CN102033220A - 一种室内无线定位信息融合方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内无线定位信息融合方法，包括以下步骤：1)设置至少一个固定锚点；2)采样测量运动人员在X轴、Y轴和Z轴三个方向的加速度；3)对获得的加速度进行积分运算，以获得运动人员在三个方向的瞬时速度；4)对获得的瞬时速度进行积分，以获得运动人员在三个方向的运动距离；5)利用接收的信号强度指示完成运动人员的自身定位。本发明能将测距定位和惯性定位实际结合，在无法事先预置多锚点的情况下，仍能实现室内定位的高精度，并且成本较低。

Description

一种室内无线定位信息融合方法及系统

技术领域

本发明涉及一种无线定位和多传感信息融合技术领域，特别是涉及一种室内无线定位信息融合方法及系统。

背景技术

目前的无线定位技术，其实现方法按测距算法区分主要有两个途径，一是RSSI(Received Signal Strength Indication接收的信号强度指示)，即根据无线电信号强度的衰减和传输距离的关系来测量目标与锚点之间距离，从而实现目标的定位。一是TOA或TDOA方式，就是通过无线电波到达时间和到达时间差来实现目标定位的方式，从这一方式还延伸出根据无线电波到达角度定位的方式。前一种定位方式成本低，定位精度也低，后一种方式定位精度高，但成本也高。这两种方式都依赖多锚点或稀疏锚点进行定位。无锚点定位的方式主要有惯性导航定位和无线自组网定位。总体说来，目前无线定位在室内无锚点的情况下，定位精度低，在多锚点的情况下定位精度高，但很多实际应用的情况无法事先预置锚点。

发明内容

发明目的：将测距定位和惯性定位的方法相结合，以实现在无法事先预置多锚点的情况下精确定位。

技术方案：一种室内无线定位信息融合方法，包括以下步骤：1)设置至少一个固定锚点；2)采样测量运动人员在X轴、Y轴和Z轴三个方向的加速度；3)对获得的加速度进行积分运算，以获得运动人员在三个方向的瞬时速度；4)对获得的瞬时速度进行积分，以获得运动人员在三个方向的运动距离；5)利用接收的信号强度指示完成运动人员的自身定位。

较佳的，还包括以下步骤：6)运动人员自身定位后，转变为浮猫节点，作为其他运动人员的定位参考；7)重复步骤2)至步骤6)，以实现全网定位。

较佳的，步骤4)和步骤5)之间还包括步骤40)：对运动轨迹的Z轴数据进行校正，以消除累积误差。

较佳的，步骤5)中，利用运动人员到锚点的测量距离对步骤4)中的X轴与Y轴数据进行修正。

较佳的，对X轴和Y轴数据进行修正的修正幅度以Z轴的偏离度为参照。

较佳的，步骤5)中，采用无线自组网并利用欧几里德算法完成节运动人员的自身定位。

较佳的，步骤5)中，网络中锚节点广播含自身身份和位置的信标信号，将该信号的TTL域值设置为2。

一种室内无线定位信息融合系统，包括至少一个固定的锚点，至少一个目标节点，一个具有计算功能的监控中心；所述监控中心与系统内的一个固定锚点连接；各所述目标节点包括：精确高度传感器，用于对运动轨迹的高度信息进行校正，消除累积误差；加速度采集与计算模块，用于获得各节点在X轴、Y轴和Z轴三个方向的加速度；三轴陀螺仪，用于确定各节点的运动方向；数据无线传输模块；各所述锚点包括数据无线传输模块和精确高度传感器。

较佳的，所述数据无线传输模块为433MHZ通讯模块。

较佳的，所述加速度采集与计算模块包括三轴加速度传感器。

有益效果：本发明能将测距定位和惯性定位实际结合，在无法事先预置多锚点的情况下，仍能实现室内定位的高精度，并且成本较低。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例1的硬件示意图；

