CN102288937B

CN102288937B - 一种基于测距的定位修正方法

Info

Publication number: CN102288937B
Application number: CN201110225464.9A
Authority: CN
Inventors: 徐杨; 成东峻; 郭翔; 俞靖; 黎建辉; 王楠; 马磊
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-08-08
Filing date: 2011-08-08
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2031-08-08
Also published as: CN102288937A

Abstract

本发明公开了一种基于测距的定位修正方法。本发明包括：1)通过实验获得测距误差的分布情况；2)在每次测距过程中，根据误差分布估算有误差的距离测量值所对应的实际距离值的可能范围；3)根据目标节点和其他若干节点之间的实际距离的可能范围进行定位，算出目标节点的实际位置的一个可能范围；4)若该可能范围不大于预期值，则取该可能范围的中心为定位结果；否则利用目标节点与其他节点的测距结果重复步骤3），直到得出目标的实际位置的3组可能范围；5)由各可能范围估算出实际位置的可能范围，取该可能范围的中心为目标节点的修正后位置。本发明具有运算量增加不大，不需要进行额外的测距，修正后定位精度高的特点。

Description

一种基于测距的定位修正方法

技术领域

本发明涉及到区域相对定位技术领域，针对基于测距的无固定参考节点定位提出了一种修正方法。

背景技术

基于测距的无参考节点定位不需要事先安放固定节点，而是根据节点分布自动选取若干合适的节点形成参考坐标系，具有系统设备少，无使用条件限制，定位精度高等特点，尤其适用于野外大量离散节点的定位以及各种突发情况下的人员、物资定位。

然而，在大量离散节点的基于测距的无参考节点定位中，目标节点的定位误差与选定的坐标系以及目标节点的位置有很大关系，在一些情况下，该定位误差可能突然增大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，针对基于测距的无参考节点定位提出了一种修正方法。

一种基于测距的定位修正方法的步骤如下：

1)在定位开始之前先通过大量实验测得测距误差的分布情况；

2)开始定位后，在每次测距过程中，根据之前测得的误差分布估算该次测得的有误差的距离值所对应的实际距离值的可能范围；

3)根据目标节点和其他若干节点之间的实际距离的可能范围进行定位，算出目标节点的实际位置的一个可能范围；

4)若该可能范围小于等于预期值，则认为此次测量定位过程在统计意义上是足够准确的，不需要继续修正，直接取该范围的中心的位置为定位结果，结束定位修正方法；若该可能范围大于预期的值，则认为此次定位的结果有很大可能不够准确，利用目标节点与其他节点的测距重复步骤3），直到得出目标的实际位置的3组可能范围；

5)由各个可能范围的公共部分估算出实际位置的可能范围，认为该可能范围的中心为目标节点的修正后位置。

所述的步骤2)具体为：a)由事先实验可知，在一定距离内，本发明所用测距方法的测距误差可以认为是落在区间[-Δ,Δ]之间的随机数，与实际距离无关，故有误差的距离测量值x所对应的实际距离的可能范围为[x-Δ,x+Δ]；

所述的步骤3）包括以下步骤：

b)设由不共线节点A、B、C构成坐标系，其中，A为坐标原点，B为x轴正半轴上一点，C点所在位置认为是该坐标系的x轴上方。三点间的互相距离AB、BC、AC已测得。

c)记目标节点为D，到A、B、C三点的距离测量值分别是AD、BD、CD，若不考虑A、B、C三点间的测距误差，仅考虑D点到其他节点的测距误差，则当AB、AD各自分别取到最大值和最小值时定位误差最大，且可能的真实位置分布在一个变形的菱形区间内，设四个顶点分别为(x_min,y₁)(x₁,y_min)(x_max,y₂)(x₂,y_max)。为了计算方便，可用一个大一些的矩形代替该菱形，其四边分别为x=x_min、x=x_max、y=y_min和y=y_max，此四个值分别在(AD,BD)取(AD-Δ,BD+Δ)、(AD+Δ,BD-Δ)、(AD-Δ,BD-Δ)以及(AD+Δ,BD+Δ)时取得。

所述的步骤4)具体为：若该可能范围大于预期值，利用目标节点与其他节点的测距重复步骤3），如步骤b）中所设，测得DA、DB、DC，其中任意两个均可得出步骤c)中的矩形，记DA、DB所得矩形为S1，记DB、DC所得矩形为S2，记DC、DA所得矩形为S3。

