專利名稱：基于信號(hào)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)環(huán)境中多物體定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用信號(hào)強(qiáng)度測距技術(shù)的在動(dòng)態(tài)環(huán)境中進(jìn)行多物體定位的方法。該方法利用接收到的信號(hào)強(qiáng)度，建立視線路徑(Line-Of-Sight)的無線信號(hào)地圖(radiomap)，從而可以在動(dòng)態(tài)環(huán)境中對多個(gè)物體進(jìn)行分別定位。本發(fā)明屬于無線通信及計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
基于接收信號(hào)強(qiáng)度的測距和定位技術(shù)在近幾年得到了廣泛的關(guān)注。其主要方法是基于信號(hào)強(qiáng)度的大小來得到相應(yīng)的距離信息。現(xiàn)有的基于信號(hào)強(qiáng)度的定位技術(shù)主要就是基于接收到的信號(hào)強(qiáng)度和距離的關(guān)系。理論上來說，信號(hào)強(qiáng)度和距離是成一定比例關(guān)系的，一般隨著距離的增大，信號(hào)強(qiáng)度也隨之減小。通過對信號(hào)強(qiáng)度的測量可以得到發(fā)射信號(hào)源和接受信號(hào)源之間的距離。例如，如果 知道物體和三個(gè)已知位置的距離就可以用三角定位確定物體的位置，這種方法叫做三角定位。與其他定位技術(shù)相比，基于信號(hào)強(qiáng)度的定位技術(shù)有很多自己的優(yōu)勢。它需要很少的硬件支持，而且可以應(yīng)用在無線節(jié)點(diǎn)設(shè)備上。一般來說基于信號(hào)強(qiáng)度的方法可以分為兩大類第一類是依靠建立無線信號(hào)地圖(radio-map);第二類是不建立無線信號(hào)地圖的方法。在第一類方法中，其基本思想是先建立一種在接收到的信號(hào)強(qiáng)度和位置信息之間的一種對應(yīng)關(guān)系，該方法在實(shí)驗(yàn)區(qū)域劃分一些小的子區(qū)域，然后在各個(gè)區(qū)域測量從不同發(fā)射裝置接收到的信號(hào)強(qiáng)度值，然后在定位的時(shí)候，目標(biāo)物體可以將自己接收到的信號(hào)強(qiáng)度在提前建立好的無線信號(hào)地圖中找到與之對應(yīng)的位置。我們將建無線信號(hào)地圖的部分稱為離線訓(xùn)練(off-line training),而尋找定位物體的位置對應(yīng)關(guān)系我們稱為在線定位(onlinelocalization)。然而，這種方法有其自身的局限性。首先，傳統(tǒng)的基于無線信號(hào)地圖的方法很難定位多個(gè)物體。因?yàn)樵趯?shí)際的室內(nèi)環(huán)境中，信號(hào)的傳輸會(huì)受到多徑現(xiàn)象的影響。多徑現(xiàn)象是指傳輸?shù)臒o線信號(hào)到達(dá)接收方經(jīng)過了兩條或者多條路徑，因?yàn)閷?shí)際環(huán)境中(尤其是室內(nèi)環(huán)境中)有許多的物品，如樓房，桌子，墻壁，甚至空氣中的懸浮顆粒，都會(huì)使無線信號(hào)反射或折射。所有的路徑可以分為兩大類，一種是視線距離路徑，是傳送放到接收方的直線距離；另一種是非視線距離路徑。在實(shí)際環(huán)境中，傳統(tǒng)的接收信號(hào)強(qiáng)度實(shí)際上是多個(gè)路徑信號(hào)的一個(gè)組合疊加。根據(jù)不同路徑到達(dá)的信號(hào)通常會(huì)有不同的相位，因此在接收方會(huì)起到加強(qiáng)或者減弱信號(hào)的效果。當(dāng)有多個(gè)物體出現(xiàn)時(shí)，我們?nèi)詫⒃诓煌奈恢檬占盘?hào)強(qiáng)度的信息并儲(chǔ)存在信號(hào)地圖中，但是由于多徑現(xiàn)象的影響，不同數(shù)量的目標(biāo)物體在不同的位置會(huì)產(chǎn)生不同的多徑信號(hào)。因此，接收到的信號(hào)總和經(jīng)常是不同的。所以，當(dāng)目標(biāo)物體個(gè)數(shù)是未知的時(shí)候，建立這樣一個(gè)基于多物體的無線信號(hào)地圖幾乎是不可能的。其次，大多數(shù)傳統(tǒng)的基于無線信號(hào)地圖的定位方法都假設(shè)一種靜態(tài)的環(huán)境。但是實(shí)際情況中環(huán)境會(huì)發(fā)生一定的改變，主要是由于多個(gè)物體的出現(xiàn)和內(nèi)部陳設(shè)的變化引起的，所以環(huán)境的改變也會(huì)產(chǎn)生不同的多徑信號(hào)信息并影響信號(hào)強(qiáng)度的值。因此，每當(dāng)環(huán)境改變的時(shí)候，傳統(tǒng)的方法就需要大量的在線訓(xùn)練經(jīng)行校準(zhǔn)。本發(fā)明的視線距離無線信號(hào)地圖可以有效的解決多物體的室內(nèi)定位方法。經(jīng)檢索，有以下發(fā)明專利申請具有與本發(fā)明相似特征
