佳文賞析一種室內高精度定位方法

佳?賞析?種室內?精度定位?法

利?UWB/LiDAR?程計的室內?精度定位?法

徐愛功，張 涵，宋佳鵬，隋 ?

摘要：針對超寬帶（UWB）室內?精度定位中，易受?視距（NLOS）誤差?導致定位不連續的問題，該??先采??

波變換對RTT解算的測距異常值進?削弱，然后將UWB與LiDAR進?組合，綜合利?UWB測距值以及LiDAR?程計所

提供的距離和?度信息構建量測?程，最后通過擴展卡爾曼濾波進?定位解算。實驗結果表明，該?提出的

UWB/LiDAR?程計組合定位?法，實現了室內障礙物遮擋情況下的連續?精度定位，定位精度可達到亞分?級。

0 引?

隨著?精度定位服務的發展，室內定位被稱為?精度導航定位中的最后?步。對室內定位服務（indoor location bad

rvices，ILBS）的研究促進了室內定位系統( indoorpositioning systems，IPS)的發展[1]。常?的室內?線定位技術有

超寬帶（ultra-wide band，UWB）、WiFi、Zigbee、藍?等，其中UWB以其較?的帶寬、較?的時間分辨率、較強的

抗多徑效應能?等優點，被?泛應?于室內?精度定位以及組合導航中[2]。

本?采?基于?波變換的?法削弱UWB NLOS誤差，充分利??波變換在信號領域將時域與頻域分離的特征[9]，將信

號分解為?頻與低頻，低頻為與真實測量值更為接近的頻率，?頻為含有NLOS誤差的信號，通過選擇適當的閾值以及

?波基函數，對?頻信號處理，再與未處理的低頻信號重構，得到?次濾波后的UWB測距值。然?，在遮擋嚴重區

域，僅依靠UWB定位，會因為基站數?不???法解算出當前位置，難以保證定位的連續性和準確性[10]。

LiDAR具有較?的分辨率、較強的魯棒性、較強的抗?擾能?，并且采??源的?式進?定位[11]。利?LiDAR?程計

提供相鄰時刻的?精度位姿變化量，通過擴展卡爾曼濾波（extended Kalman filter，EKF），與?次濾波后的UWB數

據進?組合定位解算，在?定程度上削弱殘留NLOS誤差對組合定位結果的影響，即使在UWB定位數據中斷的情況

下，LiDAR?程計仍然能保證定位的連續性和可靠性。

1 UWB RTT測距以及基于?波的NLOS誤差削弱模型

1.1 RTT測距模型

RTT測距?法?稱為圓位置線定位，通過測量UWB脈沖信號在基準站和移動標簽之間的往返時間，進?間接計算測距

值。測距模型如圖1所?。

1.2基于?波的NLOS誤差削弱模型

UWB信號被障礙物遮擋時，測距值會產?跳變，誤差可達?級以上，是?種?平穩的波動，在測量區間內，真實信號

與噪聲信號混雜在?起，兩者在頻域和時域上表現為低頻與?頻、全局化與局部化。?波信號的能量集中在局部區域，

能夠針對時域特征削弱NLOS誤差[14]。UWB基準站與流動站距離在5 m左右，采集時間約為7 min，采?db5?波來削

弱NLOS誤差，滑動窗?內的樣本數?為27 個測距值，利??波變換對測量值進?3 次分解，并采?軟閾值的?法對?

頻系數進?量化，具體表?如下式。

2 UWB/LiDAR?程計組合定位

2.1 基于增量式NDT的LiDAR?程計幀間配準算法

LiDAR?程計定位即LiDAR同步定位與建圖（simultaneous localization and mapping，SLAM）?法的前端，算法主要

有：迭代最近點（iterative clost point，ICP）[15]及其變體的?法，以及基于勢場的正態分布變換（normal

distributions transform，NDT）?法，該?法可以弱化動態障礙物對幀間配準精度的影響，對于存在NLOS誤差場景更

有優勢。依分辨率劃分點云柵格，利?概率分布特性，計算每?個?格內的概率密度函數(probability density

有優勢。依分辨率劃分點云柵格，利?概率分布特性，計算每?個?格內的概率密度函數(probability density

functions，PDF)，通過柵格內激光點的均值和協?差來配準點云，得到此次配準的總得分，以及梯度向量和Hessian矩

陣，遍歷所有待配準的點云，依據位姿變換后的待配準點的位置信息查找對應的柵格，根據對應柵格的概率分布，計算

配準得分，得到?系列具有連續導數的點云表?形式[16]，求解位姿變換增量并更新。其中分辨率為r=5cm，同時設置

最多迭代次數以及終?迭代條件。

2.2 UWB/LiDAR?程計組合定位模型

在UWB信號遮擋嚴重區域，依靠單?傳感器難以實現連續、?精度的定位。通過UWB/LiDAR?程計組合定位可以提?

