利索能及
我要发布
收藏
专利号: 202210827706X
申请人: 广东工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-08-05
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种基于自适应IMM的鲁棒室内行人跟踪UWB定位方法,其特征在于,包括以下步骤:S1:构建基于卡尔曼滤波的LOS模型和NLOS模型;

S2:在并行的两个IMM算法中融合已构建的LOS模型和NLOS模型,利用自适应IMM算法的融合处理得到状态估计,所述并行的两个IMM算法包括:通用IMM算法和自适应IMM算法;

S3:利用基于菲涅尔区域的自适应补偿算法对NLOS模型进行补偿;

S4:利用功率驱动并行的两个IMM算法分别得到自适应IMM的转移概率和更新模型概率;

S5:将得到的转移概率和更新模型概率用于(k‑1)时间戳的自适应IMM过程,得到滤波后的观测数据,将观测数据用来校正扩展卡尔曼滤波算法的预测值,得到最终的行人位置坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于自适应IMM的鲁棒室内行人跟踪UWB定位方法,其特征在于,构建基于卡尔曼滤波的LOS模型和NLOS模型具体过程为:构建移动标签与第i个基站的状态空间向量模型,首先,移动标签和第i个基站在第k时间戳测距可以表示为:其中, 和 是第k时间戳移动标签和第i个基站的测距真实值和环境造成的误差值;

将 作为独立同分布的高斯白噪声 根据LOS和NLOS环境,mε和 分别为:利用第k时间戳的测距 作为观测值修正两个并行IMM算法的预测值,i=1,...,N;

移动标签和和第i个基站(i=1,...,N)的状态向量定义为:其中 表示移动标签相对于第i个基站的速度;状态方程的动力学公式可写为其中, 是过程驱动噪声, 为一个均值为0,方差为 的高斯白噪声,i=1,...,N;根据LOS和NLOS条件,等式(5)和等式(6)的状态方程的动力学公式修改为:其中, m∈从等式(2)得到。

3.根据权利要求1所述的一种基于自适应IMM的鲁棒室内行人跟踪UWB定位方法,其特征在于,所述在并行的两个IMM算法中融合已构建的LOS模型和NLOS模型包括三个阶段:模型交互、并行滤波、模型概率更新、自适应IMM中的融合,具体为:qh

在模型交互阶段,混合概率 使用模型概率 和马尔科夫转移概率w 计算得到,马qh qh尔科夫转移概率w 来自于马尔科夫转移概率矩阵Π=[w ]2×2, 卡尔曼滤波器的混合初始条件 和 使用混合概率 和(k‑1)时间戳的不同模型的状态估计计算得到,状态估计的特征是状态向量 和协方差矩阵并行滤波阶段,两个卡尔曼滤波器并行运行,并且原始的测量值 被用于LOS模型滤波器的观测值,经过菲涅耳区自适应补偿后的测量值被用于NLOS模型滤波器的观测值;在并行滤波阶段,获得更新的第k时间戳的状态估计,同时每一个模型滤波器的似然函数被计算得到;

qh

模型概率更新阶段,使用似然函数、预测的模型概率和转移概率w 来更新模型概率;

自适应IMM中的融合阶段,所有自适应IMM的模型滤波器的更新后的状态估计加权和,得到最终的状态估计 和

4.根据权利要求1所述的一种基于自适应IMM的鲁棒室内行人跟踪UWB定位方法,其特征在于,利用基于菲涅尔区域的自适应补偿算法对NLOS模型进行补偿具体过程为:设定两个基站分别记为BS1、BS2,则该两个基站作为无线电波长λ下工作的两个收发器,则包含k个椭圆的菲涅尔区表示为:其中,l1和l2是每一个基站到沿着两个收发器连线上的任意点P的距离,k表示菲涅尔区数,R表示第k个菲涅尔区边缘与点P之间的距离;

1,2

设 表示第k时间戳的移动标签MT与基站BS1的真实距离,d 表示基站BS2和基站BS1之

1,2

间的真实距离, 可以用双向飞行时间的方法测量,其测量值表示为 d 的测量值表示为BS1和BS2之间的阻碍物会阻碍菲涅耳区并引起测量误差,BS1和BS2之间的测量误差可被计算为:可用于补偿移动标签与BS1之间的测距误差,表示为:

根据IMM算法在(k‑1)时间戳的估计值 则预测第k时间戳MT与BS1之间的测量值,表示为:

其中Tk是采样时间,改进的补偿值表达式为

其中 是MT与BS1之间在第k时间戳的原始测量值, 可从等式(10)得到,a表示补偿系数,表达式为:

5.根据权利要求1所述的一种基于自适应IMM的鲁棒室内行人跟踪UWB定位方法,其特征在于,利用功率驱动并行的两个IMM算法分别得到自适应IMM的转移概率和更新模型概率,具体过程为:计算移动标签和和第i个BS信道的总接收功率kr和第一径接收功率kFPC的差值k,k的计算公式如下:其中,c,F1,F2,F3,分别表示信道脉冲响应功率值、第一径振幅点1、第一径振幅点2、第一径振幅点3;

