基于到达时差的位置信息确定方法

毕业设计任务书课题基于到达时差的位置信息确定方法专业电子信息工程班级姓名学号学院院长（签字）指导教师（签字）2014年11月21日注：本任务书由上海电机学院教务处印制。任务书反面：基于到达时差的位置信息确定方法摘要：运用超声波定位理论探索机器人在空间的位置，且使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。建立一种平面波超声波定位模型，确定物体的位置信息的方法，分析并设计定位系统的总体结构。提出一种简易的计算到达时差电路设计方案。关键词：超声波测距、到达时差、位置信息1、文献综述超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。目前一般都采用波在介质传播速度和时间关系进行测量。常用的技术主要有激光测距、微波雷达测距超声波测距三种。激光测距利用激光的单色性和相传播速度V易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如量长度、距离、速度、角度等等。手持式和便携式测距仪，作用距离为数百米至数十千米，一般应用到远距离测量。微波雷达测距是利用目标对电磁波反射来发现目标并测定其位置。根据微波雷达的用途不同，所测定的目标可能是飞机、导弹、车辆、建筑物、云雨等。微波测距一般应用于雷达系统，GPS定位系统。超声波测距就是利用其反射特性，超声波发生器不断地发射出40kHz超声波遇到障碍物后反射回反射波，超声波接收器接收到发射波信号，并将其转换为电信号。相比于其它定位技术超声波定位技术成本低，制作容易，非常适合于短距离测量定位。到达时差定位又被称为双曲线定位，是一种重要的无源定位方法，它是通过处理三个或更多信号到达时间差实现目标定位。在二维平面中，声信号到达两观测站的时间差确定了一对壹两站为焦点的双曲线，利用第三个站可形成两对双曲线来产生交点，再通过测向侧向信息排除虚假点，就能确定目标位置。若要确定三维空间的目标，则至少需要四个站确定声源的位置。2、选题的背景及意义本课程设计利用超声波发射与接收装置，实现超声波的测距功能，从而实现物体位置定位。利用该设计，可以实现盲人导航系统的研究与应用，实现障碍物的定位测量等。3、研究内容3.1、时差定位原理超声波测距原理：超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s（室温15℃），根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。这就是所谓的时间差测距法。到达时差定位又被称为双曲线定位，是一种重要的无源定位方法，它是通过处理三个或更多信号到达时间差实现目标定位。在二维平面中，声信号到达两观测站的时间差确定了一对壹两站为焦点的双曲线，利用第三个站可形成两对双曲线来产生交点，再通过测向侧向信息排除虚假点，就能确定目标位置。若要确定三维空间的目标，则至少需要四个站确定声源的位置。3.2、时间延迟估计算法时间延迟通常是指接收器阵列中不同接收器所接受到的同源带噪声信号之间由于信号的传输距离不同而引起的时间差。时间延迟估计则是指利用参数估计和信号处理的理论和方法，对上述时间延迟进行估计和测定，并由此进一步确定其他有关参量。Alpha稳定分布是一类非常重要的非高斯分布：1)这种分布是满足广义中心极限定理的唯一的一类分布；2)它是一种能够保持自然噪声过程的产生机制和传播条件的极限分布；3)Alpha稳定分布是一种更加广义的高斯分布；4)Alpha稳定分布能够非常好的与实际数据相吻合。Alpha稳定分布噪声下的多路径时间延迟估计问题：长期以来，受到理论发展的限制，关于高分辨率多径时间延迟估计的研究主要局限于噪声服从高斯分布情况下的二阶统计表。然而，在实际应用中存在大量的非高斯信号和噪声，它们具有显著的尖峰脉冲特性。