文摘
自动代客泊车(avon)备受关注的自主驾驶的入口点。在一个室内环境中,高精度定位系统对于avon至关重要。超宽带(UWB)是一种最广泛采用的技术。然而,基站位置显著影响系统的定位精度,特别是不规则建筑的地下停车场。本文提出了一种三级实用和经济的超宽频基站布局规划方法,包括确定部署策略和布局参数和综合调整和方案验证。认为区域分化avon精度要求的方法,如斜坡区,表面波动区域,和狭窄的区域。超宽频系统的采用定位方法到达时差(辐射源脉冲)和定位精度的评价指标是水平精度因子(HDOP)。通过实验测试在实际的停车场,该方法确认,以确保稳定和经济更少的超宽频基站和AVP能满足定位精度的要求。
1。介绍
与物联网的快速发展(物联网)1)、先进的传感器(2),连接和自动车辆(3),对高精度定位服务的需求激增。其中,智能室内停车场(主要是室内)是典型的物联网的集成应用,传感器和位置服务,改善停车资源的使用和用户满意度,特别是自动代客泊车的出现(avon) (4]。AVP允许人类司机离开车辆下降区(例如,电梯一个停车场的入口),和车辆执行停车独立任务(5]。AVP期间,车辆必须获得他们的位置路径规划、决策、和控制。任务执行的质量很大程度上取决于定位精度。然而,对于一个室内停车场,infrastructure-enabled高精度定位是一种最经济、可靠的计划在现有avon技术(6]。
许多室内定位系统适用于智能停车场,如wi - fi (7),激光雷达(6),LED灯的沟通(8[],超宽带(UWB)9]。其中,超宽频一直被视为下一代无线通信的关键技术之一,由于其低功耗、抗干扰,穿透能力强,定位精度高9]。然而,超宽频定位系统还取决于信标定位方法,它必须使用已知的几个超宽频基站位置信息定位区域来确定移动台的位置。超宽频基站的布局强烈影响定位精度和稳定性,影响施工总成本。现有的研究已经证实,基站的布局影响定位精度的测量噪声和多快衰落效应(10,11]。因此,优化基站布局为不同的物理环境和准确性需求是非常重要的实现超宽频定位系统的广泛应用。
在现有研究基站布局规划,莫妮卡和法拉利(12]提出一种超宽频基站布局优化方法对于大型室内场景,推导出最优的布局涉及走廊宽度和间距基站高度和验证,其均方误差(MSE)可能达到Cramer-Rao下界(CRLB)通过模拟。长等。13)提出了一种新的基站布局设计方法最小化均方误差在圆形,方形,和六角位置区域。乔et al。14一览表就是给予一定标准)提出了一个最大距离测量变异方法优化基站的布局当添加新基站网络。Redondi和Amaldi15]研究了室内定位系统的基站布局优化问题基于无线传感器信号强度,作为减少CRLB混合整数非线性规划制定。禁忌搜索算法应用于解决这个问题。周et al。16]提出四个CRLB-based指标达到最优基站布局和评估室内矩形工业定位设备。沙玛和Badarla17)提出了一个方案将定位基站在墙上和天花板上,大大减少了阻塞在信号传播和减少造成的定位误差的几何形状。与此同时,他们提出了一种多目标优化方法分析信标布局问题(BLP)的3 d坐标点云表示室内环境。解决了BLP使用nondominating排序遗传算法(NSGA)——(18]。金和崔19]介绍了当地最优超宽频基站布局规划方法,制定与启发式方法作为二进制整数线性规划约束条件。实验结果表明,该方法能保证高精度和可靠的自主导航系统的定位性能。吴et al。20.)认为多个超宽频基站作为集群和应用动态粒子群优化和遗传算法优化基站的布局集群。锅等。21]提出了一种超宽频基站布局设计方法基于遗传启发式微分进化算法,它可以降低平均定位误差28.2%和12.5%相比,随机和默认方案。
