[發明專利]一種基于UWB定位的智能召車導航定位方法

有效

• 申請號: 202010809635.1
• 申請日: 2020-08-12
• 公開（公告）號: CN111954153B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發明（設計）人: 臧利國;沈業輝;唐一鳴;賈鵬;李瑤薇;施佳
• 申請（專利權）人: 南京工程學院
• 主分類號: H04W4/02
• 分類號: H04W4/02;H04W4/40;G01S5/08
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 戴朝榮

1.一種基于UWB定位的智能召車導航定位方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、在車身上設置三個UWB定位基站A₀、A₁、A₂，車主手持標簽M，分別獲取三個基站A₀、A₁、A₂與標簽M之間的距離d₀、d₁、d₂；

S2、以基站A₁、A₂的連線中點O為原點，建立空間直角坐標系，得到三個基站的坐標為A₀(x₀,y₀.z₀)，A₁(x₁,y₁.z₁)，A₂(x₂,y₂.z₂)；

S3、使用改進的三邊定位算法求出標簽的坐標M(x,y)，結合應用場景，只需解算出二維平面坐標；

S4、計算峭度并進行分析，使用峭度來衡量信道狀態；

S5、將峭度正常的情況判定為LOS環境，采用標準無跡卡爾曼濾波算法處理定位數據，輸出預測最優值；將峭度異常的情況判定為NLOS環境，在標準無跡卡爾曼濾波算法的基礎上引入自適應因子進行修正，減小誤差，最后輸出最優預測值；

當標簽反應時間等于基站反應時間時，求取基站與標簽間的距離d公式如下：

式中，C為光速，TOF是UWB信號飛行時間，T_SP為標簽向基站發送一條請求信號時刻，T_RP為基站開始接收信號時刻，T_SR為基站回復信息時刻，T_RR為標簽開始接收信號時刻，T_SF為標簽將數據包P₃(T_SP,T_RR,T_SF)發送給基站時刻；T_RF為基站接收到P₃數據包時刻；

當標簽反應時間不等于基站反應時間時，采用雙邊雙向測距算法獲得基站與標簽間的距離d，公式如下：

式中，T_TRT＝T_RR-T_SP為標簽往返時間，為基站反應時間，T_ART＝T_RF-T_SR為基站信號往返時間，為標簽反應時間；

所述改進的三邊定位算法如下：

設傳統三邊測量法中用于定位的三個圓分別為O₁，O₂，O₃，其方程為：

式中，(x₀,y₀)、(x₁,y₁)、(x₂,y₂)分別為三個基站的坐標，d₀、d₁、d₂分別為標簽到三個基站的距離；

聯立方程求解三個圓兩兩相交的有效交點分別為(x_a,y_a)，(x_b,y_b)，(x_c,y_c)，這里的有效交點定義為三圓相交區域中的交點；交點所圍成的三角形的三條邊l₀、l₁、l₂分別為：

三角形面積：

假設UWB每0.1秒獲取n組有效數據，每組數據下所求取的交點圍成的三角形面積為S，定義以下的權重函數，表示位置的可信程度

式中，(x_i,y_i)是根據第i組有效數據求解出的標簽位置，S_i是根據第i組有效數據算出的所圍成的三角形面積，(x_c,j,y_c,j)是經過加權后的標簽位置，表示標簽位置的可信度；

標準化處理，求得標簽位置最優值：

定義峭度為波形四階矩和二階矩平方的比值，即

其中，E{[|O(t)|-μ]⁴}是波形四階矩的數學期望，E{[|O(t)|- μ]²}是波形二階矩的數學期望，μ為t時刻O(t)的均值，O(t)為UWB信號在IEEE802.15.4a標準下的信道沖激響應，表示為

其中，l表示第l條多徑，L表示多徑總數，a_l、τ_l分別為第l條路徑的幅度增益和時延，δ(x)是單位能量的單徑脈沖函數；

單位能量的單徑脈沖函數δ(x)性質如下：

步驟S4中使用峭度K(t)衡量信道狀態，表示如下：

其中，thresh為設定的閾值；

步驟S5中，在標準無跡卡爾曼濾波算法的基礎上引入的自適應因子如下：

式中，為UWB的真實測量值y_k與測量估計值的差值，P_y,k為的向量協方差矩陣，tr()為矩陣的跡，μ_k為所構建的自適應因子，用于判別濾波中是否存在狀態模型誤差，并且對誤差有自適應調節的作用；

步驟S5中，將自適應因子加入標準無跡卡爾曼濾波算法中，對其進行修正如下：

其中，W_i^c為濾波過程中協方差權值，為測量方程計算出的測量值，為測量估計值，R_k為測量噪聲，為狀態向量，為變換后的Sigma樣本點，為預測協方差矩陣，K_k為增益矩陣。