亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        基于UWB的LSM-Taylor級聯(lián)車輛定位算法

        2021-07-05 07:20:18許秀峰蒲家坤周愛國楊思靜魏榕慧
        測控技術(shù) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:定位點級聯(lián)定位精度

        許秀峰, 蒲家坤, 周愛國, 楊思靜, 魏榕慧

        (同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院,上海 201804)

        智能駕駛汽車需要高精度的穩(wěn)定定位信息,以滿足各場景的應(yīng)用需求,如碰撞預(yù)警、并線等[1-2]。除了常見的室外定位場景外,自動駕駛要求在室內(nèi)場景(如地下車庫、隧道等)也能得到精確的車輛位置,從而實現(xiàn)全方位的高精度定位。無線定位利用無線通信和測量參數(shù)(幅度、傳輸時間、相位角和到達角等)確定車輛位置,主要用于室內(nèi)定位。常見的無線定位技術(shù)包括超聲波定位、藍(lán)牙定位、射頻識別定位、WiFi定位、ZigBee定位和超寬帶(Ultra Wideband,UWB)定位等。

        UWB是一種以極低的功率在短距離內(nèi)進行高速傳輸?shù)臒o線技術(shù),具有速率高、功耗低、測距精度高等特點[3]。發(fā)送機在發(fā)射無線信號時,將分散信號加載到寬頻帶中,然后接收機接收并還原這些信號,同時產(chǎn)生擴頻增益。UWB信號自身抗干擾性強且不會干擾其他設(shè)備上的無線信號。

        UWB定位技術(shù)在國外的發(fā)展較早,且已有不少學(xué)者對其進行了深入的研究。Maalek等[4]研究了UWB定位技術(shù)在施工現(xiàn)場次優(yōu)條件下的定位性能,進行了一系列的實驗,通過控制變量來模擬每種場景對UWB定位性能的影響。Zhou等[5]提出了一種高精度的遠(yuǎn)距離UWB定位算法,以Cramer-Rao下界為設(shè)計工具解決了測距信息融合的問題,并研究了到達時間差(Time Difference of Arrival,TDOA)定位系統(tǒng)中基于相關(guān)測距信息的錨點最佳幾何分布算法。我國從1999年開始研究UWB技術(shù)的應(yīng)用,2003年國家“863”計劃開啟了東南大學(xué)、清華大學(xué)、中國科技大學(xué)等國內(nèi)高校的自主研發(fā)高潮[6]。王志鎧[7]針對傳統(tǒng)導(dǎo)航方式在無人搬運車(Automated Guided Vehicle,AGV)機器人上的不足,提出了一種基于UWB的室內(nèi)AGV定位算法。

        UWB定位系統(tǒng)工作時,首先建立UWB模塊間的通信機制,然后通過基站和移動站之間的通信信息獲得定位所需的必要參數(shù),建立相應(yīng)的系統(tǒng)估算模型,最后解算出移動站的位置。UWB的定位方式有4種:基于接收信號強度、基于達到角度、基于到達時間和基于到達時間差(TDOA)。其中基于TDOA的定位方式只需保證基站之間的時鐘嚴(yán)格同步,且單程測距即可獲得所需信息,降低了基站的硬件成本和定位系統(tǒng)的通信容量,是一種優(yōu)良的定位方式。

        在實際的定位過程中,多徑效應(yīng)和非視距環(huán)境會帶來很大的誤差。多徑效應(yīng)是指在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境下,UWB信號在傳播過程中會發(fā)生反射、折射、衍射或散射等現(xiàn)象,信號會通過多條路經(jīng)到達UWB基站。非視距(Non Line of Slight,NLOS)是指當(dāng)UWB基站和移動站之間存在障礙物時,UWB信號傳播過程中就不存在直達路徑。一方面,UWB會通過反射、折射或衍射等方式到達UWB基站,造成多徑效應(yīng);另一方面,UWB信號在穿透障礙物時,傳播速度小于在空氣中的傳播速度,造成傳播時間上的正偏差,從而影響測距精度。

        為了滿足智能車在室內(nèi)的高精度定位要求,解決多徑效應(yīng)和非視距產(chǎn)生的測量誤差對定位精度的影響,針對室內(nèi)的偽三維定位場景,提出了一種基于UWB的LSM-Taylor級聯(lián)車輛定位算法。該算法以TDOA為定位方式,以多基站LSM定位算法的計算結(jié)果為初始值,通過Taylor級數(shù)迭代估計車輛的精確位置,為車輛提供精確的定位信息。

