CN102707259A - 基于信号强度的动态环境中多物体定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于信号强度的动态环境中多物体定位方法。本发明在多径效应存在的室内情况下，只利用接收信号强度的信息,建立一种无线信号地图，使之可以用来同时确定多个目标物体的位置，并且在环境改变的时候不用重复建立地图。本发明先进行指纹识别信息的收集，在数据库中存储对应视线距离的信号强度值，然后在目标物体定位阶段进行对比，通过在多条路径中区分出视线路径，使得到的视线信号强度可以直接运用到定位当中，提高定位的准确性，并在动态的室内环境中进行精准的定位。

Description

基于信号强度的动态环境中多物体定位方法

技术领域

本发明涉及一种利用信号强度测距技术的在动态环境中进行多物体定位的方法。该方法利用接收到的信号强度，建立视线路径（Line-of-sight）的无线信号地图（radio map），从而可以在动态环境中对多个物体进行分别定位。本发明属于无线通信及计算机科学技术领域。 

背景技术

基于接收信号强度的测距和定位技术在近几年得到了广泛的关注。其主要方法是基于信号强度的大小来得到相应的距离信息。 

现有的基于信号强度的定位技术主要就是基于接收到的信号强度和距离的关系。理论上来说，信号强度和距离是成一定比例关系的，一般随着距离的增大，信号强度也随之减小。通过对信号强度的测量可以得到发射信号源和接受信号源之间的距离。例如，如果知道物体和三个已知位置的距离就可以用三角定位确定物体的位置，这种方法叫做三角定位。 

与其他定位技术相比，基于信号强度的定位技术有很多自己的优势。它需要很少的硬件支持，而且可以应用在无线节点设备上。一般来说基于信号强度的方法可以分为两大类：第一类是依靠建立无线信号地图（radio-map）；第二类是不建立无线信号地图的方法。在第一类方法中，其基本思想是先建立一种在接收到的信号强度和位置信息之间的一种对应关系，该方法在实验区域划分一些小的子区域，然后在各个区域测量从不同发射装置接收到的信号强度值， 然后在定位的时候，目标物体可以将自己接收到的信号强度在提前建立好的无线信号地图中找到与之对应的位置。我们将建无线信号地图的部分称为离线训练（off-line training），而寻找定位物体的位置对应关系我们称为在线定位（online localization）。 

然而，这种方法有其自身的局限性。首先，传统的基于无线信号地图的方法很难定位多个物体。因为在实际的室内环境中，信号的传输会受到多径现象的影响。多径现象是指传输的无线信号到达接收方经过了两条或者多条路径，因为实际环境中（尤其是室内环境中）有许多的物品，如楼房，桌子，墙壁，甚至空气中的悬浮颗粒，都会使无线信号反射或折射。所有的路径可以分为两大类，一种是视线距离路径，是传送放到接收方的直线距离；另一种是非视线距离路径。在实际环境中，传统的接收信号强度实际上是多个路径信号的一个组合叠加。根据不同路径到达的信号通常会有不同的相位，因此在接收方会起到加强或者减弱信号的效果。当有多个物体出现时，我们仍将在不同的位置收集信号强度的信息并储存在信号地图中，但是由于多径现象的影响，不同数量的目标物体在不同的位置会产生不同的多径信号。因此，接收到的信号总和经常是不同的。所以，当目标物体个数是未知的时候，建立这样一个基于多物体的无线信号地图几乎是不可能的。 

其次，大多数传统的基于无线信号地图的定位方法都假设一种静态的环境。但是实际情况中环境会发生一定的改变，主要是由于多个物体的出现和内部陈设的变化引起的，所以环境的改变也会产生不同的多径信号信息并影响信号强度的值。因此，每当环境改变的时候，传统的方法就需要大量的在线训练经行校准。 

本发明的视线距离无线信号地图可以有效的解决多物体的室内定位方法。经检索，有以下发明专利申请具有与本发明相似特征： 

申请号为201110373217.3， 申请日为2011年11月22日的国内发明专利公开了一种基于物理层的无线网络室内定位的实现方法及其装置，该方法基于物理层的正交频分复用平台获取目标节点的多个子载波的信道状态信息，计算各个目标节点和参考节点的距离进而得到具体的位置。本发明是基于传感器进行定位，并且结合无线电波地图得到目标物体的位置，可以同时确定多个物体的位置。

