CN101561487B - 一种室内空间定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内空间定位方法，该方法是基于无线传感器网络节点测距的。其特征是，建立室内的局部空间坐标系，并将锚节点沿坐标系方向部署；基站节点根据锚节点间的测距值和真实值为每个锚节点建立“锚节点ID-测距补偿曲线系数”信息表，并利用该表对未知节点和锚节点的测距值进行测距补偿；当某个坐标方向上确定一组(2个)定位锚节点后，计算该未知节点在该坐标方向上的投影值，当有多组锚节点时对这些投影值加权平均作为未知节点在该坐标方向上的分量值；三个坐标方向上的分量值构成该未知节点的空间坐标值。该发明提高了测距的精度，空间定位算法简单，易于室内对移动物体的高精度空间定位的实现，节约了成本。

Description

一种室内空间定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于无线传感器的用于室内的空间定位算法，该算法是基于无线传感器节点测距的，定位精度与锚节点的部署位置和未知节点的测距精度有关，在满足一定条件下可以达到厘米级别。该算法特别适合于大型厂矿内移动货物的定位与跟踪。

背景技术

现阶段定位技术应用得比较成熟的是GPS定位系统，它具有定位精度高、覆盖范围广等优点，被广泛的应用于军事和民用领域。但是针对室内的定位，由于建筑物的遮挡等因素使得接受到的信号极其微弱，导致定位精度无法达到室外的水平。虽然A-GPS技术能在一定程度上解决这个问题，但仍然避免不了需要安装GPS接收机，硬件成本较高的问题，不适合室内局部空间的精确定位。

针对这一问题，专用于室内无线定位的技术有：红外线定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、无线传感器定位技术等。其中红外线定位技术是通过光学传感器接受经调制的红外射线实现定位，其最大缺点是直线视距和传输距离较短，不适合室内大空间的移动物体定位。

超声波定位技术是通过反射式的超声波测距法，利用三角定位算法来对目标物体进行定位。该系统通常由若干个应答器和一个主测距器，主测距器被放置在移动待定位物体上，并在控制信息控制下位置固定的应答器发射超声波，应答器接受到超声波并立即产生一个回波，根据回波与发射波之间的时间差计算出距离。也有少数采用单向测距法，即主测距器发送无线电信号，应答器在接受到无线点信号后向主测距器发送超声波信号。虽然超声波定位技术精度较高，但也存在非视距和多径干扰对其精度的影响，同时硬件成本较高。

蓝牙技术是一种短距离、低功耗的无线传输技术，通过测量信息强度进行定位。蓝牙技术主要应用在小范围的定位，其最大的优点是设备体积小，易于集成。其缺点是蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，受环境噪声的影响较大，遇到复杂的空间环境，系统的稳定性不能保证。

无线传感器定位技术是一种新型的短距离、低功耗、低速率的无线网络技术。它是通过成百上千个微小的传感器节点通过相互合作和接力的方式将数据通过无线电波从一个传感器传递到另一个传感器节点，从而避免了非视距的影响，同时它最大的特点是低功耗和低成本，因此特别适合于室内定位。但是该技术的测距值往往不够精确，特别是用在工厂等复杂环境中受噪声影响较大，最后导致定位精度较低。通过增加相应的硬件如天线阵列可以提高测距精度，但是增加了每个传感器节点的硬件成本，特别在部署大规模传感器网络时成本问题显得尤为突出。如果在这种测距精度较低的情况下要对未知节点进行较高高精度的空间定位，采用随机部署传感器节点并利用传统的定位方法来进行定位将是非常困难和复杂的，这对于计算能力、存储能力以及能量均受限的传感器节点来说是一种挑战。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种室内高精度空间定位方法。该方法是基于无线传感器测距的，并且定位精度与测距精度有关。解决了无法非视距传输、无线传感器节点测距精度低、定位精度低、空间定位较复杂的问题。