定位精度，同時保證定位的連續。針對組合系統，?先對兩個傳感器進?時空統?[18]，以UWB坐標系為全局坐標系。

其次利?雙線性插值獲得相同頻率的數據。然后構建量測?程與狀態?程，最終利?EKF?法融合UWB與LiDAR?程

計信息，獲得整個系統的位置和速度更新。組合系統的更新模型如下式。

LiDAR?程計在短時間內，可獲取?精度位姿變化量，但隨著距離的增加，?度信息會產?累計誤差。如果直接采?傳

統的坐標轉換歸算到全局的初始位置，因為?度計算?產?的累計誤差，會導致LiDAR?程計定位精度發散。針對這?

問題，本?利?兩幀相鄰的激光數據，來約束下?時刻激光數據在全局坐標系下的觀測信息。

3實驗與結果分析

3.1 實驗平臺

為了驗證本?提出的利??波削弱UWB NLOS誤差以及UWB與LiDAR?程計組合定位的性能，進?實驗。其中采集數

據以及實驗數據處理的操作系統為Ubuntu18.04，處理器為Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz，內存64

GB。在圖4所?室內場景中試驗，并對結果進?分析。在組合定位平臺中，UWB采?Time Domain公司的PulsON440

模塊，LiDAR采?Velodyne公司的VLP16激光雷達。以Leica TS50全站儀跟蹤定位結果為真值。傳感器精度參數指標

如表1所?。

實驗場景設定如圖4，在室內?約100 m 2 環境中布設5處UWB基站，搭載UWB以及LiDAR傳感器的?車作為流動站。

全站儀處在盡可能通視的位置，測量UWB基站相位中?的絕對坐標，并跟蹤移動平臺運動軌跡。實驗場景中??柱?

為建筑遮擋。

3.2實驗與分析

以圖5左下?A點為運動起點，沿逆時針?向運動采集數據。整個過程中，獲取LiDAR數據集1.2 G, UWB可?基站數?

測距值440個，全站儀有效數據389個，因為??柱?對全站儀數據的遮擋，采?雙線性插值的?法進?補充。

測試3、4、5個參與UWB基站解算結果，如圖6所?，采?累積概率分布函數（cumulative distribution

function，CDF）進?統計，結果如圖7所?。

結合圖6、圖7，采?3、4個基站解算結果相較于全部基站參與解算結果，粗差較多，且整體軌跡與真實軌跡偏差較?。

所以本?采?全部基站參與解算，全站儀測得參考真值。其中，NLOS誤差最?值發?在BC段，整個運動過程中，誤差

在?級以上有6處。如果直接使?UWB原始數據解算，會導致最終定位結果出現較?偏差。為提?UWB原始數據的利

?率，采??波變換對NLOS進??次濾除，結果如圖8所?。

圖8中實線軌跡為經過?波變換處理后的UWB定位軌跡，相較于原始數據，?波變換對NLOS誤差較?區域處理效果明

顯，整體定位精度提升27%。但對于存在NLOS誤差較多的邊，如圖中BC、CD、DE邊，會導致NLOS誤差附近區域的

定位精度下降，但整體定位精度可保持在亞?級。

如圖9所?，在信號遮擋嚴重區域，UWB定位出現中斷，僅依靠UWB定位，并不能保證獲取?精度、連續的定位結

果。?波變換可以提供更加平滑的數據，但不能增加數據量。

不采?本?提出的?度約束策略直接進?松組合以及緊組合的定位解算，結果如圖10所?。

圖11中，利?本?提出的UWB/LiDAR?程計組合定位?法，采?EKF求解，實線軌跡為組合定位結果，與圖中虛線參

考軌跡對?，可以看出，組合定位的軌跡與真實軌跡符合良好，且相對于不采??度約束策略的?法精度更?。關于程

序整體運?時間，采?松組合與緊組合分別為326 s與351 s，本?算法為389 s，雖然本?算法相較于前兩者，犧牲了

?定的時間計算代價，但是整體精度有了提升，在可接受范圍內。

表2中給出了UWB原始數據、?波變換數據以及本?組合系統定位誤差在x、y?向的最?值與平均值，可以看出組合系

統在x、y?向的最?誤差有所減?，平均定位精度有所提升。圖12繪制了本?組合算法的平?誤差累積分布函數圖，通

過采?本?算法，平?誤差都控制在了0.32 m以內，整體定位精度相對于原始數據提升35%，定位精度能夠保持在亞分

?級。

4 結束語

針對UWB測距值受NLOS誤差影響較?的問題，本?利??波變換對NLOS誤差進??次濾波平滑，并采?

UWB/LiDAR?程計組合定位，通過EKF解算，得到連續、?精度定位結果。同時使??主搭建的移動測量平臺進?試

驗驗證，結果表明，本?提出的組合定位結果相對于單?傳感器定位結果，連續性有所提升，平均定位精度可達到亞分

?級。

作者簡介：徐愛功（1963—），男，?東?照?，博?，教授，主要研究?向為全球衛星定位系統、地理信息系統及智

能交通系統的集成與應?。E-mail:*************

通信作者：張涵碩?E-mail:**********************

轉載? 測繪學術資訊

經作者授權轉載

原?標題：?種室內?精度定位?法

-The end-

責任編輯：羅煜湘

審編：張平平

終審：顏?明 黃宗財 魯嘉頤

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