基于音頻和到達(dá)時(shí)間差的室內(nèi)目標(biāo)高精度定位研究.pdf

1、隨著導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展與完善，基于位置的服務(wù)在人們的出行中顯得愈發(fā)重要。盡管室內(nèi)定位在許多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，例如在地下停車(chē)場(chǎng)為車(chē)輛提供定位服務(wù)，在大型博物館里為游客提供導(dǎo)航服務(wù)，在商場(chǎng)利用室內(nèi)定位實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)營(yíng)銷(xiāo)，在醫(yī)院以及養(yǎng)老院實(shí)現(xiàn)對(duì)患者或老年人的健康監(jiān)護(hù)等，但簡(jiǎn)單易用的室內(nèi)定位技術(shù)尚不成熟。近年來(lái)，研究者們以智能終端為基礎(chǔ)，提出了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)、紅外、藍(lán)牙、Wi-Fi和音頻等技術(shù)的多種室內(nèi)定位方案。其中，基于音頻的室內(nèi)定位因具有成本低

2、、精度高、易布設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的關(guān)注。
　　本論文致力于實(shí)現(xiàn)基于到達(dá)時(shí)間差(Time Difference of Arrival，TDoA)的高可用、高精度、高魯棒性的室內(nèi)音頻定位技術(shù)。重點(diǎn)探索了基于TDoA的基本定位算法，提出了兩種基于二分策略的縮圓(Shrinking Circle，SC)定位算法;針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中由高度和移動(dòng)速度帶來(lái)的定位誤差，提出了兩個(gè)誤差消除方案;開(kāi)展了仿真和實(shí)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，比較了各種定位算法的表現(xiàn)，并驗(yàn)證了

3、誤差消除方案的有效性。本論文的研究成果將有助于室內(nèi)音頻定位系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣。
　　本文具體研究工作及成果可概括如下:
　　(1)基于TDoA的定位算法研究。在傳統(tǒng)縮圓法(Conventional ShrinkingCircle，CSC)的基礎(chǔ)上，提出了兩種基于二分策略的改進(jìn)縮圓方案（SC-1和SC-2）并開(kāi)展了仿真和基于音頻的實(shí)場(chǎng)定位實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了傳統(tǒng)縮圓法、兩種基于二分策略的改進(jìn)縮圓法以及基于最小二乘思想的各種定位算法的

4、性能。結(jié)果表明，在精度和魯棒性方面，分離的約束加權(quán)最小二乘法(Separated constrainedweighted least-squares，SCWLS)表現(xiàn)最佳，三種縮圓法（SC-1、SC-2和CSC）表現(xiàn)略差于SCWLS，但都優(yōu)于兩步加權(quán)最小二乘法(two-step weightedleast-squares，2WLS)和約束加權(quán)最小二乘法(constrained weighted least-squares，CWLS)。在

5、算法耗時(shí)方面，SC-2表現(xiàn)出了最快的運(yùn)行速度。
　　(2)基于實(shí)際定位系統(tǒng)的誤差分析。此研究的目的是消除由高度和移動(dòng)速度帶來(lái)的定位誤差。針對(duì)揚(yáng)聲器節(jié)點(diǎn)所在平面距離目標(biāo)終端的高度差帶來(lái)的二維平面上的定位誤差問(wèn)題，提出了一種使用投影到二維平面上的半徑代替三維半徑的補(bǔ)償方案。針對(duì)終端的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致的定位誤差問(wèn)題，本文將終端在定位過(guò)程中發(fā)生的位移等效為節(jié)點(diǎn)發(fā)生的位移，使用修正后的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)終端進(jìn)行定位。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了兩種誤差消除方案的有效性

6、。
　　(3)基于音頻定位的濾波研究。此研究的目的是從帶有噪聲的定位結(jié)果中估計(jì)目標(biāo)真實(shí)位置。本文研究了擴(kuò)展卡爾曼濾波器(Extended Kalman Filter，EKF)、強(qiáng)跟蹤濾波器（Strong Tracking Filter，STF）和無(wú)損卡爾曼濾波器(UnscentedKalman Filter，UKF)的導(dǎo)航濾波效果。研究中根據(jù)室內(nèi)定位特點(diǎn)構(gòu)建線性運(yùn)動(dòng)模型和測(cè)量模型，根據(jù)靜態(tài)定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)特征構(gòu)建噪聲協(xié)方差矩陣，仿真和