如果采用高斯分布模型来描述这类过程，将会由于模型与信号噪声不能很好的匹配而导致所设计的算法性能显著退化。对于在高斯假设下进行优化的系统，非高斯性将导致其性能严重下降。因此在重要的应用场合中考虑更实际的非高斯模型，显得尤为重要。Alpha稳定分布恰好能够比较准确的描述这类冲击性型信号的统计模型。基于信号噪声Alpha稳定分布假设而导出的信号处理算法对诸如信号的不确定等模型误差具有较好的韧性，而且所设计的算法在高斯情况下也是适用的，所以在Alpha稳定分布下发展多径时间延迟估计方法具有非常重要的意义。在遇到具有显著尖峰脉冲特性的噪声，通常用分数低阶α稳定FLOA分布来描述这类脉冲性噪声。参数α用于描述这类噪声的脉冲强度，α的取值范围为（0~2），α值越小，脉冲特性越显著。Ma和Nikias提出了一些列的基于分数低阶统计量的TDE方法，其中基于共变的TDE算法类似于传统的相关算法，鉴于FLOA分布的随机变量没有有限的二阶矩，基于共变的TDE算法利用共变代替相关，在实际计算中，由于信号的统计平均很难做到，通常用有限的时间平均代替统计平均。当噪声的α值较大时，共变算法可以得到准确的结果，当噪声的尖端脉冲分量增大时，算法性能退化。与公变算法类似，基于分数低阶协方差（FLOC）的TDE算法通过计算两路接收信号FLOC得到的时间延迟估计值，该算法适用于任意α值的脉冲噪声环境，在脉冲较强的环境下性能优于基于共变的TDE算法。4、工作特色及其难点，拟采取的解决措施本课设基于平面波定位原理，消除有效声速的影响，确定物体的位置信息。其难点在于如何快速、精准地估计发射器信号和接受器信号之间的时间差，以及过滤掉信号附带的噪声和干扰。这也是下一步所研究的重要课题。5、论文工作量及预期进度1、开题报告2014年11月－2014年12月2、计算机仿真与论文初稿2015年01月－2015年03月3、仿真与论文完善2015年04月－2015年05月4、提交验收与答辩准备2015年05月－2015年05月5、毕业答辩2015年05月参考文献1.曹学赋，郭相科，刘进忙.基于到达时差法的目标定位系统2006.62.韩毅，吴初娜，李龙飞.基于到达时差的声音定位系统的研究与实现2010.113.朱庆厚.到达时间差(TDOA)测向定位研究2007.24.周非.基于时延估计的无线定位技术研究2009.15.刘文红.脉冲噪声下时间延迟估计方法及应用的研究2007.46.孙永梅，段晓霞.时间延迟估计方法的研究进展20107.胡婷婷.Alpha稳定分布噪声下多径时间延迟估计算法研究2006.12课题来源教师科研课题的目的、意义针对接收器利用接收到的源目标发射出来的无线电信号进行源目标定位的问题，研究基于同一源信号到达不同接收器的时间差进行定位的信号处理方法。尤其注重利用基于Alpha稳定分布的时间延迟估计方法解决脉冲性噪声中的无线电信号源定位问题。该课题的研究有助于提高基于信号达到时间差的源定位技术，有助于提升无线电信号的监测水平。要求研究无线电信号源基于到达时差的定位原理。研究时间延迟估计技术和对称Alpha稳定分布及分数低阶统计量理论。计算机模拟一种基于Alpha稳定分布的时间延迟估计算法，并与基于高斯分布的算法进行比较分析讨论。遵守毕业设计纪律，按时、按质、按量完成毕业设计各阶段任务。课题主要内容及进度课题主要内容：1、阅读文献和翻译外文文献，撰写开题报告2、完成算法的选取、理论分析、计算机仿真、结果分析和毕业论文3、开题答辩和毕业答辩毕业设计作品：1、文献翻译2、开题报告3、算法程序4、毕业论文进度大致安排：1、开题报告2014年11月－2014年12月2、计算机仿真与论文初稿2015年01月－2015年03月3、仿真与论文完善2015年04月－2015年05月4、提交验收与答辩准备2015年05月－2015年05月5、毕业答辩2015年05月以上各项由指导教师填写（请用钢笔填写或打印签字）