本发明解决该技术问题所采取的技术方案如下：

通过局部空间各个锚节点间的真实距离和测距距离关系建立测距补偿函数，利用该函数对未知节点与锚节点间的测距值进行补偿，提高了测距的精度。通过将各个锚节点沿坐标轴方向部署，求未知节点的空间坐标时只需将其映射到由不同锚节点组成的沿三个坐标方向的直线上即可，定位算法变得简单。而且定位精度与测距精度相关联，通过测距补偿得到的高精度测距值也保证了定位的高精度，同时也可以通过其它方式来提高测距精度来实现定位的高精度，具有一定的灵活性。当沿坐标方向部署多组锚节点时使用加权质心算法对定位坐标进行求精，进一步提高了定位精度。

本发明的有益效果是该定位方法适合于无线传感器的室内空间定位，由于无线传感器的测距精度往往不高，本发明，大大提高了测距精度，降低高精度测距对硬件的要求，使得诸如RSSI等测距方法也能获得较高的精度。与其他空间定位算法相比，由于锚节点的规则部署，大大降低了定位算法的复杂度，使得空间定位算法应用在计算能力、存储能力和能量均受限的无线传感器节点中变得可能。通过多组锚节点利用加权质心算法进行定位求精，保证了最终定位的高精度。

附图说明

附图1是局部空间节点部署示例图。

附图2是定位流程图。

S：代表局部空间直角坐标系xoy；

B：基站节点；

N_xmn，N_ymn，N_zmn：分别表示x，y，z坐标上编号为mn的锚节点；

M：移动未知节点；

具体实施方式

下面结合附图说明对本发明作进一步的详细描述。

具体包括以下步骤：

(1)如图1为待定位的局部空间建立三维直角坐标系O-xyz，即要确定坐标原点位置，x轴、y轴、z轴的方向。水平平面作为xoy平面，竖直方向作为z轴方向。

(2)根据局部空间环境选择与三个坐标方向平行的至少三条线段，在这些线段上部署锚节点，每条线段上至少部署2个锚节点。并保证未知节点与各个线段的最远点的距离在传感器节点的通信范围之内。

(3)在局部空间的中心区域放置基站节点，用于存储整个空间内锚节点的测距补偿信息。如果局部空间过大，可以放置多个功能和存储内容均相同的基站节点，保证其通信范围覆盖未知节点的可能的运行区域

(4)各个锚节点在本地测距与其他锚节点的测距值，然后计算实际距离值，作差得到测距补偿值，并加上对应的锚节点ID得到一个本地“锚节点ID-测距值-补偿值”列表，存储在本地。

(5)各个锚节点广播自己的本地“锚节点ID-测距值-补偿值”列表，基站节点接受所有的锚节点的列表值，按锚节点ID值归类排序并存储。

(6)基站节点将锚节点ID相同的列表条目取出，以测距值为自变量、补偿值为因变量拟合成一条曲线，取曲线的系数以及对应锚节点ID组成一条记录，对所有锚节点得到一个“锚节点ID-测距补偿曲线系数”的列表，存储在基站节点中。

(7)未知节点进入该定位局部空间后，发送请求信息以请求基站的“锚节点ID-测距补偿曲线系数”列表数据，基站广播该数据，未知节点接受并存储该信息。

(8)未知节点在某一个预设的时间间隔内收到该局部空间内的多个锚节点信号，按照”锚节点ID-锚节点坐标-与锚节点测距值”格式临时存储这些信息，并对测距值进行测距补偿，具体方法如下：

根据锚节点ID查找存储在本地的“锚节点ID-测距补偿曲线系数”列表，找到对应ID的锚节点测距补偿曲线的系数，生成一个曲线函数，带入测距值得到一个测距补偿值，与当前测距值相加得到最终的测距值。更新”与锚节点测距值”的值，当对所有节点用该步骤处理后得到一个”锚节点ID-锚节点坐标-最终测距值”的列表。由该列表中的所有锚节点构成一个集合P。

