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原文传递基于UWB技术的地铁隧道人员定位系统研究

论文题名：	基于UWB技术的地铁隧道人员定位系统研究
关键词：	地铁隧道;人员定位系统;选择达到时间;脉冲超宽带;扩展卡尔曼滤波
摘要：	近年来，随着地铁建设的快速发展，隧道施工安全成为了一个热点问题，实时监测地铁隧道现场施工情况，特别是施工人员位置信息，对降低意外事故损失具有非常重要的意义。然而，目前常用的隧道人员定位系统大多存在传输距离短、抗多径效应差、功耗高和定位精度低等问题，针对这些问题论文从定位方法和算法等方面进行了分析，选择达到时间（Time/Time Difference of Arrival，TOA/TDOA）方法应用到UWB（Ultra Wideband，UWB）定位系统中，研究了符合隧道定位要求的定位方法，设计了一套基于脉冲超宽带技术（Impulse Radio-Ultra Wideband，IR-UWB）的地铁隧道人员定位系统，实现了定位标签的低功耗和定位精度要求。　　本文主要研究内容如下：　　（1）以UWB定位技术的基本原理为基础，分别介绍了UWB的定义、UWB信号的实现方式以及UWB定位的特点和应用，并通过讨论相关室内定位技术，来说明UWB定位技术的定位优势；针对几种常用的室内定位方法，重点分析每种方法的原理和数学模型，并结合UWB定位技术的特点，选取适合应用到UWB定位系统的定位方法。在此基础上结合隧道环境的特点，确定本文所采用的是基于TOA方法的SDS-TWR（Symmetric Double-Sided Two-Way Ranging，SDS-TWR）算法，并对算法的测距精度加以论证。　　（2）讨论了最小二乘法、Fang算法、Chan算法、Taylor算法和卡尔曼滤波算法这几种经典的定位算法，并分别对它们进行理论推导和仿真分析，说明了它们各自的优势和不足，结合隧道定位的特点，对这些经典算法的精度进行对比分析，选取有偏卡尔曼滤波与扩展卡尔曼滤波联合算法符合隧道人员定位的要求。考虑到隧道内能够布置的基站有限，需要利用极少的基站实现高精度定位，因此，本文提出了一种复杂度较低的自校验三角形算法，该算法能够利用两个基站实现人员定位，满足隧道定位要求。　　（3）针对隧道定位环境，提出了多重组合式定位算法。该算法：为了进一步提高定位算法的精度，根据隧道施工环境的特点，利用有偏卡尔曼滤波对测距过程中的非视距误差进行优化，并使用自校验三角形定位算法对目标节点进行位置估计，再利用扩展卡尔曼滤波进行定位追踪得到隧道人员的高精度定位，最后通过对定位算法进行仿真分析来验证其定位精度。　　（4）超宽带定位系统的实现，首先是系统的总体架构的实现，包括系统的组成和上位机的实现。然后论文从硬件上对系统的基站和标签卡的各个模块进行了分析，并设计出各个模块的电路原理图，从软件上对系统的软件结构和测距通信的具体过程进行了详细介绍，并从系统的软硬件两个方面分别实现定位标签卡的低功耗要求。最后对系统的性能进行测试分析，主要是从测距定位、坐标定位以及低功耗三个方面进行测试，验证基于UWB技术的隧道人员定位系统的可行性和实用性。
作者：	王明东
专业：	电子科学与技术
导师：	戴亚文
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文