然而,一些研究旨在减少基站的数量。澳网et al。22)提供了一个详细的分析定位系统的不确定性,而超宽频基础设施发展,开发了一种遗传算法,最小化新基站的部署。王等人。23旨在实现全面覆盖的室内场景使用最少的基站部署。该解决方案所需的基站的数量减少了6%至23%基于贪婪和随机抽样算法。Balac et al。24)研究了基于容错三角定位问题,提出了一些优化算法基站的数量。然而,优化结果的锚节点数量减少了不到0.5%。Leune et al。25)向无线电基站通过结合遗传优化脉冲传播模拟和装备少基站提供较低的均方根偏差在复杂环境中定位结果。在[26),遗传算法应用于确定的位置传感器在智能建筑结合建筑物的设计图纸,从而有效地减少传感器的数量。一个新的基于TOF的超宽频三垒站定位算法(27),它可以摆脱三个基站的位置的严格限制在不牺牲定位速度过度。
虽然已经取得了很大进展在基站布局规划的室内定位系统,房间里仍然需要改进。大多数研究没有考虑经济问题在基站布局规划。与此同时,面对一个真实的情况,特别是对于实际的复杂环境,一些算法收敛缓慢,存在许多限制。此外,大多数研究没有考虑不同的定位区域的空间特性的室内停车场,不同的误差来源,和不同的精度要求,带来额外的挑战。本文提出并验证一种avon面向应用的最优经济超宽频基站布局规划方法。本文的贡献可以概括如下:(我)我们分析几个不同标准的超宽频基站多边形覆盖方案并提出最经济的保险制度(2)我们开发一个三级超宽频基站布局规划方法,它适用于各种室内停车场高实用性和经济(3)我们设计超宽频基站的布局,在一个真正的地下停车场进行实验来验证三阶段方法的有效性
本文的组织如下:首先,一个二维的超宽频基于目标辐射源定位系统选择为研究对象。平面几何精度因子HDOP选为定位精度的评价指标。在此基础上,超宽频定位系统的精度测量实验设计和执行。研究了不同的基站布局风格通过理论分析和MATLAB仿真。基站布局在各种真实场景模拟,并提出了调整和优化的方法。与此同时,各种实际场景布局方法形成一个实用的面向应用的集成。最后,该方法是基于测试结果讨论和总结。
2。假设和精度标准
在整篇文章中,我们使用以下假设来简化模型,同时保持它真实。
2.1。环境条件
实际环境情况考虑在本文中包括基站的地方不能均匀,斜坡地区,起伏的表面区域,狭窄,长区域,分区有不同的精度要求。
2.2。简化超宽频定位系统
在本文中,我们主要研究超宽频基站布局对定位精度的影响。因此,基站之间的时钟同步误差对精度的影响在辐射源算法不考虑。同时,本文不考虑超宽频基站的老化或损坏。在avon场景中,车辆的高度并不重要因为车辆必须贴近地面移动。因此,定位在avon场景中可以简化为二维平面定位。
2.3。精度评价标准
有必要定义并总结定位精度的评价指标来评估定位系统的性能正确和有效地在不同基站布局。
几何精度因子(GDOP)是最重要的一个指标来衡量一个超宽频的室内定位系统的定位精度。这是定义为系统定位误差和测距误差之间的比率,这表明之间的几何空间布局移动站(MS)和基站(BS)和测距误差的放大的程度之间的时钟同步设备。GDOP可以计算如下: 在哪里 , ,和代表的误差方差xy和z分别为方向;表示误差方差由于时钟同步误差;和代表了测距误差的标准差。基于上述假设,水平精度因子(HDOP)的一个二维平面上可以得到如下:
在本文中,应用HDOP精度评价指标来分析二维超宽频定位系统的定位精度在不同的BS布局。假设相同的测距误差,HDOP越小,平面定位精度越高。
2.4。精度验证
我们应用全站仪坐标测量的定位值真值和使用超宽频定位值作为测量值的1000倍。的欧几里得距离测量和真正的价值x和y然后计算的方向。总欧几里得距离及其对测量和真实值的方差也获得。最后,我们以这四个价值观为判断指数的定位性能。
3所示。方法
3.1。几何和保险制度的超宽频BS布局
BSs的数量直接影响定位精度。因此,我们探索的数量之间的数值关系BSs和定位精度。
3.1.1。BSs的数量之间的关系和理论HDOP的最小值
