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基于UWB的无线室内定位系统设计与实现

汪义庭  
【摘要】:随着信息化时代新生产物无线定位技术的快速发展,促使了许多依赖位置的服务LBS(Location-Based Services)产生。GPS具有定位精度高、覆盖范围广等优点,在室外环境下能够为人们提供很好的位置服务;然而,在复杂的室内环境下,GPS信号由于受到障碍物的遮挡会严重衰减而无法应用于室内定位。为此,本文在分析、比较多种定位技术的基础上,给出了基于UWB(超宽带)的无线室内定位系统,具有较高的定位精度及实时跟踪性能,能够很好地满足用户的室内定位需求。本文主要完成了以下几个方面的研究工作:对UWB高斯脉冲信号及其各阶导函数进行了MATLAB仿真,仿真结果表明高斯脉冲信号符合UWB脉冲在频域上为带限信号及时域上为时限信号的要求,且可通过改变脉冲成形因子?来使高斯脉冲及其导数波形的脉冲和幅频宽度达到UWB脉冲设计要求;对IEEE典型室内环境CM1~CM4模型进行了MATLAB仿真实现,分析了UWB脉冲信号在室内环境中视距和非视距情况下的传播特性,为UWB无线室内定位技术研究提供了理论基础。本文对传统卡尔曼滤波算法进行优化,用于解决目标节点动态跟踪实时性差的问题。首先,引入参数调整因子?,并根据目标节点的运动状况选择合适的参数值。其次,通过测距环境判定阈值_dT来判断待定位目标节点的当前状态,动态调整卡尔曼滤波预测方程中的协方差矩阵值?Q(7)k(8),以加快目标节点在运动过程中卡尔曼滤波的收敛速度。最后,利用改进后的卡尔曼滤波跟踪定位算法对目标节点进行动态跟踪定位,以提高定位系统的实时跟踪性能。本文设计并实现了整个定位系统的硬件和软件部分。硬件部分主要包括:主控模块、UWB无线收发模块、电源模块、LED指示模块、拨码开关及复位等模块的设计;软件部分主要包括:在uVision5 IDE开发环境下完成了对目标节点、信标节点、网关节点以及目标节点坐标解算平台的程序编写;基于Qt Creator MinGM开发了定位系统的上位机。在实际室内环境下,分别进行了测距实验、静态目标节点定位实验及运动目标节点跟踪实验,来验证改进卡尔曼滤波定位算法的正确性及测试本系统的定位性能。实验结果表明,改进卡尔曼滤波定位算法提高了对运动目标节点跟踪的实时性和稳定性;本文所设计的定位系统对静态目标节点的定位精度能够达到cm级,并且对运动目标节点具有良好的实时跟踪性能,能够满足一般室内场景下的定位需求。图[57]表[7]参[61]


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