申请号为201110350390.1 申请日为2011年11月09日的国内发明专利公开了一种基于无线网络信道状态信息的室内定位方法，该技术基于正交频分复用技术,收集精细的物理层的各个子载波信道信息并进行预处理。其次, 将处理后的信道信息作为参考位置点的指纹标识信息, 从而帮助搭建包括各个参考位置点的指纹信息的无线电波地图。本发明在收集指纹标识信息的时候进行预处理，只存储视线距离的指纹标识信息，这样可以有效的在动态环境中保证不缺失大量的精度。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是，在多径效应存在的室内情况下，只利用接收信号强度的信息, 建立一种无线信号地图，使之可以用来同时确定多个目标物体的位置，并且在环境改变的时候不用重复建立地图。本发明从两个方面解决了利用无线信号地图经行室内定位所存在的问题。首先，本发明在环境改变的情况下（比如室内陈设的改变），不用通过重复收集指纹标识信息建立新的地图。其次，当室内有多个物体存在的时候本发明所设计的方法也可以同时将多个目标物体精准定位出来。 

为了解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下： 

首先，室内多径的变化主要是由环境的改变和室内的陈设变化造成的，一些原本存在的非视线路径消失的同时也有一些新的非视线路径出现。同理，当室内有多个物出现的时候，新增加的物体对非视线路径也产生了很大的影响。在本发明中，我们将参考节点放在适当的位置，可以保证陈设变化和多物体的出现不会阻碍视线路径。

本发明通过分离视线距离信号强度，并建立相应的地图可以达到对多物体的定位。 

第一步是建立视线距离信号地图。在本发明中，整个定位的区域被分成若干个子区域，如大小为1m *1m的子区域，每个区域在屋顶有参考节点作为接收端，而目标节点作为发射端。本发明可以通过两种方法进行视线距离无线信号地图的建立：第一种是通过理论模型来建立相应的地图，第二种是通过在线实验训练的结果。通过两种方法都可以得到视线距离信号地图。 

第二步就是进行多物体的定位，每一个目标物体都是发射端，参考节点作为接收端。发射端每次发送数据包的时候在每一个信道上面都发送一定量的数据包到参考节点，例如，Telosb 节点一共可以转换16个不同的信道。不同的目标物体在数据包中传送对应于自己的编号便于接收端的区分，然后在接收端对收到的信号进行处理，从而可以根据不同的节点编号分别给出目标物体的具体位置。 

本发明在得到视线距离地图以后，将所得的数据存到数据库中，然后在需要得到目标节点位置的时候我们将收到的视线距离信号和数据库中的值进行对比。在本发明的视线距离无线信号地图中，每一个矩阵中存储了三个参考节点的视线距离信号值。本发明采用k个最近邻居的方法来确定目标节点的具体位置。在定位过程中，目标节点都作为无线信号的发射方，参考节点都作为信号的接收方。我们把需要定位的区域分为t个子区域，参考节点的数目为q。并且对于每一个目标节点来讲，它的信号强度向量可以表示为 

,其中

表示第i个参考节点收到目标节点的信号强度,i的范围是1到q。在每一个子区域j中，我们的无线信号地图向量表示为

，其中

表示在子区域j中参考节点i收到的视线距离的无线信号强度的大小。最后我们计算欧几里得距离得到最终的结果。 

本发明是一种基于信号强度的动态环境中多物体定位方法，能达到的有益效果如下： 

（1）实现在室内环境下的，对多个物体的同时精准定位；

（2）在环境改变时不用重复建立无线信号地图，提高定位效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

图1为基本原理示意图。 

图2为多径示意图。 

图3系统定位流程示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

如图1所示，本发明区别于传统无线信号地图的定位方法主要是在于数据库里面存储的数据。传统的无线信号地直接在无线信号地图中存储收集来自各个参考节点的信号强度。本发明将收到的信号强度进行处理，利用频率的多样性从多径中分离出视线距离信号存储到数据库中建立视线距离无线信号地图。 

如图2所示，。在多物体定位中，多个物体之间互相影响，造成利用传统的无线信号地图来进行定位十分困难，主要在于罗列出各个不同数目物体的组合是不现实的。这种影响主要是来自于物体之间改变了原有的非视线距离的信号传输路径。同理，当环境发生了变化，特别是室内陈设发生变化的时候，主要也是对非视线距离信号的传输路径造成了影响。 

如图3所示，本发明提出的在动态环境下室内定位多物体的方法主要流程如下：首先确定建立无线信号地图的方法，可以通过理论值或者通过在线训练两种方法得到。 

第一种方法利用了Friis 自由空间模型，该模型表述了在自由空间中接收方和发送方的数学描述如下： 

       （1）

其中，

表示接收到的信号强度， 

表示发射的信号强度，可以由用户设定信号强度的大小；

分别表示接收端和发射端的天线增益，其值可以从电线用户手册中得到。

表示波长，

表示发射和接收方之间的距离。参考节点的位置是固定的，所以发射和接收方之间的距离是可以得到的。这样建立信号地图的好处是不用耗费大量的时间去人为建立，而且可以精准的得到视线距离的信号。

第二种方法通过训练得到视线距离的信号，其步骤和传统的信号地图的建立类似。不同之处在于本发明在各个信号频段上面测量接收到的信号强度值，然后利用频率的多样性得到视线距离的信号强度。 