根据HDOP[的定义28),超宽频的HDOP满足基于目标辐射源定位原则 在哪里是BSs的数量参与超宽频定位系统;和之间的夹角的余弦和正弦的连接吗我th的废话和超宽频标签和水平方向定位。让 和 。(3)可以写成
方程(5)可以用数学归纳法证明:
首先,当 ,
当 和(5)是满意的 ,
根据上述情况,5)是证明。根据(4),的理论下界HDOP可以计算如下:
的理论下界HDOP减少BSs系统中涉及的数量增加。然而,当BSs的数量超过5个,显著降低放缓。
3.1.2。模拟和分析的影响在HDOP BSs的数量
考虑到安装方便,超宽频BSs通常安排在三角形或建起。通过模拟定位区域中的每个点的HDOP MATLAB,定位精度特征的等值线图时在该地区不同数量的BSs参与计算,如图1。基于仿真结果,在保证定位的准确性和稳定性,4到5次覆盖确保足够的定位精度和高经济。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
3.1.3。BS保险制度经济考虑
基于工程造价,前提是确保区域满足任意点的位置K时报报道,K已经被证明是4 - 5正如上面所讨论的。越少的BSs覆盖同一区域,更经济的布局方案。
超宽频的BS布局定位系统与区域范围的问题,可分为等边三角形和四边形结构。所(29日),一个正方形结构具有更高的效率的四倍覆盖布局,和一个三角形结构有更高的效率范围布局的三倍。如果有效的超宽频标签覆盖半径的脉冲信号是30 m, BSs的数量需要达到覆盖的三角形结构的三倍,四倍广场的覆盖结构,和五次广场的覆盖结构在不同区域如图2。四次广场的覆盖结构是最好的覆盖率和最好的经济解决方案。BSs所需的最小差异之间存在的数量达到3至4倍,覆盖在同一地区。相反,BSs的数量需要达到5倍报道几乎是BSs所需数量的两倍达到覆盖的4倍。然而,正如前面提到的,定位精度达到5和四倍报道几乎是相同的。因此,超宽频BS对实际环境的布局都是优化基于覆盖方形结构的4倍。
3.1.4。布局方案调整
在实践中,场景的空间往往是不规则的。因此,它是不可能实现BSs的统一布局。BSs大多采用矩形或菱形布局,确保四个信号的覆盖。定位区域的HDOP不同边长比使用MATLAB模拟;结果如表所示1。
根据上述结果,我们得出以下结论。根据定位精度要求(30.),90%的定位误差标准偏差应在10厘米。我们推断出90% HDOP的评分值必须小于2.0,和长边,短边的比例不应超过2.6矩形布局。钻石的布局,长轴与短轴的比例不应超过2.6。
3.1.5。超宽频BS斜坡地区布局
当标签被测量在斜坡区移动,它的高度是不断变化的。b水平间距必须根据斜坡调整梯度。即有效覆盖半径的BS必须在调整计算。
假设是斜率与水平面之间的夹角,斜坡方向是高度的斜率下降最快。斜率区域研究在本文中是理想的斜率。也就是说,坡上的每个点的斜率和方面都是相同的。当利益取向与梯度方向一致,有效半径是
3.1.6。超宽频BS表面起伏地区布局
在实际的定位情况下,标签的高度进行测试将不可避免的改变。扣除后,标记高度的变化引起的定位误差如下: 在哪里表示的投影在 ; 表示坐标测量值;表示的梯度向量在点测量;表示距离BSs的区别;和表示之间的角度和 。把标签高度估计误差作为一个变量,定位误差引起的模拟和分析。结果如图所示3。
作为增加,平均定位误差造成的错误标记高度估计逐渐增加,最大误差会迅速增加。当表面波动小于0.3米,BS布局的影响将会减少由方形结构信号(Max的4倍 )。因此,高差的影响可以被忽略时,小于0.3米。然而,当高差超过0.3 m,不同海拔地区应该分为分区。
3.1.7。超宽频BS在狭窄的区域布局
