基于UWB测距的分布式室内定位系统.doc

基于UWB测距的分布式室内定位系统
刘晏宁
潍坊第一中学
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摘    要:
随着电子信息技术和物联网的发展, 家居智能化的时代正在到来。室内定位系统可以提供室内人员物品的定位服务, 是智能家居中重要而基本的组成系统。本文提出了一种基于超宽带(UWB) 测距技术的分布式室内定位系统。它基于UWB通信模块通过飞行时间法测出的节点间的距离信息, 在最小平方误差准则下, 将定位问题转化为凸优化问题。进一步地, 应用分布式凸优化算法解决这个问题。分布式室内定位系统较传统的集中式定位方法的优点在于锚点易于布设, 数量易于拓展且系统鲁棒性好。最后, 本文给出了实际搭建系统的定位结果以验证本文提出方法的有效性和实用性。
关键词:
室内定位; UWB; 分布式;
作者简介:刘晏宁(2000—) , 山东人, 现就读于潍坊第一中学高三十三班。
1. 引言
在日常的生活中, 有很多的应用场景我们需要知道一个物体的位置信息。室外的应用场景比如在搜救时需要知道人员的位置, 又或者汽车的自动驾驶和导航也需要知道自己的位置。而在室内, 位置信息的应用就更多了, 例如在养老院中需要监控老人的位置, 家庭机器人需要定位, 就连我们在家中寻找一些小物件时, 知道他们的位置也会方便很多。在室内, 由于卫星信号的遮挡和多径传输, 卫星导航系统(GNSS) 定位一般不准确, 这样各种不同的室内定位方式便应运而生了[1][2]。例如Vicon公司的基于红外视觉的室内定位系统, 或是基于激光雷达和摄像头的SLAM方法等等。
近年来, 随着射频技术的发展与芯片的小型化, 应用超宽带(Ultra-Wideband, UWB) 技术的射频芯片已经可以做到指甲盖的大小, 这样就大大拓展了UWB技术的应用范围。由于超宽带技术所发出的电磁波波长很短, 直接使用飞行时间法(TOF) 进行测距就能达到厘米级的精度。本文就是针对室内定位场景提出了一种基于UWB测距的分布式室内定位系统。该系统的优势在于只需要几个小型又廉价的UWB射频芯片, 通过与多个锚点间的距离确定位置, 成本低廉, 架设简单。
由于种种优势, 基于UWB的定位方式得到了广泛的关注与研究。在文献[3]中, 作者给出了基于时间的测距技术, 提出了基于TOA的超宽带无线传感器网络测距方法。而文献[4]将定位环境近似为二维平面的应用场景, 提出了二维的分布式节点自定位系统。凸优化方法也在目标定位问题中有所应用, 例如文献[5]就提出了一种基于ADMM算法的分布式目标定位技术。
不同于以上文献, 本文不光给出了二维的分布式定位算法, 而且将其拓展到了三维空间中。该方法基于UWB的飞行时间法测距, 根据得到的距离信息, 将定位问题分别在二维和三位情况下转化成为凸优化问题, 并应用分布式凸优化算法求解, 导出了基于距离的分布式定位算法。最后通过实验表明, 本文提出的方法可以成功实现对位置未知的节点进行定位, 并且简单易行, 易于使用。
2. 基于UWB的飞行时间(TOF) 测距
UWB通讯节点
UWB节点本定位系统基本的组成部分。这里的UWB指的是超宽带(Ultra