UWB技术的RLS-EKF室内定位算法研究_张泽鹏.pdf

年第期 技术的 室内定位算法研究张泽鹏，李桂林，周海俊，李雯（大连交通大学 计算机与通信工程学院，大连 ）摘要：针对当前 技术在传统厂区布站方式下室内定位误差较大，无法良好实现对象的三维显示问题，基于多传感器融合，本文提出一种将数据与 数据进行先预处理、后融合的算法。该方法通过 测距后将数据进行小波阈值去噪，递推最小二乘定位，并与 数据进行扩展卡尔曼滤波融合，从而减小标签的三维距离误差，提高定位精度，实现对厂区可移动设备的实时监控管理。仿真结果表明，基于多传感器融合的 室内定位能够减小标签三维定位误差，提高定位的准确性，满足厂区室内实时定位的精度要求。关键词：；小波阈值去噪；递推最小二乘；扩展卡尔曼滤波中图分类号：文献标识码：，（，）：，：；引言在厂区室内环境下存在大量非视距干扰、工作环境经常变化、大量可移动设备没有固定移动路线等问题，导致厂区内标签定位困难。而 定位技术凭借较高的的定位精度、系统容量大、可同时工作标签多等优势在室内定位方面拥有巨大的潜力。以个单轴的加速度计和个单轴的陀螺仪为基础构成，通过检测标签在三维空间中 的 角 速 度 和 加 速 度 数 据解 算 出 标 签 的 姿 态。技术在导航领域中具有重要的价值。为了提高 技术在室内定位方面的精度，参考文献提出了一种基于 的自适应小波变换去噪与卡尔曼滤波相组合的定位算法，参考文献提出了 里程计组合定位方法，参考文献 提出了一种基于冗余距离筛选的室内优化定位方法。综合上述分析，基于厂区基站常设置于不同跨度的支撑柱，在以若干相邻矩阵形式分布且遮挡物变化频繁的室内环境，采用多传感器融合策略，读取 数据进行多传感器融合定位。在算法方面，文中基于技术定位误差来源，对伪距变化特征进行保留，使用小波阈值去噪处理伪距，运用 方法进行室内三维定位。相较于常规算法减小了定位误差，能够有效适用于厂区可移动设备的实时定位，可以保护厂区人员与财产安全。相关流程及原理介绍本文使用 的 测距方法采集伪距与实现目标的初始三维位置定位，并采集 数据运用多传感器融合与小波阈值、三者结合的方法对 测距信号进行定位解算，提高定位精度。具体流程如图所示。小波阈值去噪小波阈值去噪的原理是先选取一种小波对原始信号敬请登录网站在线投稿（）年第期 图 定位原理图进行多阶分解，为获取估计小波系数对各层信号系数进行阈值处理，经过小波重构获得去噪后信号，以达到抑制信号中无用部分、增强有用部分的作用。阈值函数的确定主要有以下几种：启发式硬阈值函数：（）启发式软阈值函数：（）（）（）固定阈值函数：（）式中，为估计小波系数，为原始小波系数，为算选阈值，为噪声标准 差，为 信 号 长 度。鉴 于 小波常用来分解和重构信号，作为滤波器使用，根据式（）、（）、（）及相关参数仿真对比，本文选用五阶 小波，经仿真后分解层数为层时，由于噪声较小，阈值为固定阈值时效果较好，既能有效去除随机误差，又能有效表现标签运动时距离变化特征。小波阈值去噪过程如图所示。图小波阈值去噪流程 定位算法当有新的数据进来时，算法用当前的观测值对以前的最优估计量进行矫正更新，具备实时在线估计参数和使当前参数的（协）方差最小化的特点。首先对估计器初始化：?（）（?）（?）（）（）式（）为考虑次测量所建立观测模型，为观测量，为观测矩阵，为观测向量，为噪声，并定义雅克比和测量协方差矩阵。更新对?的估计和协方差：（）（）?（?）（）?（）（）为噪声方差，式（）为损失函数对求导所得，式（）为将第次的最优估计量?定义为（）次的最优估计量与测量误差的线性组合，将式（）代入协方差公式可得式（），可以看出，随着观测次数增加误差在减小。算法面对非线性系统时，通过使用局部线性化来解决问题。该算法利用对非线性系统的预测方程与观测方程求导，用所得的切线来替代非线性方程使其线性化。本文将 所解得的输出作为测量值，算法的预测方程为：?（，）（）（）更新方程：（）（）式中，与 分别为 和的协方差，与 均为雅可比矩阵，则有：，（）（）实验分析通过上 述 分 析，在 同 一 平 面 以 矩 形 布 置 基 站，个 基站坐标分别为（，）、（，）、（，）、（，），以 频率采集个标签与基站的距离，通过 采集轴加速度传感器的加速度值与轴角速度传感器的角速度值，并记录测量时的真实坐标，通过 软件分别使用定位技术、多传感器融合后的改良 定位技术对程序进行仿真。图为将标签固定为（，）时以 频率测得 组静态数据时的改良算法与 定位算法的三维仿真图，数据处理时间小于。年第期 图静态点对比图定位技术与改良 定位算法在轴、轴、轴和定位点静态误差均值如表所列。表静态点误差分析比较表参数单一定位技术改良 定位技术轴绝对误差均值 轴绝对误差均值 轴绝对误差均值 与定位点距离误差均值 图为携带标签以直线依次通过（，）、（，）、（，）、（，）四点两圈，以 频率测得 组动态轨迹数据时的改良算法与定位算法三维仿真图，数据处理时间小于。图动态轨迹对比图定位技术与改良 定位算法在轴、轴、轴和定位点动态的轨迹误差均值如表所列。由表与表可知，在模拟厂区基站布置情境下，经表动态轨迹误差分析比较表参数单一 定位技术改良 定位技术轴绝对误差均值 轴绝对误差均值 轴绝对误差均值 与定位点距离误差均值 过修改给定预测状态的预定义矩阵，加入 传感器的改良 定位算法能够有效减小轴数据误差与定位点距离误差，优于原 技术。结语在厂区室内环境与常规布站方式下，运用现有技术进行三维定位显示会出现较大误差，无法对设备进行正常的实时监察。本文通过多传感器融合技术与改良 算法减小定位误差，提高了标签三维定位精度，从而精准确定对象的位置信息与状态信息，提高了对象三维显示的准确性。经过 仿真后，误差计算的结果表明，通过多传感器融合技术与改良 算法后，标签的三维显示平稳，且定位点有较高精度。参考文献张忠超，高同跃，丁昭，等基于 与 的多传感器融合室内定位技术研究工业控制计算机，（）：周军，魏国亮，田昕，等 融合 和 数据的新型室内定位算法小型微型计算机系统，（）：钟亮，李晓东基于的自适应小波与卡尔曼滤波定位算法 电子测量技术，（）：张健铭，施元昊，徐正蓺，等 基于误差预测的自适应 融合定位算法计算机应用，（）：张少辉，亓玉浩，翟方文，等基于冗余距离筛选的定位优化方法 清华大学学报（自然科学版），（）：，（），（），（）张泽鹏、周海俊（硕士研究生），主要研究方向为通信理论及关键技术；李雯（硕士研究生），主要研究方向为嵌入式控制技术和信号处理。通信作者：张泽鹏，。（责任编辑：薛士然收稿日期：）