發(fā)布時間：2020-11-10 01:37

　　 隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能空間的發(fā)展,目標(biāo)定位問題正得到越來越多人的關(guān)注,它的技術(shù)發(fā)展十分迅速。按照使用環(huán)境不同,定位系統(tǒng)可以分為室內(nèi)定位和室外定位,兩者相比,室外定位普遍采用衛(wèi)星定位技術(shù),室內(nèi)定位技術(shù)則呈現(xiàn)多方面發(fā)展。目前室內(nèi)定位主要研究方向有:紅外線室內(nèi)定位技術(shù)、射頻識別(RFID)室內(nèi)定位技術(shù)、藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)、WiFi室內(nèi)定位技術(shù)、超寬帶(UWB)室內(nèi)定位技術(shù)……相比這些定位技術(shù)中的信號處理,超聲波信號更加容易處理,信號處理系統(tǒng)具有硬件簡單、成本低的特點,因此本文在分析對比各種室內(nèi)定位技術(shù)的基礎(chǔ)上,選擇超聲波室內(nèi)定位技術(shù)作為本文研究對象。另一方面,無線傳感網(wǎng)絡(luò)和移動智能終端在這些年已經(jīng)得到迅猛發(fā)展,許多商場、辦公區(qū)域都已經(jīng)實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。為了節(jié)約室內(nèi)定位系統(tǒng)的通信布線成本,方便系統(tǒng)的推廣使用,可以利用已有無線覆蓋作為傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的通信手段。本學(xué)位論文結(jié)合超聲波測距技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信,設(shè)計并實現(xiàn)了一種室內(nèi)定位系統(tǒng),并將該系統(tǒng)應(yīng)用到實際控制系統(tǒng)中。具體而言,本文主要包括以下這幾方面的研究內(nèi)容:首先,在基于超聲波和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位系統(tǒng)中,利用超聲波在空中的渡越時間和傳播速度計算目標(biāo)節(jié)點到錨節(jié)點之間的距離,然后利用距離和錨節(jié)點坐標(biāo)之間的關(guān)系求解出目標(biāo)節(jié)點的坐標(biāo)。在定位系統(tǒng)實現(xiàn)過程當(dāng)中,最重要的是測量超聲波信號在空中的渡越時間,本文采用檢測超聲波包絡(luò)信號最大值點的方法來計算渡越時間。考慮實際系統(tǒng)中存在各種噪聲的情況,檢測到的包絡(luò)信號最大值點,總會在真實值左右飄移。本學(xué)位論文中采用數(shù)字鎖相放大技術(shù)來檢測超聲波的包絡(luò)信號,數(shù)字鎖相放大技術(shù)首先將超聲波信號作頻譜搬移,將有用信號搬移到直流信號附近,然后通過數(shù)字低通濾波器濾除噪聲和干擾,通過仿真和應(yīng)用實驗表明,數(shù)字鎖相放大技術(shù)能檢測出包絡(luò)信號,有效濾除噪聲,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和定位精度。同時,本文提出了一種基于最小二乘法的包絡(luò)檢測方法,該方法利用最小二乘法估計超聲波信號的振幅和相位,能有效完成超聲波包絡(luò)檢測。另外,由于最小二乘法具有濾波的作用,基于它的包絡(luò)檢測方法不需要額外的數(shù)字濾波器,所檢測的包絡(luò)信號也就沒有濾波造成的延遲,本文同樣對該算法進(jìn)行了仿真與應(yīng)用實驗。其次,針對單獨基于超聲波的定位系統(tǒng)不能滿足本文的應(yīng)用要求,這里研究了基于超聲波和航跡推算的組合定位方法。為了完成航跡推算,本文提出了一種基于磁力計測量移動機器人驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動角度的方法,該方法具有測量精度高、成本低的特點。為了提高系統(tǒng)定位精度,這里采用擴(kuò)展卡爾曼濾波方法融合超聲波定位和航跡推算。針對擴(kuò)展卡爾曼濾波存在線性化誤差的情況,本文分析、討論了基于無跡卡爾曼濾波的組合定位方法。同時,考慮到本文所設(shè)計的系統(tǒng)是基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信,存在通信數(shù)據(jù)延時和丟失的現(xiàn)象。本文針對組合定位系統(tǒng),分別推導(dǎo)了測量隨機一步延時和丟失情況下的擴(kuò)展卡爾曼濾波方法,分析和討論了這兩種方法在組合定位系統(tǒng)中的應(yīng)用。最后,結(jié)合本文作者在博士期間參與的兩種網(wǎng)絡(luò)化實驗系統(tǒng)的研發(fā),根據(jù)作者所作研究工作,本文描述了兩種實驗平臺的實現(xiàn)過程。第一種實驗平臺系統(tǒng)是基于實時操作系統(tǒng)eCos和低功耗嵌入式微處理器STM32實現(xiàn)的實時網(wǎng)絡(luò)化控制實驗系統(tǒng),另一種是基于安卓智能終端和無線執(zhí)行器的網(wǎng)絡(luò)化控制實驗系統(tǒng)。結(jié)合前文所述基于超聲波和航跡推算的室內(nèi)定位系統(tǒng),應(yīng)用組合定位方法實現(xiàn)移動機器人的位置反饋,完成基于網(wǎng)絡(luò)化輪式移動機器人的路徑跟蹤控制實驗。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB55;TP242;TN92