申請?zhí)枮?01110373217. 3，申請日為2011年11月22日的國內(nèi)發(fā)明專利公開了一種基于物理層的無線網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位的實(shí)現(xiàn)方法及其裝置，該方法基于物理層的正交頻分復(fù)用平臺(tái)獲取目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的多個(gè)子載波的信道狀態(tài)信息，計(jì)算各個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)的距離進(jìn)而得到具體的位置。本發(fā)明是基于傳感器進(jìn)行定位，并且結(jié)合無線電波地圖得到目標(biāo)物體的位置，可以同時(shí)確定多個(gè)物體的位置。申請?zhí)枮?01110350390. I申請日為2011年11月09日的國內(nèi)發(fā)明專利公開了 一種基于無線網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)信息的室內(nèi)定位方法，該技術(shù)基于正交頻分復(fù)用技術(shù)，收集精細(xì)的物理層的各個(gè)子載波信道信息并進(jìn)行預(yù)處理。其次，將處理后的信道信息作為參考位置點(diǎn)的指紋標(biāo)識(shí)信息，從而幫助搭建包括各個(gè)參考位置點(diǎn)的指紋信息的無線電波地圖。本發(fā)明在收集指紋標(biāo)識(shí)信息的時(shí)候進(jìn)行預(yù)處理，只存儲(chǔ)視線距離的指紋標(biāo)識(shí)信息，這樣可以有效的在動(dòng)態(tài)環(huán)境中保證不缺失大量的精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，在多徑效應(yīng)存在的室內(nèi)情況下，只利用接收信號(hào)強(qiáng)度的信息，建立一種無線信號(hào)地圖，使之可以用來同時(shí)確定多個(gè)目標(biāo)物體的位置，并且在環(huán)境改變的時(shí)候不用重復(fù)建立地圖。本發(fā)明從兩個(gè)方面解決了利用無線信號(hào)地圖經(jīng)行室內(nèi)定位所存在的問題。首先，本發(fā)明在環(huán)境改變的情況下(比如室內(nèi)陳設(shè)的改變)，不用通過重復(fù)收集指紋標(biāo)識(shí)信息建立新的地圖。其次，當(dāng)室內(nèi)有多個(gè)物體存在的時(shí)候本發(fā)明所設(shè)計(jì)的方法也可以同時(shí)將多個(gè)目標(biāo)物體精準(zhǔn)定位出來。為了解決上述問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下
首先，室內(nèi)多徑的變化主要是由環(huán)境的改變和室內(nèi)的陳設(shè)變化造成的，一些原本存在的非視線路徑消失的同時(shí)也有一些新的非視線路徑出現(xiàn)。同理，當(dāng)室內(nèi)有多個(gè)物出現(xiàn)的時(shí)候，新增加的物體對非視線路徑也產(chǎn)生了很大的影響。在本發(fā)明中，我們將參考節(jié)點(diǎn)放在適當(dāng)?shù)奈恢?，可以保證陳設(shè)變化和多物體的出現(xiàn)不會(huì)阻礙視線路徑。本發(fā)明通過分離視線距離信號(hào)強(qiáng)度，并建立相應(yīng)的地圖可以達(dá)到對多物體的定位。第一步是建立視線距離信號(hào)地圖。在本發(fā)明中，整個(gè)定位的區(qū)域被分成若干個(gè)子區(qū)域，如大小為Im *lm的子區(qū)域，每個(gè)區(qū)域在屋頂有參考節(jié)點(diǎn)作為接收端，而目標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為發(fā)射端。本發(fā)明可以通過兩種方法進(jìn)行視線距離無線信號(hào)地圖的建立第一種是通過理論模型來建立相應(yīng)的地圖，第二種是通過在線實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的結(jié)果。通過兩種方法都可以得到視線距離信號(hào)地圖。第二步就是進(jìn)行多物體的定位，每一個(gè)目標(biāo)物體都是發(fā)射端，參考節(jié)點(diǎn)作為接收端。發(fā)射端每次發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)候在每一個(gè)信道上面都發(fā)送一定量的數(shù)據(jù)包到參考節(jié)點(diǎn)，例如，Telosb節(jié)點(diǎn)一共可以轉(zhuǎn)換16個(gè)不同的信道。不同的目標(biāo)物體在數(shù)據(jù)包中傳送對應(yīng)于自己的編號(hào)便于接收端的區(qū)分，然后在接收端對收到的信號(hào)進(jìn)行處理，從而可以根據(jù)不同的節(jié)點(diǎn)編號(hào)分別給出目標(biāo)物體的具體位置。本發(fā)明在得到視線距離地圖以后，將所得的數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)庫中，然后在需要得到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置的時(shí)候我們將收到的視線距離信號(hào)和數(shù)據(jù)庫中的值進(jìn)行對比。在本發(fā)明的視線距離無線信號(hào)地圖中，每一個(gè)矩陣中存儲(chǔ)了三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的視線距離信號(hào)值。本發(fā)明采用k個(gè)最近鄰居的方法來確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的具體位置。在定位過程中，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)都作為無線信號(hào)的發(fā)射方，參考節(jié)點(diǎn)都作為信號(hào)的接收方。我們把需要定位的區(qū)域分為t個(gè)子區(qū)域，參考節(jié)點(diǎn)的數(shù)目為q。并且對于每一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)來講，它的信號(hào)強(qiáng)度向量可以表示為
