基于音頻和到達時間差的室內(nèi)目標高精度定位研究.pdf

1、隨著導航技術(shù)的發(fā)展與完善，基于位置的服務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)域有著廣闊的應用前景，例如在地下停車場為車輛提供定位服務，在大型博物館里為游客提供導航服務，在商場利用室內(nèi)定位實現(xiàn)精準營銷，在醫(yī)院以及養(yǎng)老院實現(xiàn)對患者或老年人的健康監(jiān)護等，但簡單易用的室內(nèi)定位技術(shù)尚不成熟。近年來，研究者們以智能終端為基礎，提出了基于計算機視覺、紅外、藍牙、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、易布設等優(yōu)點，得到了廣泛的關(guān)注。
　　本論文致力于實現(xiàn)基于到達時間差(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;針對實際應用中由高度和移動速度帶來的定位誤差，提出了兩個誤差消除方案;開展了仿真和實場實驗，比較了各種定位算法的表現(xiàn)，并驗證了

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)的基礎上，提出了兩種基于二分策略的改進縮圓方案（SC-1和SC-2）并開展了仿真和基于音頻的實場定位實驗，對比分析了傳統(tǒng)縮圓法、兩種基于二分策略的改進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、算法耗時方面，SC-2表現(xiàn)出了最快的運行速度。
　　(2)基于實際定位系統(tǒng)的誤差分析。此研究的目的是消除由高度和移動速度帶來的定位誤差。針對揚聲器節(jié)點所在平面距離目標終端的高度差帶來的二維平面上的定位誤差問題，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償方案。針對終端的移動會導致的定位誤差問題，本文將終端在定位過程中發(fā)生的位移等效為節(jié)點發(fā)生的位移，使用修正后的節(jié)點坐標對終端進行定位。仿真實驗驗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)果中估計目標真實位置。本文研究了擴展卡爾曼濾波器(Extended Kalman Filter，EKF)、強跟蹤濾波器（Strong Tracking Filter，STF）和無損卡爾曼濾波器(UnscentedKalman Filter，UKF)的導航濾波效果。研究中根據(jù)室內(nèi)定位特點構(gòu)建線性運動模型和測量模型，根據(jù)靜態(tài)定位結(jié)果統(tǒng)計特征構(gòu)建噪聲協(xié)方差矩陣，仿真和