CN103281677A - 一种基于移动锚节点的室内三维空间定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移动锚节点的室内三维空间定位系统和方法，该方法包括如下步骤：在空间组建无线传感器网络，将网络中的锚节点分为两组，分别取名为planeXY，planeYZ；根据局部空间环境选择合适的XOY平面和YOZ平面，将planeXY组内的锚节点全部部署在XOY平面内，将planeYZ组内的锚节点全部部署在YOZ平面内；planeXY组中的锚节点可分别沿竖直方向作周期性移动；planeYZ组中的锚节点可分别沿水平方向作周期性移动；planeXY组内的锚节点用来确定带定位盲节点的x坐标和y坐标；planeYZ组内的锚节点用来确定带定位盲节点的y坐标和z坐标；根据两组锚节点得到的坐标值确定盲节点的三维空间坐标，采用移动锚节点进行定位，解决了无线传感器网络三维空间定位问题，具有定位空间广的特点。

Description

一种基于移动锚节点的室内三维空间定位系统和方法

技术领域

本发明涉及一种基于移动锚节点的室内三维空间定位系统和方法，属于无线传感器网络应用领域。

背景技术

目前，定位技术比较成熟的是GPS定位系统，精度高、覆盖范围广。但是在一些覆盖范围小的室内空间定位效果不是很理想。现阶段用于室内的定位技术主要有：红外线定位技术、超声波定位技术、蓝牙定位技术、无线传感器定位技术等。其中，红外线定位技术可靠性高，但是由于只能进行直线传播，一般只在开放空间中使用，通用性不强；超声波定位技术由于要依赖超声波进行定位，定位精度较高，但需要应答器等设备，成本比较高；蓝牙定位技术中，设备成本也较高，受环境噪声影响大，系统的稳定性不能得到很好地保证。

基于测距的无线传感器网络定位技术，成本低，功耗低在室内定位中是一种很好的选择。但是在无线传感器网络定位技术的研究中，二维平面上的研究较多，三维空间研究相对较少。

发明内容

本发明提供一种基于移动锚节点的室内三维空间定位系统和方法，采用移动锚节点实现三维空间定位，充分利用已经成熟的二维平面定位算法保证了定位精度的可靠性。

本发明采用如下技术方案：一种基于移动锚节点的室内三维空间定位系统，其包括基站节点、路由节点、锚节点、盲节点，所述锚节点分成planeXY和planeYZ两个用以分别确定待定位盲节点的不同坐标的两个组。

所述planeXY组中还包括路由节点，将planeXY组中的锚节点分成若干小组，a1，b1，c1，……s1，……，至少三个锚节点为一个小组。

所述planeYZ组中还包括路由节点，将planeYZ组中的锚节点分成若干小组，a2，b2，c2，……s2，……，至少三个锚节点为一个小组。

本发明还采用如下技术方案：一种基于移动锚节点的室内三维空间定位方法，其包括如下步骤：

（1）在待定位局部空间内建立无线传感器网络，并且在该局部空间内选取合适位置建立三维直角坐标系O-XYZ，确定XOY平面和YOZ平面，其中XOY平面为水平平面，YOZ平面为竖直平面；

（2）将planeXY组内的锚节点全部部署在XOY平面内，将planeYZ组内的锚节点全部部署在YOZ平面内，所述每个平面内至少部署3个锚节点；

（3）确定XOY平面上各个锚节点的坐标，（x₁，y₁）、（x₂，y₂）、（x₃，y₃）……，确定YOZ平面上各个锚节点的坐标，（y₁ ^’，z₁）、（y₂ ^’，z₂）、（y₃ ^’，z₃）……；

（4）将XOY平面内的锚节点进行分组，命名为组a₁，b₁，c₁，……s₁，……，至少三个锚节点为一个小组，所述XOY平面内的锚节点分别沿竖直方向作周期性移动，将YOZ平面内的锚节点进行分组，命名为组a₂，b₂，c₂，……s₂，……，至少三个锚节点为一个小组，所述YOZ平面内的锚节点分别作水平方向周期性移动；

（5）待定位盲节点加入网络；

（6）在planeXY组中选取锚节点小组s₁，将小组中的各个锚节点进行竖直方向上的周期性移动，移动过程中获得每个锚节点每个周期测得的距离最小值，其中所述每个锚节点在一个周期内测得最小值时是在s₁ ^’区域中，此时这些锚节点组成的平面与水平平面平行且与待定位盲节点共面，10个周期后，分别对每个锚节点的10个最小值进行处理得到每个锚节点移动过程中的最优最小值，从而确定待定位盲节点的x，y_a坐标值，然后将坐标值x，y_a发送到基站节点；

