将有助于室内音频定位系统的应用与推广。本文具体研究工作及成果可概括如下:(1)基于TDoA的定位算法研究。在传统缩圆法(Conventional Shrinking Circle,CSC)的基础上,提出了两种基于二分策略的改进缩圆方案(SC-1和SC-2)并开展了仿真和基于音频的实场定位实验,对比分析了传统缩圆法、两种基于二分策略的改进缩圆法以及基于最小二乘思想的各种定位算法的性能。结果表明,在精度和鲁棒性方面,分离的约束加权最小二乘法(Separated constrained weighted least-squares,SCWLS)表现最佳,三种缩圆法(SC-1、SC-2 和 CSC)表现略差于SCWLS,但都优于两步加权最小二乘法(two-step weighted least-squares,2WLS)和约束加权最小二乘法(constrained weighted least-squares,CWLS)。在算法耗时方面,SC-2表现出了最快的运行速度。(2)基于实际定位系统的误差分析。此研究的目的是消除由高度和移动速度带来的定位误差。针对扬声器节点所在平面距离目标终端的高度差带来的二维平面上的定位误差问题,提出了一种使用投影到二维平面上的半径代替三维半径的补偿方案。针对终端的移动会导致的定位误差问题,本文将终端在定位过程中发生的位移等效为节点发生的位移,使用修正后的节点坐标对终端进行定位。仿真实验验证了两种误差消除方案的有效性。(3)基于音频定位的滤波研究。此研究的目的是从带有噪声的定位结果中估计目标真实位置。本文研究了扩展卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter,EKF)、强跟踪滤波器(Strong Tracking Filter,STF)和无损卡尔曼滤波器(Unscented Kalman Filter,UKF)的导航滤波效果。研究中根据室内定位特点构建线性运动模型和测量模型,根据静态定位结果统计特征构建噪声协方差矩阵,仿真和实场实验结果表明EKF和UKF表现一致,STF表现出了对系统状态突变的跟踪能力,但当系统状态连续突变时,STF表现不佳。