        1 定位算法方案與框架

        1.1 UWB信號分析

        在無干擾的靜止環(huán)境下,實驗采集TDOA信息,數(shù)據(jù)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,TDOA的測量值在真值±20 cm的范圍內(nèi)波動,其誤差服從高斯分布,均值為0,標(biāo)準(zhǔn)差為6.5 cm。

        圖1 TDOA誤差分布示意圖

        1.2 定位算法方案與框架設(shè)計

        傳統(tǒng)的TDOA定位算法有Fang算法[8]、Chan算法[9]等。Fang算法通過線性化雙曲線方程來求解位置,但其只能應(yīng)用于二維平面的定位,且只能利用3個基站的TDOA信息,不能綜合多基站的TDOA信息,因此精確度較低。Chan算法采用兩次迭代的求解方法,使用多基站求解三維空間下移動站坐標(biāo),但NLOS等因素造成的較大測距誤差對Chan算法的定位精度影響很大。

        在實際的智能車室內(nèi)定位場景下,安裝在車上的UWB移動站高度變化很小,可將其近似為常值,并且高度方向上的位移對車輛導(dǎo)航的意義不大。因此,可將移動站的運動簡化為高度未知的水平二維運動,定位系統(tǒng)通常只輸出車輛的水平二維坐標(biāo)。考慮到定位解算的準(zhǔn)確性和簡便性,通常將UWB基站布置在同一高度上。

        在三維立體空間內(nèi),每兩個基站的TDOA信息可以構(gòu)建出一個非線性方程,本文提出的UWB定位算法為忽略高度的偽三維定位,但由于基站和移動站之間存在高度差,因此仍需要3組TDOA信息才能求解位置,即需要4個基站。在實際情況中,UWB測距信息存在一定的誤差和噪聲,還需要更多的基站,利用冗余信息對UWB的定位結(jié)果進行優(yōu)化。筆者提出的基于TDOA的LSM-Taylor級聯(lián)定位算法,首先利用最小二乘法(Least Square Method,LSM)得到非理想狀態(tài)下的移動站位置初始值,再通過Taylor展開遞歸獲取精確的位置估計,直至收斂。算法流程圖如圖2所示。

        圖2 級聯(lián)定位算法流程圖

        2 多基站LSM定位算法

        理想情況下,偽三維定位系統(tǒng)需要4個基站才能獲得移動站的位置坐標(biāo),但測量過程中存在NLOS、多徑效應(yīng)或溫漂等引起的誤差,因此四基站定位系統(tǒng)并不能準(zhǔn)確求解出移動站的位置。TDOA定位方式為變量耦合程度較高的非線性系統(tǒng),本文采用多基站LSM定位算法,將非線性方程求解問題轉(zhuǎn)換為非線性系統(tǒng)的最優(yōu)估計問題[10],其中基站數(shù)量≥4。

        為了簡化定位系統(tǒng)模型,假設(shè)定位系統(tǒng)中包含一個高度為h的移動站(x,y,h)和N個高度為0,三維坐標(biāo)已知的基站(x1,y1,0;x2,y2,0;…;xN,yN,0),第i個基站(xi,yi,0)到移動站的距離di可以由UWB信號飛行時間τi計算得到:

        (1)

        式中,c為UWB信號傳播速度,近似于光速,可取c=299792485 m/s。

        Lij表示移動站到第i個和第j個基站之間的TDOA值,即

        Lij=di-dj=c×(τi-τj)

        (2)

        假定UWB定位系統(tǒng)的原始輸入數(shù)據(jù)為{L21,L32,…,LN(N-1),L1N},可由UWB模塊測得。序號相連的3個基站組成一個位置解算子單元,設(shè)基站序號分別為i,j和k(i

        (3)

        將式(3)線性化可得

        (4)

        aijkx+bijky=dijk

        (5)

        式中,

        (6)

        由式(5)可知,每個位置解算子單元可以得到兩組非線性方程,由此可以得到一個包含移動站的直線約束。若想求出移動站的位置,需要更多的位置解算子單元來提供直線約束,最少直線約束數(shù)為2。

        將所有的定位解算子單元和TDOA測量值代入式(5),可得

        Ap=d

        (7)

        式中,

        (8)

        當(dāng)N≥4時,通過最小二乘法得到移動站的估計位置:

        (9)

        式(5)并不包含高度項h,說明基站LSM定位算法可以在高度未知的情況下求解移動站的水平位置坐標(biāo)。與傳統(tǒng)的Fang算法相比較,多基站LSM定位算法結(jié)合多個基站的TDOA信息聯(lián)合估計移動站的位置初始值,降低了個別誤差較大的TDOA測量值對定位結(jié)果的影響,提高了定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