（7）在planeYZ组中选取锚节点小组s₂，将小组中的各个锚节点进行水平方向上的周期性移动，移动过程中获得每个锚节点每个周期测得的距离最小值，其中所述每个锚节点在一个周期内测得最小值时是在s₂ ^’区域中，此时这些锚节点组成的平面与竖直平面平行且与待定位盲节点共面，10个周期后，分别对每个锚节点的10个最小值进行处理得到每个锚节点移动过程中的最优最小值，从而确定待定位盲节点的y_b，z坐标值，然后坐标值y_b，z发送到基站节点；

（8）基站节点接收到坐标值之后，将planeXY组和planeYZ组得到的待定位盲节点的（x，y_a）和（y_b，z）坐标值进行匹配，当y_a和y_b在定位误差允许范围之内，认为这两个坐标值同一个盲节点的坐标，取y_a和y_b的平均值y作为待定位盲节点的y坐标值，进而得到待定位盲节点的空间坐标（x，y，z）。

本发明具有如下有益效果：

（1）使用无线传感器网络定位技术进行定位，降低了室内三维空间定位的成本和功耗；

（2）由于采用了移动的锚节点，定位空间广，同时充分利用成熟的二位平面定位算法，使得定位精度得到了一定的保障。

附图说明

图1为本发明基于移动锚节点的室内三维空间定位系统的局部空间部署图。

图2为本发明基于移动锚节点的室内三维空间定位系统的定位流程图。

图3为本发明基于移动锚节点的室内三维空间定位系统的组planeXY定位原理图。

图4为本发明基于移动锚节点的室内三维空间定位系统的组planeYZ定位原理图。

具体实施方式

请参照图1至图4所示，本发明基于移动锚节点的室内三维空间定位系统包括基站节点、路由节点、锚节点、盲节点。本发明中，在空间内建立无线传感器网络，将网络中的锚节点分成两个组，一个名称为planeXY组，另一个名称为planeYZ组，分别用于确定待定位盲节点的不同坐标。其中planeXY组中包含了路由节点和锚节点，将该组中的锚节点分成若干小组，a₁，b₁，c₁，……s₁，……，至少三个锚节点为一个小组。在移动锚节点进行定位时选取合适小组s₁中的锚节点进行移动定位。其中planeYZ组中包含了路由节点和锚节点，将该组中的锚节点分成若干小组，a₂，b₂，c₂，……s₂，……，至少三个锚节点为一个小组。在移动锚节点进行定位时选取合适小组s₂中的锚节点进行移动定位。

本发明基于移动锚节点的室内三维空间定位方法包括有如下步骤：

（1）在待定位局部空间建立三维直角坐标系O-XYZ，即确定XOY平面和YOZ平面，其中XOY平面为水平平面，YOZ平面为竖直平面；

（2）根据局部空间环境选择合适的XOY平面和YOZ平面，将planeXY组内的锚节点全部部署在XOY平面内，将planeYZ组内的锚节点全部部署在YOZ平面内，每个平面内至少部署3个锚节点。空间中心位置一般放置基站节点，在基站节点周围可布置一些路由节点；

（3）确定XOY平面上各个锚节点的坐标，（x₁，y₁）、（x₂，y₂）、（x₃，y₃）……，确定YOZ平面上各个锚节点的坐标，（y₁ ^’，z₁）、（y₂ ^’，z₂）、（y₃ ^’，z₃）……；

（4）将XOY平面内的锚节点进行分组，命名为组a₁，b₁，c₁，……s₁，……，至少三个锚节点为一个小组，XOY平面内的锚节点可分别沿竖直方向作周期性移动，将YOZ平面内的锚节点进行分组，命名为组a₂，b₂，c₂，……s₂，……，至少三个锚节点为一个小组，YOZ平面内的锚节点可分别作水平方向周期性移动；

（5）待定位盲节点加入网络；

（6）在planeXY组中选取合适的锚节点小组s₁，将小组中的各个锚节点进行竖直方向上的周期性移动，移动过程中获得每个锚节点每个周期测得的距离最小值，如图3所示，从图中可知，每个锚节点在一个周期内测得最小值时肯定是在s₁ ^’区域中，此时这些锚节点组成的平面必与水平平面平行且与待定位盲节点共面。10个周期后，分别对每个锚节点的10个最小值进行处理，具体可先采用狄克逊准则或格拉布斯准则（α=0.01）判别可疑数据，剔除粗大误差，再采用平均值法得到每个锚节点移动过程中的最优最小值，将这些锚节点的最优最小值结合二维平面定位算法，如：三边测量法、三角测量法、极大似然估计法等确定待定位盲节点的x，y_a坐标值，然后坐标值发送到基站节点；

