室内超声定位系统的射频同步与UKF算法研究

论文摘要

超声定位是用于室内环境中移动目标精确定位的重要方法。在很多复杂以及作业恶劣的室内环境中,它能够给需要确定自身位置的移动人员或目标终端等,提供较准确的坐标信息,从而实现基于位置信息的智能操作服务。然而,在实际的定位操作中,却存在很多影响精度的因素。超声发射和接收器的分离布局会造成测距时间的计时延迟,本文通过在超声发射与接收器之间进行射频同步设置增强计时同步性,进而提高测距时间的准确性；另外,由于定位测量值会受环境中的多种随机噪声干扰,会导致待定位坐标计算结果不真实,本文采用无迹卡尔曼滤波(UKF)算法减小噪声误差,进一步提高了系统的定位精度。作者主要完成的研究工作包括：1、调研室内定位系统的国内外现状与发展,并分析射频技术的国内外应用现状；鉴于精度在厘米级的定位范围要求,提出了基于射频超声技术的详细定位方案。2、采用可编程、低成本、低功耗CC1100射频芯片设计了射频收发模块,使用无需申请频段许可的433MHz作为发射频率。该模块能够分别独立配置为发送和接收模块,实现超声测距时的射频同步功能。3、采用ATmega16L单片机设计了射频模块的系统控制器,通过在系统编程方式可以对射频模块进行SPI通讯控制。4、完成了射频模块的硬件设计和电路板制作,以及软件的程序设计和烧写；进行了可以区分不同射频模块的ID标识符编码实验,并无线监测了系统环境温度。实验验证了射频同步的功能,并实现了节点坐标信息等的无线传输。5、使用三边测量原理及节点冗余法对定位方案进行了分析,在对移动目标的三维坐标进行最小二乘法计算的同时,采用UKF算法对环境随机噪声带来的信号干扰进行滤波处理,得到移动目标运动轨迹的连续测量值的滤波估计。用MATLAB对扩展卡尔曼滤波(EKF)及UKF算法进行了系统仿真；实验表明,与EKF算法相比,UKF算法的估计效果较好,与真实运动轨迹的拟合程度最佳,实现了算法优化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 室内定位的研究背景与意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 室内定位技术的国内外研究现状
• 1.2.1 红外线定位技术
• 1.2.2 无线局域网络定位技术
• 1.2.3 蓝牙定位技术
• 1.2.4 Zigbee定位技术
• 1.2.5 射频识别定位技术
• 1.2.6 超宽带定位技术
• 1.2.7 超声波射频定位技术
• 1.3 射频技术的国内外应用现状
• 1.4 本文的研究目的及内容
• 第二章 室内射频超声定位系统总述
• 2.1 三边测量法
• 2.2 节点冗余法
• 2.3 室内定位原理
• 2.3.1 测距及射频同步原理
• 2.3.2 无线数据传输
• 2.3.3 定位方式
• 2.4 系统的硬软件结构
• 2.4.1 硬件部分
• 2.4.2 软件部分
• 2.5 本章小结
• 第三章 射频模块的相关硬件设计
• 3.1 射频参数
• 3.2 射频电路设计
• 3.2.1 元器件选择
• 3.2.2 射频硬件设计
• 3.2.3 天线选择
• 3.2.4 系统控制器设计
• 3.2.5 电源模块设计
• 3.3 实验分析
• 3.3.1 空间ID实验
• 3.3.2 环境温度实验
• 3.3.3 结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 射频模块的相关软件设计
• 4.1 射频模块软件设计分析
• 4.2 CC1100参数设置
• 4.2.1 射频通信过程分析
• 4.2.2 射频寄存器设置
• 4.3 程序设计
• 4.3.1 射频发射程序设计
• 4.3.2 射频接收程序设计
• 4.3.3 实验分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 测量结果的滤波算法设计
• 5.1 系统噪声
• 5.2 滤波方案分析
• 5.3 卡尔曼滤波算法
• 5.4 扩展卡尔曼滤波算法
• 5.4.1 扩展卡尔曼滤波算法概念
• 5.4.2 扩展卡尔曼滤波算法的特点
• 5.5 无迹卡尔曼滤波算法
• 5.5.1 无迹卡尔曼滤波算法概念
• 5.5.2 无迹卡尔曼滤波算法的特点
• 5.6 EKF和UKF两种算法比较
• 5.7 实验分析
• 5.7.1 实验方法
• 5.7.2 实验结果
• 5.8 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 本文的不同点
• 6.3 不足之处与后续改进
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文