所述的步骤5)具体为：若可能范围S1、S2、S3有公共部分，则认为该公共部分的中心为目标节点的修正后位置，若其中有两个可能范围不相交，不妨设为S1、S2，则取S1、S2之间的部分为其公共部分，然后根据此公共部分与S3的公共部分的中心为目标节点的修正后位置。

本发明具有运算量增加不大，不需要进行额外的测距，修正后定位精度高的特点。

附图说明

图1是选择参考坐标以及确定目标节点实际位置的可能范围的示意图。

图2是由三个可能范围得到一个更小的可能范围的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。本发明方法的步骤如下：

步骤2）所述在每次测距过程中，根据之前测得的误差分布估算该次测得的有误差的距离值所对应的实际距离值的可能范围,步骤为：

a) 由事先实验可知，在一定距离内，本发明所用测距方法的测距误差可以认为是落在区间[-Δ,Δ]之间的随机数，与实际距离无关，故有误差的距离测量值x所对应的实际距离的可能范围为[x-Δ,x+Δ]；

步骤3）所述根据目标节点和其他若干节点之间的实际距离的可能范围进行定位，算出目标节点的实际位置的一个可能范围,步骤为：

b)如图1，由不共线节点A、B、C构成坐标系，其中，A为坐标原点，B为x轴正半轴上一点，C点所在位置认为是该坐标系的x轴上方。三点间的互相距离AB、BC、AC已测得。

c)如图1，记目标节点为D，到A、B、C三点的距离测量值分别是AD、BD、CD，若不通过本发明进行修正，则节点D的x坐标为x=(AB²+AD²-BD²)/(2AB),y坐标为y=±(AD²-x²)^0.5，由以上公式可知，若不考虑A、B、C三点间的测距误差，仅考虑D点到其他节点的测距误差，则当AB、AD各自分别取到最大值和最小值时定位误差最大，且可能的真实位置分布在一个变形的菱形区间内，设四个顶点分别为(x_min,y₁)(x₁,y_min)(x_max,y₂)(x₂,y_max)。为了计算方便，用一个大一些的矩形代替该菱形，其四边分别为x=x_min、x=x_max、y=y_min和y=y_max，此四个值分别由(AD,BD)取(AD-Δ,BD+Δ)、(AD+Δ,BD-Δ)、(AD-Δ,BD-Δ)以及(AD+Δ,BD+Δ)时取得。

步骤4）所述，若该可能范围小于等于预期值，则认为此次测量定位过程在统计意义上是足够准确的，不需要继续修正，直接取该范围的中心的位置为定位结果；若该可能范围过大，则认为此次定位的结果有很大可能不够准确，利用目标节点与其他节点的测距重复步骤3），直到得出目标的实际位置的3组可能范围，步骤为：

d)如图2，测得DA、DB、DC，其中任意两个均可得出步骤c)中的矩形，记DA、DB所得矩形为S1，记DB、DC所得矩形为S2，记DC、DA所得矩形为S3。

步骤5）所述，由各个可能范围的公共部分估算出一个小于预期值的实际位置的可能范围，认为该可能范围的中心为目标节点的修正后位置。步骤为：

e)如图2，设三个矩形的12条边中，与x轴平行的边分别为x=x₀、x=x₁、x=x₂、x=x₃、x=x₄、x=x₅，与y轴平行的分别为y=y₀、y=y₁、y=y₂、y=y₃、y=y₄、y=y₅，且有x₀≤x₁≤x₂≤x₃≤x₄≤x₅且y₀≤y₁≤y₂≤y₃≤y₄≤y₅,考虑到S1、S2、S3有不相交的可能，取x=x₂、x=x₃、y=y₂、y=y₃所围矩形为公共部分，即定位结果为x_D=(x₂+x₃)/2，y_D=(y₂+y₃)/2。

实施例

对于nanoLOC公司的基于chirp信号的测距开发板，经试验可知，在零到一百米范围内，经自适应滤波后的测距结果，其绝对误差90%以上的概率落在区间[-1,1]内，且统计结果表现为该区间内的随机数，近似满足几何分布。

2)开始定位后，在每次测距过程中，根据之前测得的误差分布估算该次测得的有误差的距离值所对应的实际距离值的可能范围,也就是说，若测得距离为x米，则实际距离的可能范围为[x-1，x+1]米；