频率多样性是指给定一个固定的发射信号强度，当工作在不同的频率上，接收方收到的信号强度会有一定的差异。这种现象也叫选择性衰减（selective fading），主要是由于多径引起的。本发明通过实验观察接收到的信号强度在时间和频率两个维度的特性发现以下现象：我们采用几个数据包的信号强度的平均值作为参考信号强度，这个平均值会随着时间的变化有细小的波动，整体趋于平稳。当用不同的频率发送数据包的时候，平均值在不同的频率上会有明显的变化。这种变化就是由于多径现象引起的。通常接收信号的强度是由无线电波在多径传播后的一个组合, 这种特性可以给我们带来的额外的无线电波相位信息，从而可以利用它分离出视线距离路径的无线信号。 

在无线信号的传播过程中，信号波会随着距离的增大而变弱。信号的衰减遵循一定的传播模型，一般是和距离的平方成反比。在Friis自由空间传递模型中，接收的信号强度可以表达成发射的信号强度、天线的增益、波长、以及距离的函数。对于视线（LOS）的传播路径，我们采用Friis模型来描述，然而非视线（NLOS）路径上的传播会由于折射，反射等造成部分能量的损失。我们用反射（折射）相关系数（

）来衡量这种损失，于是描述非视线信号传递的模型就变为： 

      （2）

在上式中，不再等于接收方和发送方之间的距离， 

是衰减系数，对于视线路径来说其值等于1，对于非视线路径来说其值在0到1之间。

我们假设在接收端和发射端之间有n条无线信号路径，我们可以对每一条路径通过上式进行正交分解。 

  

       （3） 

最终将整个问题转化为非线性优化问题，并由此得到视线距离的信号强度，并建立相应的LOS无线信号地图。

在定位阶段，通过改变发送方和接收方的频率，得到视线距离的信号强度并和数据库中的数据进行对比。最后运用k个最近的邻居算法进行数据匹配找到目标物体的位置。 

Claims (9)

1.基于信号强度的动态环境中多物体定位方法，其特征是：将定位区域分成若干个子区域，每个区域放置相应参考点，该参考点放置在能保证陈设变化和多物体的出现不会阻碍视线路径的适的位置，并收集指纹标识信息，然后对收集的数据进行处理，分离视线距离信号强度，然后将该值存储到数据库中，建立相应的无线信号地图；基于该无线信号地图作为发射端的目标物体与作为接收端的参考节点之间进行通信，在需要得到目标节点位置的时候收到的视线距离信号和无线信号地图数据库中的值进行对比，采用k个最近邻居的方法来确定目标节点的具体位置，计算欧几里得距离得到最终的结果。

2.根据权利要求1所述的基于信号强度的动态环境中多物体定位方法，其特征是：参考点的放置位置能保证室内陈设变化和多物体的出现不会影响视线路径，因此陈设变化后，无须重新建立无线信号地图。

3.根据权利要求1所述的基于信号强度的动态环境中多物体定位方法，其特征是：接收信号的强度是由无线电波在多径传播后的一个组合, 从而带来的额外的无线电波相位信息，本发明利用它分离出视线距离路径的无线信号，因此无线信号地图中存储的不是原始信号强度信息，而是视线距离信号强度的值。

4.根据权利要求3所述的基于信号强度的动态环境中多物体定位方法，其特征是：在视线距离无线信号地图中，每一个矩阵中存储了三个参考节点的视线距离信号值。

5.根据权利要求1所述的基于信号强度的动态环境中多物体定位方法，其特征是：可以通过两种方法进行视线距离无线信号地图的建立，第一种是通过理论模型来建立相应的地图，第二种是通过在线实验训练的结果。

6.根据权利要求5所述的基于信号强度的动态环境中多物体定位方法，其特征是：可以通过理论模型，利用Friis 自由空间模型建立视线距离无线信号地图。

7.根据权利要求5所述的基于信号强度的动态环境中多物体定位方法，其特征是：通过训练可得到视线距离无线信号地图，利用传统方法建立无线信号地图，并在此基础上利用频率多样性建立视线距离无线信号地图，即在各个信号频段上面测量接收到的信号强度值，然后利用频率的多样性得到视线距离的信号强度。

8.根据权利要求1所述的基于信号强度的动态环境中多物体定位方法，其特征是：发射端每次发送数据包的时候在每一个信道上面都发送一定量的数据包到参考节点，不同的目标物体在数据包中传送对应于自己的编号便于接收端的区分。

9.根据权利要求1所述的基于信号强度的动态环境中多物体定位方法，其特征是：在多物体情况下，各个物体通过收到的信号强度值和视线距离无线信号地图中的值进行对比，得到各自的位置信息，即采用k个最近邻居的方法来确定目标节点的具体位置。

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