S= (S1^riS9)，其中4表示第i個(gè)參考節(jié)點(diǎn)收到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，i的范圍是I到
q。在每一個(gè)子區(qū)域j中，我們的無線信號(hào)地圖向量表不為，其中&表
示在子區(qū)域j中參考節(jié)點(diǎn)i收到的視線距離的無線信號(hào)強(qiáng)度的大小。最后我們計(jì)算歐幾里得距離得到最終的結(jié)果。 本發(fā)明是一種基于信號(hào)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)環(huán)境中多物體定位方法，能達(dá)到的有益效果如下
(O實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境下的，對多個(gè)物體的同時(shí)精準(zhǔn)定位；
(2)在環(huán)境改變時(shí)不用重復(fù)建立無線信號(hào)地圖，提高定位效率。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖I為基本原理不意圖。圖2為多徑示意圖。圖3系統(tǒng)定位流程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。如圖I所示，本發(fā)明區(qū)別于傳統(tǒng)無線信號(hào)地圖的定位方法主要是在于數(shù)據(jù)庫里面存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的無線信號(hào)地直接在無線信號(hào)地圖中存儲(chǔ)收集來自各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度。本發(fā)明將收到的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行處理，利用頻率的多樣性從多徑中分離出視線距離信號(hào)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中建立視線距離無線信號(hào)地圖。如圖2所示，。在多物體定位中，多個(gè)物體之間互相影響，造成利用傳統(tǒng)的無線信號(hào)地圖來進(jìn)行定位十分困難，主要在于羅列出各個(gè)不同數(shù)目物體的組合是不現(xiàn)實(shí)的。這種影響主要是來自于物體之間改變了原有的非視線距離的信號(hào)傳輸路徑。同理，當(dāng)環(huán)境發(fā)生了變化，特別是室內(nèi)陳設(shè)發(fā)生變化的時(shí)候，主要也是對非視線距離信號(hào)的傳輸路徑造成了影響。如圖3所示，本發(fā)明提出的在動(dòng)態(tài)環(huán)境下室內(nèi)定位多物體的方法主要流程如下首先確定建立無線信號(hào)地圖的方法，可以通過理論值或者通過在線訓(xùn)練兩種方法得到。第一種方法利用了 Friis自由空間模型，該模型表述了在自由空間中接收方和發(fā)送方的數(shù)學(xué)描述如下
權(quán)利要求
1.基于信號(hào)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)環(huán)境中多物體定位方法，其特征是將定位區(qū)域分成若干個(gè)子區(qū)域，每個(gè)區(qū)域放置相應(yīng)參考點(diǎn)，該參考點(diǎn)放置在能保證陳設(shè)變化和多物體的出現(xiàn)不會(huì)阻礙視線路徑的適的位置，并收集指紋標(biāo)識(shí)信息，然后對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分離視線距離信號(hào)強(qiáng)度，然后將該值存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，建立相應(yīng)的無線信號(hào)地圖；基于該無線信號(hào)地圖作為發(fā)射端的目標(biāo)物體與作為接收端的參考節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信，在需要得到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置的時(shí)候收到的視線距離信號(hào)和無線信號(hào)地圖數(shù)據(jù)庫中的值進(jìn)行對比，采用k個(gè)最近鄰居的方法來確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的具體位置，計(jì)算歐幾里得距離得到最終的結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于信號(hào)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)環(huán)境中多物體定位方法，其特征是:參考點(diǎn)的放置位置能保證室內(nèi)陳設(shè)變化和多物體的出現(xiàn)不會(huì)影響視線路徑，因此陳設(shè)變化后，無須重新建立無線信號(hào)地圖。