基于功率的NLOS信道识别是概率性质的,并且第k时间戳MT与第i个基站之间的NLOS概率表示为:第k时间戳MT与第i个基站之间的LOS概率表示为:

根据第k时间戳MT与第i个基站之间的NLOS概率和第k时间戳MT与第i个基站之间的LOS概率确定信道的类型;

当 时,信道可认为是LOS信道;当 时,信道可被

视为NLOS信道;此外,当 或者 时,信道可认为是混合LOS/NLOS信道;如果信道是LOS信道并且 该信道可视为增强的LOS信道;另外,如果信道是NLOS信道并且 该信道可视为增强的NLOS信道;

设置环境参数 表示第k时间戳MT与第i个基站之间的信道环境,表达式如下:定义基于功率的自适应转移概率修正函数,表达式为:

其中 h=1代表LOS,h=2代表NLOS;

根据环境参数 第k时间戳的自适应IMM的从其他模型到模型h的转移概率可被以下函数更新:其中 q=1代表LOS,q=2代表NLOS, 代表(k‑1)时间戳自适应IMM的从模型q到模型h的转移概率, 代表(k‑1)时间戳CIMM的从模型q到模型h的转移概率;

对更新后的转移概率进行标准化,如下所示:

标准化后,修正后的转移概率依然符合马尔科夫链的要求,如下所示

6.根据权利要求5所述的一种基于自适应IMM的鲁棒室内行人跟踪UWB定位方法,其特征在于,根据环境参数 有选择性地更新(k‑1)时间戳的自适应IMM的模型概率,表达式如下:其中 表示(k‑1)时间戳的CIMM的模型h的概率。

7.根据权利要求5所述的一种基于自适应IMM的鲁棒室内行人跟踪UWB定位方法,其特征在于,根据第k时间戳MT与第i个基站之间的NLOS概率和第k时间戳MT与第i个基站之间的LOS概率确定信道的类型具体为当 时,信道可认为是LOS信道;当 时,信道可被

视为NLOS信道;此外,当 或者 时,信道可认为是混合LOS/NLOS信道;如果信道是LOS信道并且 该信道可视为增强的LOS信道;另外,如果信道是NLOS信道并且 该信道可视为增强的NLOS信道。

8.一种基于自适应IMM的鲁棒室内行人跟踪UWB定位系统,其特征在于,该系统包括:存储器、处理器,所述存储器中包括一种基于自适应IMM的鲁棒室内行人跟踪UWB定位方法程序,所述一种基于自适应IMM的鲁棒室内行人跟踪UWB定位方法程序被所述处理器执行时实现如下步骤:S1:构建基于卡尔曼滤波的LOS模型和NLOS模型;

S2:在并行的两个IMM算法中融合已构建的LOS模型和NLOS模型,利用自适应IMM算法的融合处理得到状态估计,所述并行的两个IMM算法包括:通用IMM算法和自适应IMM算法;

S3:利用基于菲涅尔区域的自适应补偿算法对NLOS模型进行补偿;

S4:利用功率驱动并行的两个IMM算法分别得到自适应IMM的转移概率和更新模型概率;

S5:将得到的转移概率和更新后的模型概率用于(k‑1)时间戳的自适应IMM过程,得到滤波后的观测数据,将观测数据用来校正扩展卡尔曼滤波算法的预测值,得到最终的行人位置坐标。

9.根据权利要求8所述的一种基于自适应IMM的鲁棒室内行人跟踪UWB定位系统,其特征在于,构建基于卡尔曼滤波的LOS模型和NLOS模型具体过程为:构建移动标签与第i个基站的状态空间向量模型,首先,移动标签和第i个基站在第k时间戳测距可以表示为:其中, 和 是第k时间戳移动标签和第i个基站的测距真实值和环境造成的误差值;

将 作为独立同分布的高斯白噪声 根据LOS和NLOS环境,mε和 分别为:利用第k时间戳的测距 作为观测值修正两个并行IMM算法的预测值,i=1,...,N;移动标签和和第i个基站(i=1,...,N)的状态向量定义为:其中 表示移动标签相对于第i个基站的速度;状态方程的动力学公式可写为其中, 是过程驱动噪声, 为一个均值为0,方差为 的高斯白噪声,i=1,...,N;根据LOS和NLOS条件,等式(5)和等式(6)的状态方程的动力学公式修改为:其中, mε从等式(2)得到。

10.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质中包括一种基于自适应IMM的鲁棒室内行人跟踪UWB定位方法程序,所述一种基于自适应IMM的鲁棒室内行人跟踪UWB定位方法程序被处理器执行时,实现如权利要求1至7中任一项所述的一种基于自适应IMM的鲁棒室内行人跟踪UWB定位方法的步骤。