        3 Taylor級數(shù)定位算法

        多基站LSM定位算法計算量小且精度較高,但得到的定位結(jié)果并非最優(yōu)解,還需通過Taylor級數(shù)定位算法得到精確解。Taylor級數(shù)定位算法是一種迭代的求解方法[11]。每次迭代中,對誤差項在估計值附近進行Taylor展開,并忽略高階項,通過局部的最小二乘法來更新移動站的位置。定位算法的迭代次數(shù)和定位精度很大程度上取決于位置初始值的計算。當(dāng)初始值偏差較大時,迭代極易陷入局部最優(yōu)中,定位算法將難以收斂至準(zhǔn)確值。

        (10)

        (11)

        式中,Δx和Δy為修正量;

        (12)

        整合式(11)可得

        (13)

        式中,

        (14)

        忽略e,并通過最小二乘法得到位置校正量的估計值:

        (15)

        式中,Φ為TDOA測量值的協(xié)方差矩陣。利用校正值更新估計量:

        (16)

        重復(fù)上述過程直至收斂,收斂條件為

        |Δx|+|Δy|<ε

        (17)

        式中,ε為修正量的最小閾值。

        4 UWB定位算法仿真分析

        為了驗證上述定位算法的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,下面以Matlab(CPU為Intel i7-8565U)為仿真環(huán)境對算法進行仿真分析。

        4.1 仿真方案設(shè)計

        首先,假設(shè)TDOA測量誤差的標(biāo)準(zhǔn)差σUWB為3 cm,利用LSM-Taylor級聯(lián)定位算法和多基站LSM定位算法分別進行兩次仿真,每次仿真包含100組數(shù)據(jù)。

        4.2 仿真結(jié)果

        仿真結(jié)果俯視圖如圖3和圖4所示,圖3和圖4中每個點的橫縱坐標(biāo)代表了定位算法得到的位置。由圖3和圖4可知,兩種算法的移動站位置都聚集在真實值附近,且LSM-Taylor級聯(lián)定位算法的結(jié)果分布更加緊密,定位精度更高。多基站LSM定位算法解算每組數(shù)據(jù)的時間為12 μs,而LSM-Taylor級聯(lián)定位算法采用多次迭代的方式,定位精度較高但計算量會相對較大,其解算每組數(shù)據(jù)的時間為58 μs。由此可見,兩種算法都能滿足UWB實時定位的要求。

        圖3 定位點(1 m,3 m,0)仿真結(jié)果俯視圖

        圖4 定位點(5 m,2 m,0)仿真結(jié)果俯視圖

        4.3 定位精度的評估

        均方根誤差(Root Mean Squared Error,RMSE)可以評價數(shù)據(jù)的變化程度,RMSE的值越小,說明定位系統(tǒng)的精確度越高。其計算公式為

        (18)

        接下來,針對定位點(1 m,3 m,0),以RMSE為評估標(biāo)準(zhǔn),定量分析TDOA測量誤差的標(biāo)準(zhǔn)差σUWB對兩種算法定位精度的影響,其結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,隨著誤差標(biāo)準(zhǔn)差σUWB的增大,兩種算法的定位誤差均逐漸增大,但LSM-Taylor級聯(lián)定位算法的誤差較小,保持在10 cm以內(nèi),且增大的幅度也較小,受誤差標(biāo)準(zhǔn)差σUWB的影響較小,具有更高的精度和魯棒性。

        圖5 TDOA測量誤差的標(biāo)準(zhǔn)差對定位精度的影響

        5 UWB定位算法實驗與分析

        5.1 實驗環(huán)境設(shè)計

        定位元件選擇DW1000芯片,它是由Decawave公司推出的超寬帶定位芯片,符合IEEE 802.15.4-2011超寬帶標(biāo)準(zhǔn)。DW1000作為一款定位芯片,其功耗低,輸出頻率為100 Hz,可雙向測距和定位,測距噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為6 cm,最大測距距離可達200 m,定位精度達到cm級。

        實驗場地設(shè)置在同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院地下車庫。為了減小室內(nèi)物體遮擋造成的NLOS誤差,將UWB基站的高度設(shè)置為3 m。如圖6所示,4個UWB基站分別布置在正方形的4個頂點上,其坐標(biāo)依次為 (0,0,3 m),(0,10 m,3 m),(10 m,10 m,3 m),(10 m,0,3 m)。7個靜態(tài)定位點布置在高度為2 m的水平面內(nèi),其中4個均勻分布在正方形區(qū)域內(nèi),另外4個分別布置在正方形區(qū)域的中心、邊上、頂點附近和外部。