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于信號(hào)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)環(huán)境中多物體定位方法，其特征是接收信號(hào)的強(qiáng)度是由無線電波在多徑傳播后的一個(gè)組合，從而帶來的額外的無線電波相位信息，本發(fā)明利用它分離出視線距離路徑的無線信號(hào)，因此無線信號(hào)地圖中存儲(chǔ)的不是原始信號(hào)強(qiáng)度信息，而是視線距離信號(hào)強(qiáng)度的值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于信號(hào)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)環(huán)境中多物體定位方法，其特征是在視線距離無線信號(hào)地圖中，每一個(gè)矩陣中存儲(chǔ)了三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的視線距離信號(hào)值。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于信號(hào)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)環(huán)境中多物體定位方法，其特征是可以通過兩種方法進(jìn)行視線距離無線信號(hào)地圖的建立，第一種是通過理論模型來建立相應(yīng)的地圖，第二種是通過在線實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的結(jié)果。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于信號(hào)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)環(huán)境中多物體定位方法，其特征是可以通過理論模型，利用Friis自由空間模型建立視線距離無線信號(hào)地圖。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于信號(hào)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)環(huán)境中多物體定位方法，其特征是通過訓(xùn)練可得到視線距離無線信號(hào)地圖，利用傳統(tǒng)方法建立無線信號(hào)地圖，并在此基礎(chǔ)上利用頻率多樣性建立視線距離無線信號(hào)地圖，即在各個(gè)信號(hào)頻段上面測量接收到的信號(hào)強(qiáng)度值，然后利用頻率的多樣性得到視線距離的信號(hào)強(qiáng)度。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于信號(hào)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)環(huán)境中多物體定位方法，其特征是發(fā)射端每次發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)候在每一個(gè)信道上面都發(fā)送一定量的數(shù)據(jù)包到參考節(jié)點(diǎn)，不同的目標(biāo)物體在數(shù)據(jù)包中傳送對應(yīng)于自己的編號(hào)便于接收端的區(qū)分。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于信號(hào)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)環(huán)境中多物體定位方法，其特征是在多物體情況下，各個(gè)物體通過收到的信號(hào)強(qiáng)度值和視線距離無線信號(hào)地圖中的值進(jìn)行對t匕，得到各自的位置信息，即采用k個(gè)最近鄰居的方法來確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的具體位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于信號(hào)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)環(huán)境中多物體定位方法。本發(fā)明在多徑效應(yīng)存在的室內(nèi)情況下，只利用接收信號(hào)強(qiáng)度的信息,建立一種無線信號(hào)地圖，使之可以用來同時(shí)確定多個(gè)目標(biāo)物體的位置，并且在環(huán)境改變的時(shí)候不用重復(fù)建立地圖。本發(fā)明先進(jìn)行指紋識(shí)別信息的收集，在數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)對應(yīng)視線距離的信號(hào)強(qiáng)度值，然后在目標(biāo)物體定位階段進(jìn)行對比，通過在多條路徑中區(qū)分出視線路徑，使得到的視線信號(hào)強(qiáng)度可以直接運(yùn)用到定位當(dāng)中，提高定位的準(zhǔn)確性，并在動(dòng)態(tài)的室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行精準(zhǔn)的定位。
文檔編號(hào)G01S5/02GK102707259SQ20121019817
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者倪明選, 張滇, 郭小楠 申請人:廣州市香港科大霍英東研究院