基于到达角度差的精确光定位方法研究

Due to the high attenuation of satellite signals in indoor scenarios, Global Navigation Satellite Systems cannot provide accurate indoor positioning services. Accurate indoor positioning technology is one of the key technologies for the internet of things and artificial intelligence applications. However, Most of existing centimeter-level optical positioning algorithms require the receiver to be vertically placed, which is inconvenient for handheld devices or rough ground. In this project, we propose a new positioning scheme based on angle difference of arrival (ADOA), which is irrelative to the orientation of the receiver. We are going to realize the following targets. 1) Lay foundation for the theory of ADOA positioning, deriving closed-form approximation and bounds for the error of ADOA positioning schemes based on matrix perturbation analysis. 2) Propose fast and accurate ADOA optical positioning algorithms based on the error expressions and techniques including parallel computing, adaptive feasible regions and hierarchical searching, and realize a positioning speed of ten times per second and average positioning accuracy less than 5 centimeters on a computer. 3) Propose an optimization framework for the optical sensor arrays for ADOA measurement. Based on the analysis of eigenvalues and optimization techniques, we are going to solve the best combination of sensor angles in order to minimize the angle estimation error. The research will provide theoretical foundation and practical suggestions for the accurate and high-speed ADOA positioning systems.

由于卫星信号无法穿墙透壁，因此全球卫星导航系统无法提供精确的室内定位服务。高精度室内定位技术是物联网、人工智能应用的基础核心技术之一。然而大多数已有的厘米级光定位算法要求接收机垂直于水平面，这对于手持设备和非平坦路面并不现实。本项目将研究一种和接收机方向角无关的，基于光信号到达角度差（ADOA）的室内定位新方法，拟实现：1）建立ADOA光定位的理论。基于矩阵扰动分析理论推导ADOA定位系统的闭式误差上下界和渐近误差公式；2）设计高速、高精度的ADOA光定位算法。以定位误差公式为准则，基于并行计算、自适应可行域和分层搜索技术，在计算机平台上实现平均每秒10次以上的定位速度和5厘米以内的定位精度；3）优化面向ADOA估计的光传感器阵列。基于特征值分析和最优化方法，求解最佳传感器倾角组合，从而最小化角度估计误差。该研究将为高精度、高速度的ADOA室内光定位方法提供理论依据和实践指导。

高精度室内定位系统是卫星定位系统的重要补充，在导航、自动化、军事、通信等领域都具有巨大的应用潜力。然而，现有的无线定位技术存在延时长、精度低、运算复杂度高等问题，难以满足前沿应用的需求，例如蜂群无人机定位、基于位置信息的信道估计、微型机器人导航等。..在本项目中，我们研发了基于到达角度差（ADOA）的无线光定位系统。其算法能够免疫接收机倾角对定位结果的不良影响，抵抗运动时产生的抖动和倾斜。..本项目的重要结果包括：.1、提出了基于矩阵扰动分析理论的误差分析方法，能够准确预测定位系统的误差水平，为系统设计提供理论支持。.2、提出并完善了基于到达角度差的光定位算法。提出了基于迭代优化和非迭代优化的两类光定位算法。其中，迭代优化算法具有更高的定位精度，但是运算复杂度更高；而非迭代优化的定位算法精度低，但是具有更快的速度。在已有的MEX算法基础上，我们提出了基于奇异值分解的定位算法，提升了迭代算法的效率。.3、提出了PD阵列的优化方法。能够通过最优化PD法向量组合抑制加性噪声。.4、在上述基础上，还提出了LED选择算法、基于LED簇的ADOA定位算法等技术来提升定位系统性能。.5、研发了基于低单片机的光信号源和无线光角度估计器硬件系统。使用和BPW34光电二极管和OPA838放大器设计了四路独立采样的到达角估计器，使用ATMEGA328P单片机对四路信号分时采样，在单片机上实现了功率估计算法，将光电流采样值通过CH340芯片转换成USB信号发送给计算机进行处理。.6、测试了ADOA无线光定位的性能。搭建了1m*1m*2m的光定位平台，测试了定位精度和定位速度。结果表明，基于光电二极管阵列的定位精度可达到7 cm，定位速度可超过100次/秒。..上述成果完善了ADOA定位系统的理论，搭建了系统原型机，搭建了测试平台并完成了数据采集，证明了该技术的可行性。