如图1，由不共线节点A、B、C构成坐标系，其中，A为坐标原点，B为x轴正半轴上一点，C点所在位置认为是该坐标系的x轴上方。三点间的互相距离AB、BC、AC已测得。记目标节点为D，记D点到A、B、C三点的距离测量值分别是AD、BD、CD，若不通过本发明进行修正，则节点D的x坐标为x=(AB²+AD²-BD²)/(2AB),y坐标为y=±(AD²-x²)^0.5，其中y的正负可有节点D到节点C的距离得出。因此，用此公式定位至少需要3个距离测量值。由以上公式可知，若不考虑A、B、C三点间的测距误差，仅考虑D点到其他节点的测距误差，则当AB、AD各自分别取到最大值和最小值时定位误差最大，且可能的真实位置分布在一个变形的菱形区间内，设四个顶点分别为(x_min,y₁)(x₁,y_min)(x_max,y₂)(x₂,y_max)。为了计算方便，用一个大一些的矩形代替该菱形，其四边分别为x=x_min、x=x_max、y=y_min和y=y_max，这四个值分别在(AD,BD)取(AD-1,BD+1)、(AD+1,BD-1)、(AD-1,BD-1)以及(AD+1,BD+1)时取得。即：

x_min=(AB²+(AD-1)²-(BD+1)²)/(2AB), x_max=(AB²+(AD+1)²-(BD-1)²)/(2AB)。

y_min=±((AD-1)²-((AB²+(AD-1)²-(BD-1)²)/(2AB))²)^0.5，

y_max=±((AD+1)²-((AB²+(AD+1)²-(BD+1)²)/(2AB))²)^0.5。

4)对实验选定的节点进行修正，利用目标节点与其他节点的测距重复步骤3），直到得出目标的实际位置的3组可能范围，为了不引入更多测量，分别利用(BD,CD)以及(CD,AD)得出以BC和CA为参考坐标系时的目标的实际位置的可能范围，在通过坐标变换将其变换至统一的参考坐标系内。

5)由各个可能范围计算出一个足够小的实际位置的可能范围，认为该可能范围的中心为目标节点的修正后位置。如图2，设三个矩形的12条边中，与x轴平行的边分别为x=x₀、x=x₁、x=x₂、x=x₃、x=x₄、x=x₅，与y轴平行的分别为y=y₀、y=y₁、y=y₂、y=y₃、y=y₄、y=y₅，且有x₀≤x₁≤x₂≤x₃≤x₄≤x₅且y₀≤y₁≤y₂≤y₃≤y₄≤y₅,考虑到S1、S2、S3有不相交的可能，取x=x₂、x=x₃、y=y₂、y=y₃所围矩形为公共部分，即定位结果为x_D=(x₂+x₃)/2，y_D=(y₂+y₃)/2。

Claims

1.一种基于测距的定位修正方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1)在定位开始之前先通过大量实验测得测距误差的分布情况；

步骤2)开始定位后，在每次测距过程中，根据之前测得的误差分布估算该次测得的有误差的距离值所对应的实际距离值的可能范围；

步骤3)根据目标节点和其他若干节点之间的实际距离的可能范围进行定位，算出目标节点的实际位置的一个可能范围，该可能范围为一矩形区域，具体是：

3-1)设由不共线节点A、B、C构成坐标系，其中，A为坐标原点，B为x轴正半轴上一点，C点所在位置认为是该坐标系的x轴上方，三点间的互相距离AB、BC、AC已测得；

3-2)记目标节点为D，到A、B、C三点的距离测量值分别是AD、BD、CD，若不考虑A、B、C三点间的测距误差，仅考虑D点到其他节点的测距误差，则当AB、AD各自分别取到最大值和最小值时定位误差最大，且可能的真实位置分布在一个变形的菱形区间内，设四个顶点分别为(x_min,y₁)(x₁,y_min)(x_max,y₂)(x₂,y_max)；用一个矩形代替该菱形，其四个顶点的坐标分别为(x_min,y_min)(x_max,y_min)(x_max,y_max)(x_min,y_max)，此四个值分别在(AD,BD)取(AD-Δ,BD+Δ)、(AD+Δ,BD-Δ)、(AD-Δ,BD-Δ)以及(AD+Δ,BD+Δ)时取得，其中Δ为测距误差；

步骤4)若该可能范围小于等于预期值，则认为此次测量定位过程在统计意义上是足够准确的，不需要继续修正，直接取该范围的中心的位置为定位结果，结束定位修正方法；若该可能范围大于预期的值，则认为此次定位的结果有很大可能不够准确，利用目标节点与其他节点的测距重复步骤3），直到得出目标的实际位置的3组可能范围；

步骤5)由各个可能范围的公共部分估算出实际位置的可能范围，认为该可能范围的中心为目标节点的修正后位置。