（7）在planeYZ组中选取合适的锚节点小组s₂，将小组中的各个锚节点进行水平方向上的周期性移动，移动过程中获得每个锚节点每个周期测得的距离最小值，如图4所示，从图中可知，每个锚节点在一个周期内测得最小值时肯定是在s₂ ^’区域中，此时这些锚节点组成的平面必与竖直平面平行且与待定位盲节点共面。10个周期后，分别对每个锚节点的10个最小值进行处理，具体可先采用狄克逊准则或格拉布斯准则（α=0.01）判别可疑数据，剔除粗大误差，再采用平均值法得到每个锚节点移动过程中的最优最小值，将这些锚节点的最优最小值结合二维平面定位算法，如：三边测量法、三角测量法、极大似然估计法等确定待定位盲节点的y_b，z坐标值，然后坐标值发送到基站节点；

（8）基站节点接收到坐标值之后，将planeXY组和planeYZ组得到的待定位盲节点的（x，y_a）和（y_b，z）坐标值进行匹配，当y_a和y_b在在定位误差允许范围之内，可认为这两个坐标值同一个盲节点的坐标，此处，简单的取y_a和y_b的平均值y作为待定位盲节点的y坐标值，这样就可得到待定位盲节点的空间坐标（x，y，z）。

本发明基于移动锚节点的室内三维空间定位系统和方法，采用移动锚节点进行定位，解决了无线传感器网络三维空间定位问题，具有定位空间广的特点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于移动锚节点的室内三维空间定位系统，其包括基站节点、路由节点、锚节点、盲节点，其特征在于：所述锚节点分成planeXY和planeYZ两个用以分别确定待定位盲节点的不同坐标的两个组。

2.如权利要求1所述的基于移动锚节点的室内三维空间定位系统，其特征在于：所述planeXY组中还包括路由节点，将planeXY组中的锚节点分成若干小组，a1，b1，c1，……s1，……，至少三个锚节点为一个小组。

3.如权利要求2所述的基于移动锚节点的室内三维空间定位系统，其特征在于：所述planeYZ组中还包括路由节点，将planeYZ组中的锚节点分成若干小组，a2，b2，c2，……s2，……，至少三个锚节点为一个小组。

4.一种如权利要求3所述的基于移动锚节点的室内三维空间定位方法，其包括如下步骤：

（1）在待定位局部空间内建立无线传感器网络，并且在该局部空间内选取合适位置建立三维直角坐标系O-XYZ，确定XOY平面和YOZ平面，其中XOY平面为水平平面，YOZ平面为竖直平面；

（2）将planeXY组内的锚节点全部部署在XOY平面内，将planeYZ组内的锚节点全部部署在YOZ平面内，所述每个平面内至少部署3个锚节点；

（3）确定XOY平面上各个锚节点的坐标，（x₁，y₁）、（x₂，y₂）、（x₃，y₃）……，确定YOZ平面上各个锚节点的坐标，（y₁ ^’，z₁）、（y₂ ^’，z₂）、（y₃ ^’，z₃）……；

（4）将XOY平面内的锚节点进行分组，命名为组a₁，b₁，c₁，……s₁，……，至少三个锚节点为一个小组，所述XOY平面内的锚节点分别沿竖直方向作周期性移动，将YOZ平面内的锚节点进行分组，命名为组a₂，b₂，c₂，……s₂，……，至少三个锚节点为一个小组，所述YOZ平面内的锚节点分别作水平方向周期性移动；

（5）待定位盲节点加入网络；

（6）在planeXY组中选取锚节点小组s₁，将小组中的各个锚节点进行竖直方向上的周期性移动，移动过程中获得每个锚节点每个周期测得的距离最小值，其中所述每个锚节点在一个周期内测得最小值时是在s₁ ^’区域中，此时这些锚节点组成的平面与水平平面平行且与待定位盲节点共面，10个周期后，分别对每个锚节点的10个最小值进行处理得到每个锚节点移动过程中的最优最小值，从而确定待定位盲节点的x，y_a坐标值，然后将坐标值x，y_a发送到基站节点；

（7）在planeYZ组中选取锚节点小组s₂，将小组中的各个锚节点进行水平方向上的周期性移动，移动过程中获得每个锚节点每个周期测得的距离最小值，其中所述每个锚节点在一个周期内测得最小值时是在s₂ ^’区域中，此时这些锚节点组成的平面与竖直平面平行且与待定位盲节点共面，10个周期后，分别对每个锚节点的10个最小值进行处理得到每个锚节点移动过程中的最优最小值，从而确定待定位盲节点的y_b，z坐标值，然后坐标值y_b，z发送到基站节点；

（8）基站节点接收到坐标值之后，将planeXY组和planeYZ组得到的待定位盲节点的（x，y_a）和（y_b，z）坐标值进行匹配，当y_a和y_b在定位误差允许范围之内，认为这两个坐标值同一个盲节点的坐标，取y_a和y_b的平均值y作为待定位盲节点的y坐标值，进而得到待定位盲节点的空间坐标（x，y，z）。

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