(9)从集合P中选取三个坐标方向上的定位锚节点组，具体选取方法如下：

从集合P中分别找出x，y，z坐标方向上同一直线上的点的集合，同一坐标方向可能有多条由锚节点构成的直线，由这些直线构成了该坐标方向上的一个集合。一共得到三个集合X，Y，Z，其中每个集合中的元素即为该坐标方向上某一条直线上的点的集合。三个集合记作：

$A=\left\{\right\{N_{a_1{b}_1},N_{a_1{b}_2}\mathrm{\Λ}{N}_{a_1{b}_m}\},\{N_{a_2{b}_1},N_{a_2{b}_2}\mathrm{\Λ}{N}_{a_2{b}_n}\left\}\mathrm{\Λ}\right\},$ 其中A∈{X，Y，Z}。

某一坐标方向有集合A，依次取出该集合中的元素记为：

对节点按该坐标方向的分量值升序排序，并加入节点的最终测距值，构成有序对 $A_i^{\′}=((N_{a_i{b}_1^{\′}},c_{i1}),(N_{a_i{b}_2^{\′}},c_{i2}),\mathrm{\Λ}(N_{a_i{b}_j^{\′}},c_{\mathrm{ij}})),$ 其中c_ij为锚节点

到未知节点的经测距补偿后的值，并构成序列c＝(c_i1，c_i2，Λc_ij)。若序列c中的值递增或递减，选取最终测距值最小的两个点作为一个计算节点组，如非单调递变，找到中间突变的两个点作为两个基准点，分别向两边同时前进，计算测距差值并找到差值最小的两个点作为该坐标方向上该条直线上用于定位的锚节点组。最终，a坐标方向上的定位锚节点组集合记为： $\mathrm{Group}\left(p\right)=\{N_{a_1{b}_i},N_{a_1{b}_j}\},(N_{a_2{b}_k},N_{a_2{b}_l})K\},$ p∈{x，y，z}；i，j，k，l∈N^*，集合中的每个元素

表示与a坐标方向平行的直线a_m上的节点ID分别是b_i，b_j的两个锚节点。

(10)根据三个Group集合Group(x)、Group(y)、Group(z)计算未知节点的空间坐标位置，具体计算方法如下：

对Group(p)中每个元素即定位锚节点组

根据锚节点的已知坐标(设在p坐标方向上的分量值为p₁，p₂)、未知节点对其最终测距分别为c₁，c₂，将未知节点映射到两个锚节点所在的直线上，该映射点的的该坐标方向上的分量值为未知节点的该坐标方向上的分量值，计算公式为： $p=\frac{c_1^2-c_2^2}{2(p_1-p_2)}+\frac{p_1+p_2}{2}.$

求出该未知节点三个坐标方向上的坐标分量值，构成未知节点在该时间间隔内该局部空间的坐标位置。

Claims (5)

1.一种用于室内的空间定位方法，该方法是基于测距的；其特征在于，该方法主要包括以下步骤：

(1)为待定位的室内局部空间(S)建立三维直角坐标系O-xyz，并部署锚节点(N)、基站节点(B)，其中锚节点(N)是沿坐标方向部署的；

(2)基站节点(B)为局部空间(S)内的所有锚节点(N)建立测距补偿曲线，得到“锚节点ID-测距补偿曲线系数”列表，并存储于基站节点(B)中；

(3)未知节点(M)选取该局部空间(S)的三个坐标方向上的锚节点(N)作为定位锚节点；测距与各个定位锚节点的距离值，利用(2)中的“锚节点ID-测距补偿曲线系数”列表的数据，对这些测距值进行补偿，得到最终的测距值；