狭窄的领域,如车道,道路,一个方向的长度比其他的要小得多。这可以作为制定 在哪里和表示方向余弦的标签x和y方向,即精度的因素x和y方向,分别。考虑定位精度的差异在两个方向之间狭窄的区域,我们的定位精度评估BS布局在狭窄的区域使用direction-weighted平面精度的因素,也就是说,通过配对和在不同的方向给予不同的权重。同时,定位精度的误差方差应用两个方向来确定相应的权重系数:
假设一个狭窄的区域的宽度3米,长度是30米,90%的面积来衡量应该满足沿着宽度方向定位误差方差(x方向)和长度方向(y方向)当标签在狭窄的区域。狭窄的区域的表面是平面,平面覆盖半径的废话是50米。应用MATLAB遗传算法工具箱的解决加权几何因素的优化问题。仿真结果如图所示4。
相邻的BSs的之间的距离y方向不应超过10.5米,确保90%的定位区域满足精度要求的方向。矩形长宽比可以达到10.5 / 3 = 3.5米,超过了之前2.6的要求。当的绝对大小和变化,或狭窄区域的宽度变化,距离也会改变。
3.1.8中。超宽频BS布局考虑avon区域精度要求的差异
在实际工作条件下,不同的位置区AVP可能有不同的定位精度要求。然后制定加权区域HDOP模型获得一种经济高效的超宽频BS布局方案。的理论优化模型转化为一个多目标优化的解决方案模型利用判断矩阵的重量。此外,该模型考虑了不同地区不同的定位精度要求。介绍了1 - 9的规模,表示区域的重要性相对于区域 ,和相应的含义不同的值如表所示2。
在获得权重系数,基于线性加权法,BS布局的优化问题考虑的不同定位精度要求的最优解转化为方程(17)。然后解决方案是最优超宽频BSs的布局: 在哪里 表示HDOP在定位区域 ; 表示的标准差最大定位误差要求的区域;和表示不同的误差的标准差。
使用MATLAB模拟这种方法,定位区域如图5(一)作为一个例子,在所需的定位误差的标准差面积1 ;区域2: ;区域3: ;和区域4: 。根据判断矩阵,得到每个区域的权重如下:
(一)
(b)
最适合的布局方案通过MATLAB遗传算法模拟,如图5(b)。
如果时差测量误差的标准差, ,5厘米,BS的布局被逆计算。每个位置的定位误差的HDOP面积如表所示3和满足定位精度要求。因此,布局方案是可行的。
3.1.9。三级超宽频站布局规划方法
根据前面的分析,各种实际场景的布局设计方法集成,和一个实用的面向应用的区域提出了超宽频站布局优化设计方法。该方法包括三个阶段:步骤1:确定部署策略。各个区域的环境特征在该地区位于提取,和BS布局策略决定根据各个区域的环境特征参数。步骤2:确定布局参数。根据各个区域的定位精度要求,布局策略,和设备性能参数,具体布置间距、布局,以及其他参数得到相应的方法。步骤3:综合调整方案验证。综合各个区域的布局方案,调整方案由模拟HDOP验证。如果位置精度要求是满意,方案的参数,符号,图形可以进一步生成。否则,布局策略必须确定,直到方案验证。
在整个设计过程的BS布局方案,涉及的主要参数包括(1)环境特征参数,如坡度、起伏的表面,和狭窄的区域;(2)定位精度参数,包括定位误差的大小和方向所要求的每个区域;(3)设备性能参数,包括b信号覆盖距离和天线类型。
4所示。案例研究
我们验证的性能提出了优化设计方法的超宽频BS布局使用地下停车场的同济大学,上海。如图6女士,三脚架和电子全站仪应用于获得高精度定位数据作为地面真理。根据不同区域的空间特征在停车场和AVP的要求确保安全在不同领域27),每个区域的定位精度要求进行了分析和总结在表4。
(一)
(b)
根据上面的三阶段方法,BSs的布局优化设计进行了如下。
4.1。确定布局策略
根据分析地下停车场的布局,整个地区可以分为四个分区,如图7(一个)。其中,面积1是停车场的入口和出口,和一个矩形布局方案可以采用。面积2是一个斜坡,斜坡,缩小地区之间的耦合特性。计算后的覆盖半径匝道根据斜率梯度,BS布局方法基于direction-weighted HDOP可以采纳。区域3是一个驾驶车道属于典型的狭窄区域。BS布局设计方法基于direction-weighted HDOP应该被采纳。4是一个矩形的停车位区域布局方案可以采用。
