无人驾驶技术原理及应用 课件 4.4 无线定位原理

刘元盛无线定位原理无线定位技术研究背景：近年来基于位置服务的需求逐步提高，无人驾驶车辆的行驶环境也逐步多元化，如地下车库，室内外分界处，大型仓库等特殊场景下。同时，随着无人驾驶平台载体的变化，一些低功耗，低成本的小型化的异构控制方式需求急剧增加。同时，定位是无人驾驶感知技术中重要的部分，精确的定位结果是无人驾驶决策和控制的基础。但目前基于如GNSS定位系统的单一的无人车定位方案无法满足车辆全方位的定位问题。无线定位技术无线定位技术无线传感网络的定位系统中，定位算法可以分为基于接收信号角度法(AOA)、基于接收信号强度法（RSSI）、基于接收信号时间法（TOA和TDOA）和各种混合定位的方法。其中，TOA和TDOA都需要ns级别的硬件时钟同步。而AOA需要方向性天线。这些都会在一定程度上增加实际系统中的部署成本。AOA：到达角度(Angle-of-Arrival)TOA：达到时间（TimeofArrival）TDOA：到达时间差（TimeDifferenceofArrival）RSSI：接收的信号强度指示（ReceivedSignalStrengthIndication）TOA测距原理其中，定位算法TOA是先计算发射信号从发射端到接收端的时间，再用这个时间乘以光速就得到了两点之间距离。但是也有其缺点，那就是系统中所有的节点都需要在时间上保持精确的同步，不然会对定位的精度产生很大影响。但是实际芯片生产中，受时钟漂移、晶振不同等因素的影响，很难在时间上保持精确同步。对射频信号来说，1ns时钟同步误差将产生约0.3m的测距误差。因此要求非常高的时钟及同步精度。在室内，节点间距离较小，采用信号到达时间测距难度大。并且由于同步精度有限，使用TOA技术难度很高。TDOA测距原理不同于TOA，TDOA（到达时间差）是通过检测信号到达两个基站的绝对时间差，而不是到达的飞行时间来确定移动台的位置，降低了信号源与各个监测站的时间同步要求，但提高了各个监测站的时间同步要求。采用三个不同的基站可以测到两个TDOA，移动站位于两个TDOA决定的双曲线的交点上。无线定位技术AOA测量的基本原理是利用测量点具有方向性的天线（DirectionalAntenna）或天线阵列（AntennaArray），得到移动节点发送信号的方向，从而根据信号的到达方向来进行定位。根据AOA定位的原理可知，多径效应会影响信号从一个完全不同的角度到达接收端，因此多径对AOA的影响很大。另外，配备有AOA参数估计的节点硬件尺寸、功耗及成本相对较大，接收机天线的角度分辨率也受到硬件设备的极限限制。实际系统中，AOA常与TOA或TDOA信息联合使用成为混合定位。采用混合定位精度更好，也可降低对单一测量量的依赖。AOA定位原理图场强测量原理通常场强测量的定位方法可以分2种：（a）利用强度测量(RSSI)得到距离的方法。基本原理是利用信道传播模型描述路径损耗，进而基于信号强度来获取收发节点之间的传输距离。缺点:信号强度受到传播环境、天线倾角、无线系统的功率动态调整等因素，传播模型经验公式精准度有限，一般定位要求不高的场景才用该方法实现移动终端定位。（b）利用场强作为指纹特征值，如WiFi信号强度、地磁强度。指纹定位一般分两大步骤，指纹采集离线训练，以及在线定位指纹匹配。缺点:建立指纹特征库需要大量的指纹采集测量，且对场强的测量精度、稳定性有很高的要求，要求数据库可以快速更新和高效维护管理。无线定位技术定位技术参数定位原理定位精度抗干扰能力成本功耗Wi-FiRSSI/TOF/AOA1.7-10m较强较高高蓝牙RSSI3-5m弱较高较低UWBTOF/TW-TOF0.1-0.15m强较高低地磁RSSI2-5m极弱较低较低RFIDRSSI1-8m弱较高低ZigBeeRSSI3-10m弱较高低红外TOF5-10cm弱高高超声波TOF0.01-0.1m强高高视觉SLAM0.1m较强较高高激光雷达SLAM0.05m强高高惯性导航PDR0.01m强高低UWB技术UWB(UltraWideband)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。UWBUWB技术单边双向测距(Single-sidedTwo-wayRanging)SSTWR想要测的准，要满足两点DeviceB收到帧之后要尽可能快的回应两个系统之间的钟差要足够小（晶振差距小，不要求同步）随着Treply和时钟偏移的增加，会增加飞行时间的误差，从而使得测距不准确。PPM：partspermillion无线定位技术双边双向测距（Double-sidedTwo-wayRanging）是单边双向测距的一种扩展测距方法，记录了两个往返的时间戳，最后得到飞行时间，虽然增加了响应的时间，但会降低测距误差。分为两次测距，设备A主动发起第一次测距消息，设备B响应，得到4个时间戳；然后过了一段时间，设备B主动发起测距，设备A响应，同样得到4个不同的时间戳。最终可以得到如下四个时间差：（1）Tround1（2）Treply1（3）Tround2（4）Treply2主要的误差来源一定是接收数据的时间戳是否正确。而不是晶体的ppm值。UWB技术的优缺点缺点：●因需求量不足造成的成本问题●研发难度高，投入大●由于所使用频率的原因，在有遮挡的环境下，精度受到很大影响。●由于发射功率对策限制，定位距离不足。针对不同的应用场景，基于多传感器融合的定位方式才是未来发