        圖6 靜態(tài)定位實驗UWB布置俯視圖

        5.2 實驗結(jié)果與分析

        UWB模塊的輸出頻率為100 Hz,在每個定位點靜止采集10 s的TDOA信息,并利用LSM-Taylor級聯(lián)定位算法對其解算,以距離真實位置的最大偏差和RMSE為定位精度的評估標(biāo)準(zhǔn)。定位結(jié)果統(tǒng)計如表1所示。

        表1 靜態(tài)定位實驗統(tǒng)計結(jié)果

        由表1可知,1#~4#定位點的最大偏差和RMSE近似,且明顯大于5#定位點,小于6#、7#和8#定位點。隨著定位點與正方形中心的距離變大,定位點的定位精度下降。當(dāng)定位點距離中心較近時,其RMSE在10 cm以內(nèi),符合室內(nèi)定位的精度要求;當(dāng)定位點位于頂點附近或正方形外部時,其精度大幅度下降。因此,移動站的運動范圍應(yīng)盡量處于UWB基站多邊形區(qū)域的內(nèi)部,從而保證室內(nèi)定位的高精度。

        6 結(jié)束語

        以TDOA為定位方式,提出了一種基于UWB的LSM-Taylor級聯(lián)車輛定位算法。首先利用TDOA構(gòu)造非線性方程組,然后通過LSM求解車輛的估計位置,最后通過Taylor級數(shù)迭代獲得車輛的精確位置。在仿真結(jié)果中,相比LSM定位算法,LSM-Taylor級聯(lián)定位算法的定位結(jié)果分布更加緊密,定位精度更高。實際測試結(jié)果表明,該定位算法的RMSE在10 cm以下,能夠滿足智能駕駛中的室內(nèi)定位要求,驗證了該方法的有效性,能廣泛應(yīng)用于智能駕駛的室內(nèi)定位中。

        猜你喜歡
        定位點級聯(lián)定位精度
        時速160公里剛性接觸網(wǎng)定位點導(dǎo)高偏差研究
        電氣化鐵道(2023年6期)2024-01-08 07:45:48
        北斗定位精度可達兩三米
        軍事文摘(2023年4期)2023-04-05 13:57:35
        數(shù)獨小游戲
        GPS定位精度研究
        智富時代(2019年4期)2019-06-01 07:35:00
        組合導(dǎo)航的AGV定位精度的改善
        地鐵剛性接觸網(wǎng)定位點脫落狀態(tài)分析
        電氣化鐵道(2018年4期)2018-09-11 07:01:38
        我的結(jié)網(wǎng)秘籍
        級聯(lián)LDPC碼的STBC-OFDM系統(tǒng)
        電子制作(2016年15期)2017-01-15 13:39:09
        基于級聯(lián)MUSIC的面陣中的二維DOA估計算法
        LCL濾波器在6kV級聯(lián)STATCOM中的應(yīng)用
        電測與儀表(2014年1期)2014-04-04 12:00:34
        久久综合网天天 | 岳丰满多毛的大隂户| 女人被弄到高潮的免费视频| 国产欧美日韩a片免费软件| 成人国产在线观看高清不卡| 国产亚洲日本精品二区| 2021亚洲国产精品无码| 少妇高清精品毛片在线视频| 丝袜美女污污免费观看的网站| 久久本道久久综合一人| av在线免费观看蜜桃| 日日澡夜夜澡人人高潮| 国产精品99精品一区二区三区∴| 亚洲国产av午夜福利精品一区| 人人人妻人人人妻人人人| 熟妇人妻av中文字幕老熟妇| 亚洲成av人在线观看无堂无码 | 亚洲a∨无码精品色午夜| 日日碰狠狠添天天爽超碰97| 99综合精品久久| 久久99精品久久只有精品| 美女高潮黄又色高清视频免费| 亚洲av成本人无码网站| 亚洲又黄又大又爽毛片| 国产一区二区三区内射| 人妻夜夜爽天天爽一区| 91精品全国免费观看青青| 人妻体体内射精一区中文字幕| 中文字幕人成乱码熟女| 亚洲av成人综合网| 91精品国产综合久久青草| 中文字幕影片免费人妻少妇 | 欧美性大战久久久久久久| 狠狠躁夜夜躁人人爽天天不卡| 国产不卡在线观看视频| 97无码免费人妻超级碰碰夜夜| 无码成人片一区二区三区| 成人av一区二区亚洲精| 国产欧美成人一区二区a片| 5级做人爱c视版免费视频| 国产大片在线观看三级|