“锚节点ID-测距补偿曲线系数”列表生成步骤如下：

(1)各个锚节点(N)在本地测距与其他锚节点(N)的距离值，然后计算真实距离值，用真实值减去测距值得到一个测距补偿值，并加上对应的被测锚节点ID构成一条记录；当对其他所有锚节点(N)这样处理后，在本地锚节点中建立一个“被测锚节点ID-测距值-补偿值”列表并存储；

(2)各个锚节点(N)广播自己的本地“被测锚节点ID-测距值-补偿值”列表，基站节点(B)接受所有的锚节点(N)的列表值，按锚节点ID顺序排序并存储；

(3)基站节点(B)将被测锚节点ID相同的列表记录取出，以测距值为自变量、补偿值为因变量拟合成一条曲线，取被测锚节点ID以及曲线的系数组成一条记录，对所有锚节点(N)这样处理得到一个“锚节点ID-测距补偿曲线系数”的列表，存储在基站节点(B)中；

(4)在每个坐标方向上选择一组或多组定位锚节点组，利用定位算法计算出各个坐标方向上的分量值，从而构成了该未知节点(M)某时刻在该局部空间(S) 的坐标值。

2.根据权利要求1中所述的空间定位方法，其特征在于：锚节点(N)是沿坐标方向部署的，即沿着平行于坐标轴的直线部署，每条直线上至少部署2个锚节点(N)；每条直线上部署多个锚节点(N)，同时同一个坐标方向也可以形成多条直线。

3.根据权利要求1中所述的空间定位方法，其特征在于：测距值的补偿方法如下：未知节点进入局部空间并从基站节点获取到“锚节点ID-测距补偿曲线系数”列表数据；当未知节点(M)测距与一个锚节点之间的测距值后，根据锚节点ID查找存储在本地的“锚节点ID-测距补偿曲线系数”列表，找到该锚节点的测距补偿曲线的系数，生成一个曲线函数，带入测距值得到一个测距补偿值，与测距值相加得到最终的测距值。

4.根据权利要求1中所述的空间定位方法，其特征在于，用于定位的锚节点选取步骤如下：

(1)未知节点(M)在某个时间间隔内接受到局部空间(S)内某些锚节点的位置信息，由这些锚节点构成集合P；

(2)从集合P中分别找出与x，y，z坐标方向平行的同一直线上的锚节点集合，从中选出平行于同一坐标方向的集合构成一个集合，一共得到三个集合X，Y，Z，三个集合中的元素即为该坐标方向上某一条直线上的锚节点集合；三个集合记作： 

其中A∈{X，Y，Z}；

(3)某一坐标方向对应集合A，依次取出该集合中的元素记为： 对这些锚节点按该坐标方向的分量值升序排列，并加入未知节点(M)对其的最终测距值，构成有序对 

其中c_ij为锚节点 

到未知节点 (M)的经测距补偿后的值，由这些值构成序列c＝(c_i1，c_i2，…c_ij)；若序列c中的值递增或递减变化，选取值最小的两个节点作为该坐标方向该直线的定位锚节点组，若非单调递变，找到中间突变的两个点作为两个基准点，分别向两边同时前进，计算测距差值并找到差值最小的两个锚节点作为该坐标方向该直线上用于定位的锚节点组；

(4)对各个坐标方向上的每条直线应用(3)中的方法确定一个用于定位的锚节点组，各坐标方向上所有直线所确定的定位锚节点组构成的集合为该坐标方向的定位锚节点集合。

5.根据权利要求1中所述的空间定位方法，其特征在于，定位算法为：对于某一个坐标方向上的定位锚节点集合，取集合中的每一个定位锚节点组，根据该组两个锚节点的已知坐标、最终测距值将未知节点(M)映射到两个锚节点所在的直线上，映射点的该坐标方向上的分量值为未知节点(M)的该坐标方向上的分量值；求出该未知节点(M)三个坐标方向上的坐标分量值，构成未知节点(M)在该局部空间(S)的坐标位置。 

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