基于UWB-TOF测距的室内3D定位贝叶斯估计研究

With the advances in modern wireless technologies, indoor mobile positioning techniques have gained many studies and applications. Current results of indoor positioning mainly focus on 2D environments rather than 3D applications. Ultra-Wideband (UWB) technology can provide a centimeter ranging accuracy with nano time resolution, coverage range and communication capability, which is promising for the 3D position estimation on indoor mobile robots (i.e., UAV Unmanned Aerial Vehicles and AGV Automated Guided Vehicle）. To implement UWB-based positioning in real-world indoor environments, one has to face many challenges. First, UWB TOF measurements are sensitive to indoor environments, i.e., multipath errors, mixed LOS/NLOS propagations and wireless interference, etc. Furthermore, the most important problem is to apply 2D positioning algorithms to 3D space. This project application plans to solve indoor 3D positioning using Bayesian estimation of Multi-Way-TOF measurements. The main contribution is to study 2D/3D TOF ranging modeling, anchor deployments in 2D/3D conditions, the Bayesian filters and smoothers for 2D/3D positioning, the error analysis theory to constrain the z axis positioning error, ROS AGV and Pixhawk UAV. This study can provide the theory foundation of accurate, reliable and realtime indoor 3D positioning.

随着现代无线技术的快速发展，室内移动定位技术逐渐成为研究热点之一。目前大部分室内定位主要以二维（2D）平面定位为主。UWB技术具备较好的精度、通信能力、覆盖和部署便捷性等，因而UWB成为了复杂室内场景下高精度3D移动定位的首选方案，能较好解决室内定位无人车和无人机的3D定位问题。然而，在室内复杂场景下，实现UWB高精度3D定位仍面临较多挑战。首先，UWB测距存在的LOS/NLOS传播、多径效应、无线干扰等误差；其次，如何将2D定位算法拓展到3D空间是关键问题。针对以上问题，本项目提出基于Multi-Way TOF测距的室内3D定位贝叶斯估计，主要包括：（1）UWB-TOF 2D/3D建模与估计；（2）定位信标2D/3D部署优化理论；（3）2D/3D位置贝叶斯滤波和平滑；（4）LOS/NLOS误差抑制、高程约束修正机制等；（5）基于ROS AGV和Pixhawk UAV进行3D移动定位验证。

1、2D/3D UWB-TOF仿真建模与估计：在MATLAB软件平台下进行了超宽带信道IEEE802.15.4a标准模型进行了仿真；主要分析信道模型的连续信道冲激响应，离散信道冲激响应，冲激响应的功率延迟分布；附加时延扩展、均方根时延扩展和有效多径数目，比较其多径传输的能量高低。.2、平台搭建与误差估计：在实验室部署基础设施，搭建2D/3D 实验平台，并进行UWB-TOF测距实验；主要包括固定点的视距测距，障碍物遮挡情况下的非视距测距，以及动态点的测距误差分析。其中，从定点视距测距得到了各个基站与标签之间的测距性能以及设备系统误差；分别做了超宽带在不同障碍物遮挡情况下的测距实验，从障碍物非视距测距实验中得知金属对超宽带信号造成的影响较大。.3、2D/3D LOS/NLOS误差抑制、高程约束修正机制：利用超宽带设备和不同类型的障碍物，进行了多项障碍定位实验。共进行5个系列障碍物定位实验，获得6组实验数据集，分析了测距误差的特性，同时，将实验数据进行聚类分析。当测距误差较大时，使用滤波算法很大程度上能够减小误差，找到相匹配的修正法，用于定位算法之前对于测距误差的修正，使得定位数据更加准确。.4、人员和ROS AGV的2D/3D 移动定位验证与优化：在测距误差分析结果的基础上，做了基站部署不同位置对测距误差分布的影响，实验结果表明，在大多数分布情况下，距离墙体越近，中间位置的测试点的测距误差与定位误差都较大，而相对离墙体近一些的部署方式，既能缩小测距误差，也能减小定位误差。研究超宽带发射接收硬件、UWB信号特征、传输性能、时延控制和协议。