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題研究背景、意義以及目的
    1.2 室內(nèi)定位系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 室內(nèi)定位其它主要技術(shù)及研究現(xiàn)狀
        1.2.2 超聲波室內(nèi)定位技術(shù)的研究現(xiàn)狀
    1.3 本文主要研究內(nèi)容
第2章 基于超聲波和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究
    2.1 引言
    2.2 基于超聲波和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位系統(tǒng)原理
        2.2.1 基于超聲波和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
        2.2.2 時間同步方法
        2.2.3 測距和目標(biāo)位置估計方法
    2.3 基于數(shù)字鎖相放大包絡(luò)檢測的室內(nèi)定位方法
        2.3.1 問題描述
        2.3.2 基于數(shù)字鎖相放大包絡(luò)檢測方法
        2.3.3 系統(tǒng)及算法實現(xiàn)
        2.3.4 仿真實驗與討論
        2.3.5 應(yīng)用實驗與結(jié)果
    2.4 基于最小二乘法包絡(luò)檢測的室內(nèi)定位方法
        2.4.1 問題描述
        2.4.2 基于最小二乘包絡(luò)檢測方法
        2.4.3 系統(tǒng)及算法實現(xiàn)
        2.4.4 仿真實驗與討論
        2.4.5 應(yīng)用實驗與結(jié)果
    2.5 本章小結(jié)
第3章 基于超聲波和航跡推算的組合定位系統(tǒng)研究
    3.1 引言
    3.2 基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的組合定位方法
        3.2.1 擴(kuò)展卡爾曼濾波理論
        3.2.2 移動機器人航跡推算系統(tǒng)
        3.2.3 基于超聲波的移動機器人定位系統(tǒng)
        3.2.4 基于超聲波和航跡推算的組合定位系統(tǒng)
        3.2.5 仿真與討論
        3.2.6 實驗與結(jié)果
    3.3 基于無跡卡爾曼濾波的組合定位方法
        3.3.1 問題描述
        3.3.2 無跡卡爾曼組合定位算法
        3.3.3 仿真與討論
        3.3.4 實驗與結(jié)果
    3.4 本章小結(jié)
第4章 測量信號隨機滯后或丟失情況下的組合定位方法研究
    4.1 引言
    4.2 考慮測量隨機一步延時的擴(kuò)展卡爾曼濾波組合定位方法
        4.2.1 問題描述
        4.2.2 測量隨機一步延時的擴(kuò)展卡爾曼濾波方法
        4.2.3 超聲波系統(tǒng)具有隨機一步延時的組合定位算法
        4.2.4 仿真與討論
        4.2.5 實驗與結(jié)果
    4.3 考慮測量丟失的擴(kuò)展卡爾曼濾波組合定位方法
        4.3.1 問題描述
        4.3.2 測量丟失情況下的擴(kuò)展卡爾曼濾波方法
        4.3.3 超聲波定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失情況下的組合定位方法
        4.3.4 仿真與討論
        4.3.5 實驗與結(jié)果
    4.4 本章小結(jié)
第5章 室內(nèi)定位系統(tǒng)在移動機器人路徑跟蹤控制中的應(yīng)用
    5.1 引言
    5.2 基于實時系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制器
        5.2.1 實時網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)軟件描述
        5.2.2 實時網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
    5.3 基于安卓終端的網(wǎng)絡(luò)化控制器
        5.3.1 基于安卓的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)軟件描述
        5.3.2 基于安卓的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
    5.4 輪式移動機器人路徑跟蹤控制
        5.4.1 輪式移動機器人系統(tǒng)介紹
        5.4.2 移動機器人路徑跟蹤控制方法描述
        5.4.3 實驗與結(jié)果
    5.5 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他成果
致謝
個人簡歷

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2877270