图3为本发明实施例1中加速度采集数据示例；

图4为图3中X轴加速度信号自相关系数波形图；

图5为图3中Z轴加速度信号自相关系数波形图；

图6为本发明实施例1中富节点的算法示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：一种室内无线定位信息融合方法，包括以下步骤：1)设置一个固定锚点；2)以250MHZ的频率采样测量运动人员在X轴、Y轴和Z轴三个方向的加速度；3)对获得的加速度进行积分运算，以获得运动人员在三个方向的瞬时速度；4)对获得的瞬时速度进行积分，以获得运动人员在三个方向的运动距离；对运动轨迹的Z轴数据进行校正，以消除累积误差；5)利用接收的信号强度指示完成运动人员的自身定位；6)运动人员自身定位后，转变为浮猫节点，作为其他运动人员的定位参考；7)重复步骤2)至步骤6)，以实现全网定位。

以上方法通过一种室内无线定位信息融合系统实现，如图1所示，包括至少一个固定的锚点，至少一个目标节点，一个具有计算功能的监控中心；所述监控中心与系统内的一个固定锚点连接；各所述目标节点包括：精确高度传感器，用于对运动轨迹的高度信息进行校正，消除累积误差；加速度采集与计算模块，用于获得各节点在X轴、Y轴和Z轴三个方向的加速度；三轴陀螺仪，用于确定各节点的运动方向；数据无线传输模块；各所述锚点包括数据无线传输模块和精确高度传感器。

加速度采集与计算模块包括美国FREESACLE公司的MMA7260单芯片三轴加速度传感器，MCU采用TI公司的MSP430低功耗芯片，内含AD转换模块，精确高度传感器为有温度补偿的高精度气压式高度传感器，数据无线传输模块为433MHZ通讯模块。系统硬件示意图如图2所示。

本实施例中，实际测量得到的三个轴上的加速度将如图3所示，其中横轴为时间轴，其值为数据采集数量，与系统采样频率相关。

对于一个信号X(n)，n＝1，2，...，N的无偏自相关函数(AUTOCORRELATIONFUNCTION)定义为：

$R_{\mathrm{xx}}\left(m\right)=\frac{1}{N-\left|m\right|}\underset{n=1}{\overset{N-\left|m\right|}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)x(n+m),$

m为任意整数

如图4和图5所示，自相关函数R_xx提供了信号与其平移m时间后所得信号之间关联生产方式的测度，自相关函数曲线反映了信号自身的周期性和噪声水平。据此可获得每步采样周期时间区间。

根据采样周期时间区间，以X轴为例，设加速度值为A(t)，对A(t)对t进行积分运算，t为时间，则可得到即时速度SX(t)，再对SX(t)对t进行积分运算，则可得到在时间T内，人员在X轴上的移动距离LXT(t)＝l。同理，在Y轴、Z轴上可获得WYT(t)＝w、HZT(t)＝h。而点P(l，w，h)就是人员运动轨迹中M时间点上的一个位置点，这些点的集合就形成人员的运动轨迹，在必要的条件下，可通过数据存储与图形绘制显示模块集合绘制人员运动的三维运动轨迹。

对Z轴数据进行校正的算法如下：

H(n)＝0.9*HQ(n)+0.1*HZT(t)

其中HQ(n)为高度传感器在n采样点的数值，HZT(t)n采样点时根据上一位置点通过Z轴加速度两次积分后对上一位置点的高度位移。其中原理是因为高度传感器的精度很高，其测量值更具可信度。

在稀疏节点(节点数小于4)的情况下，采用RSSI无线测距功能对加速度定位信息进行融合定位，用节点到锚点的测量距离对加速度定位信息中的X轴与Y轴数据进行修正。修正幅度以Z轴偏离度为参照，算法如下：

X＝X1*(1+(Z1-Z)/Z)

Y＝Y1*(1+(Z1-Z)/Z)