(一)
(b)
4.2。确定布局参数
超宽频的BSs的安装高度定位系统是2.6 m,标签的高度大约是2.0米,和标签信号的有效覆盖距离是30.0米。与此同时,车站定位误差的标准差和时间测量误差系统中都是5.0厘米。然后,飞机BS的覆盖半径 。
根据上面的设备参数和现场尺寸参数的停车场,和每个分区的布局策略决定在第一阶段,每个分区的具体布局参数计算。(1)区域1是矩形区域有四个站。仿真结果表明,这一领域的90%分位数的HDOP是1.6081,avon满足定位精度要求。(2)区2是斜坡区。最大坡度的坡道是15%,和斜坡属于一个狭窄的区域。比例不应超过2.6。六BSs应与相邻的BSs之间的距离设置在同一边22.3 / 2 = 11.15。同时,优化布局方法基于direction-weighted HDOP用于检查。在direction-weighted HDOP模型,沿着斜坡方向是2/3,体重和体重沿着垂直坡度方向是1/3。遗传搜索算法的仿真结果表明,90%的索引值沿着斜坡方向定位精度的因素是1.2641≤2;在垂直斜坡方向,这是2.2665≤4。这两种满足定位精度要求。(3)区域3是驾驶车道。根据avon需求,矩形的长宽比计划不超过2.6。6对BSs应该设置的时间间隔相邻BSs 13.4一侧。这些应该检查使用direction-weighted HDOP模型。每个方向的精度满足要求。(4)区域4是停车位。如果90%的区域定位误差的标准差小于20厘米,长宽比的矩形布局可以超过3。物理上分离的子块,在这个领域,可以安排根据这个比例。
4.3。全面调整和方案验证
每个次区域的BS布局方案获得第二阶段的聚合、和BSs重叠或极其相似位置合并。最后,布局方案如图7(b)。调整后,BSs的总数减少到30与原始41 BSs相比,下降了27%。
地下停车场的实际定位精度验证通过选择网格点间距为2.5米。结果如图所示8。灰色虚线代表的范围±标准差的定位误差。如图9,有96验证点(按定位误差)。其中,90点的标准差小于5厘米,占93.75%;4分标准差5至10厘米,占4.17%;而只有两点标准差超过10厘米,占2.08%。定位精度符合AVP的要求。在图10,我们表明两个点的位置明显较大的定位误差方差,可以看到,他们都是靠近墙。因此,我们的方法具有高绩效所需的实际面积(从墙上一个合理的距离)。
5。结论
本文主要关注的是布局规划的超宽频BSs AVP的室内定位。应用目标辐射源的定位方法超宽频系统,和选择HDOP精度评价指标。进行理论分析和仿真了理想和实际情况,我们确定有针对性的布局分析方法在每个条件下的地下停车场,如斜坡区,表面波动区域,和狭窄的区域。三级实用和经济的布局设计方法的超宽频BSs然后介绍,包括确定部署策略和布局参数,进行全面的调整和验证方案。超宽频系统的实际布局规划的地下停车场,同济大学,上海,中国,实验结果表明,提出的三级布局设计方法的超宽频BSs区域微分定位AVP和保证精度要求大大减少了BSs的数量。这表明该布局规划方法的超宽频BSs avon具有较高的效率和良好的经济。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果都包含在这篇文章,可从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。
确认
这项工作是共同赞助中国国家重点研发项目在资助2021 yfb1600403,上海市教委创新项目资助下2021 - 01 - 07 - 00 - 07年e00092和上海市科学技术委员会科研计划资助下19 dz1208700和21 dz1205100。丛赵的工作是由上海航行计划支持下21 yf1449400格兰特。