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基于多传感器融合的室内外无缝定位系统研究.pdf

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基于多传感器融合的室内外无缝定位系统研究

摘要

导航与位置服务在许多领域都发挥着重要作用,例如自动驾驶、智慧交通、仓储

物流等。近年来,随着城市化进程的加快和大型建筑数量的增加,导航与位置服务的

应用场景变得日益复杂。定位目标可能会在室内和室外的多个区域活动,但常规的导

航方法如卫星导航(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)、惯性导航、视觉导航等

无法在所有区域提供高精度位置服务。如何融合多源异构传感器信息,实现在室内-室

外全场景下的高精度无缝定位是本文的主要研究内容,具体研究内容如下:

首先,介绍了多传感器融合定位系统的基础理论,给出了常用坐标系及符号定义。

介绍了视觉/惯性/GNSS/超宽带多传感器硬件平台的设计思路,包括多传感器硬件平台

搭建、多传感器参数标定和多传感器数据的时间同步。详细阐述了视觉/惯性里程计初

始化、超宽带(UltraWideBand,UWB)双向测距和GNSS测量原理,为后面的多传

感器融合定位算法设计奠定理论基础。

其次,提出了一种改进的视觉/惯性/UWB紧耦合室内定位算法,概述了系统的结

构组成和工作原理。针对传统UWB基站位置初始化方法容易受非视距条件影响的问题,

提出了一种基于视觉检测的UWB基站位置初始化方法,使用相机智能检测并估计

UWB基站的位置初始值,随后在估计器中进一步细化。在视觉/惯性里程计的基础上改

进形成了视觉/惯性/UWB紧耦合里程计(Visual/Inertial/UWBodometry,VIRO),利用

UWB基站的测距信息约束视觉/惯性系统的漂移,提升系统的定位精度。为了提高系统

对于UWB测距异常的鲁棒性,提出一种UWB基站数量动态调整策略,实时检测UWB

基站的测距状态,将测距异常的UWB基站从系统中删除。在公开数据集和真实室内场

景实验中将所提出算法与现有算法进行了比较,证明了所提出算法在UWB基站初始化

和定位性能方面的优越性。

最后,介绍了视觉/惯性/GNSS融合的定位算法,分析了它们无法在室内区域实现

无漂移定位的问题。在此基础上提出了一种视觉/惯性/GNSS/UWB融合的室内外无缝

定位算法,对系统的结构组成和工作原理进行了概述。系统执行局部-全局坐标变换矩

阵初始化,将VIRO和GNSS数据在空间坐标系上进行统一。针对系统定位精度受

GNSS卫星观测质量影响较大的问题,提出一种GNSS测量因子权重自适应调节方案,

提高系统在室内外过渡区域的鲁棒性。为了避免在室内外过渡过程中因GNSS测量失

效导致系统定位失败,提出一种室内外定位模式无缝切换策略。系统根据定位场景自

哈尔滨工程大学硕士学位论文

动切换定位模式,确保定位轨迹的连续性和稳定性。在公开数据集和真实场景中开展

了室外定位和室内外无缝定位实验,证明所提出算法能够在室内-室外全场景中实现全

局一致的无漂移定位。

关键词:无缝定位;传感器融合;视觉/惯性里程计;超宽带;GNSS

基于多传感器融合的室内外无缝定位系统研究

ABSTRACT

Navigationandlocationservicesplayanimportantroleinmanyfields,suchasautonomous

driving,intelligenttransportation,andstoragelogistics.Inrecentyears,withtheacceleration

ofurbanizationandtheincreaseinthenumberoflargebuildings,theapplicationscenariosof

navigationandlocationserviceshavebecomeincreasinglycomplex.Thetargetoflocalization

maymoveinmultipleareasindoorsandoutdoors,butconventionalnavigationmet

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