论文部分内容阅读
传统的GPS在室外可以取得良好的定位效果,然而其信号无法穿透建筑物,在室内难以有效发挥定位功能。为了解决室内环境下的定位问题,出现了诸如红外线、蓝牙、超声波和RFID等技术,但上述几种定位技术无论在定位精度还是系统功耗等方面并不能令人满意。在此背景下,本文系统研究了超宽带(Ultra Wide Band,UWB)定位技术和基于微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)传感器的定位技术,并尝试将两者融合实现复杂室内环境下的导航定位。主要包括:(1)深入分析了UWB信号机制、定位原理及影响UWB定位精度的关键因素,着重探讨了UWB传感器布设方案和UWB信号穿透性与定位精度的关系。实验结果表明:传感器采用方形拓扑布设时,定位区域中心的定位精度高于边缘区域;传感器越多,定位精度越高,但当传感器达到一定数量后继续增加传感器个数对定位精度贡献不大;穿透性方面,UWB信号对常见的室内材料如木材、玻璃、塑料等具有较强的穿透性,而对于铁材料的穿透性几乎为零,同时人体对UWB信号有较强的干扰和吸收作用。(2)系统研究了基于运动模型的航位推算。在对比分析传统步态检测的基础上,设计了一种基于加速度量测幅值的步态检测方法,针对检测过程中出现的干扰步数,提出了有效的剔除方案。实验表明在剔除干扰步数后的计步准确率可以达到100%;在实时步长确定时,采用基于步频-步长模型,其相对误差在10%以下,可以满足航位推算的要求;在判断行人航向时,将角速度短时积分作为行人航向是否发生有效变化的判别条件,不仅可以减小角速度不断积分出现的累积误差,又可以规避利用磁力计测角易受磁质干扰的弊端。(3)结合UWB与MEMS航位推算的优势,将UWB定位技术与基于MEMS的航位推算技术融合实现室内环境下的导航定位,解决了单一定位方式不连续和不稳定问题。当UWB信号受到干扰无法完成定位时,利用航位推算进行临时辅助定位;同时,当UWB能够准确定位时又可以对航位推算出现的累积误差进行实时校正,一定程度上消除了累积误差。实验结果表明,融合了UWB和MEMS传感器的混合定位方案,可以显著提高系统的稳定性和连续性。