在富节点(节点数大于等于4个)情况下，采用RSSI无线测距定位功能利用欧几里德算法完成节点自主定位。其流程是首先网络中锚节点广播含自身身份和位置的信标信号，并奖该信号的TTL域设置为2，即该邻村仅能传送2跳。当一个未知节点右从3个已知相互距离且与锚节点相邻的节点(已知节点通过RSSI测距获得)处接收该信号，根据欧几里德算法算出该未知节点与锚节点之间的距离。其算法如图6所示，图中B，C，D为未知节点周围的三个参考节点，A表示位置待定节点。当一个未知节点A收到信标节点B、C发出的定位信号并测距后，得到AB、AC距离，可得到两个三角形BCA1和BCA2，A1和A2是节点A的2个可能位置，当节点A收到D节点的信标信号并测距后，可得到AD距离，通过比较|AD-A1D|/A1D与|AD-A2D|/A2D大小可确定A节点位置，较小的为可能的近似位置。同时参照A节点本身加速度定位信息，修正A节点位置，算法与稀疏节点的算法相同。

当未知节点获得与3个或更多锚节点的距离后可对自己进行自身定位。自身定位后节点变为浮锚节点，为其它未知节点提供定位参考。全网定位完毕后，再启动下一轮定位操作，如此循环，以获得全网节点的实时位置信息，获得各节点，即各运动人员的位置集合PI(X，Y，Z，N)，其中N为信号采样时序值，为自然数。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (10)

1.一种室内无线定位信息融合方法，其特征是：包括以下步骤：

1)设置至少一个固定锚点；

2)采样测量运动人员在X轴、Y轴和Z轴三个方向的加速度；

3)对获得的加速度进行积分运算，以获得运动人员在三个方向的瞬时速度；

4)对获得的瞬时速度进行积分，以获得运动人员在三个方向的运动距离；

5)利用接收的信号强度指示完成运动人员的自身定位。

2.如权利要求1所述的室内无线定位信息融合方法，其特征是：还包括以下步骤：

6)运动人员自身定位后，转变为浮猫节点，作为其他运动人员的定位参考；7)重复步骤2)至步骤6)，以实现全网定位。

3.如权利要求2所述的室内无线定位信息融合方法，其特征是：步骤4)和步骤5)之间还包括步骤40)：对运动轨迹的Z轴数据进行校正，以消除累积误差。

4.如权利要求1所述的室内无线定位信息融合方法，其特征是：步骤5)中，利用运动人员到锚点的测量距离对步骤4)中的X轴与Y轴数据进行修正。

5.如权利要求4所述的室内无线定位信息融合方法，其特征是：对X轴和Y轴数据进行修正的修正幅度以Z轴的偏离度为参照。

6.如权利要求1所述的室内无线定位信息融合方法，其特征是：步骤5)中，采用无线自组网并利用欧几里德算法完成节运动人员的自身定位。

7.如权利要求6所述的室内无线定位信息融合方法，其特征是：步骤5)中，网络中锚节点广播含自身身份和位置的信标信号，将该信号的TTL域值设置为2。

8.一种室内无线定位信息融合系统，其特征是：包括至少一个固定的锚点，至少一个目标节点，一个具有计算功能的监控中心；所述监控中心与系统内的一个固定锚点连接；

各所述目标节点包括：

精确高度传感器，用于对运动轨迹的高度信息进行校正，消除累积误差；

加速度采集与计算模块，用于获得各节点在X轴、Y轴和Z轴三个方向的加速度；

三轴陀螺仪，用于确定各节点的运动方向；

数据无线传输模块；

各所述锚点包括数据无线传输模块和精确高度传感器。

9.如权利要求8所述的人员运动轨迹跟踪装置，其特征是：所述数据无线传输模块为433MHZ通讯模块。

10.如权利要求9所述的人员运动轨迹跟踪装置，其特征是：所述加速度采集与计算模块包括三轴加速度传感器。

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