CN108848459A - 基于无线传感器网络的三维定位方法、装置和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无线传感器网络的三维定位方法、装置、设备和计算机可读存储介质，其中方法包括：获取无线传感器网络中的三个锚节点的位置坐标，将该三个锚节点作为未知节点定位的参考锚节点；根据所述位置坐标判断所述参考锚节点与所述未知节点是否位于同一平面内；若所述参考锚节点与所述未知节点不是位于同一平面内，则分别计算上述未知节点与参考锚节点中各个节点之间的距离，根据所述距离计算未知节点的位置坐标。上述方法，能够解决传统的距离无关的三维定位方法在对未知节点进行定位时，需要获取大量锚节点的信息，导致定位效率低下的问题，仅需要三个锚节点即实现对未知节点的定位，降低定位运算量，有效提升定位效率。

Description

基于无线传感器网络的三维定位方法、装置和设备

技术领域

本发明涉及物体检测技术领域，特别是涉及一种基于无线传感器网络的三维定位方法、装置、设备和计算机可读存储介质。

背景技术

目前，无线传感器网络运用于室内定位的技术日渐成熟。区别于GPS在内的全球定位技术高成本、精度米级以上，室内定位要求高精度、低功耗、成本合理。而无线传感器网络的应用将是室内定位技术的趋势。

室内定位技术有基于测距的定位方法和与测距无关的定位方法。基于测距的定位方法精度一般比测距无关的高，但是其对硬件系统布置的要求较高，在实现上具有较大的难度，通过一定数据处理，测距无关方法也能满足高精度的要求，且比基于测距方法运算的定位系统更容易实现。

测距无关方法中常用的三维分布式定位方法，例如DV-hop三维定位方法，在该无线网络中，锚节点可以通过典型的距离矢量交换协议，向邻近节点广播自身位置信息分组，使网络覆盖范围内的所有节点获得距离锚节点的最小跳数距离，未知节点通过在无线定位网络中获取各锚节点的平均每跳距离以及未知节点距锚节点的最小跳数，结合空间向量理论，推算出未知节点的三维位置信息。

上述传统的距离无关的三维定位方法存在的问题是，在对未知节点进行定位时，需要获取大量锚节点的信息对该未知节点进行定位，造成定位系统的鲁棒性和容错性差，且需要耗费较多的运算时间和资源，导致对未知节点的定位效率低下。

发明内容

基于此，有必要针对传统三维定位方法需要获取大量锚节点的信息对未知节点进行定位，导致定位效率低的问题，提供一种基于无线传感器网络的三维定位方法、装置、设备和计算机可读存储介质。

一种基于无线传感器网络的三维定位方法，包括以下步骤：

获取无线传感器网络中的三个锚节点的位置坐标，将该三个锚节点作为未知节点定位的参考锚节点；

根据所述位置坐标判断所述参考锚节点与所述未知节点是否位于同一平面内；

若所述参考锚节点与所述未知节点不是位于同一平面内，则分别计算上述未知节点与参考锚节点中各个节点之间的距离，根据所述距离计算未知节点的位置坐标。

上述基于无线传感器网络的三维定位方法，获取网络中的三个锚节点作为用于定位未知节点的参考锚节点，根据各参考锚节点的位置坐标的信息，通过预先判断参考锚节点与未知节点是否处于同一平面内，若是，则根据未知节点与参考锚节点之中两两节点之间的距离，计算得到未知节点的坐标，对未知节点进行定位，能够解决传统的距离无关的三维定位方法在对未知节点进行定位时，需要获取大量锚节点的信息，导致定位效率低下的问题，仅需要三个锚节点即实现对未知节点的定位，降低定位运算量，有效提升定位效率。

在一个实施例中，所述根据所述位置坐标判断所述参考锚节点与所述未知节点是否位于同一平面内之后，还包括：

若参考锚节点与未知节点位于同一平面内，则根据所述位置坐标信息，判断参考锚节点是否在同一直线上；若参考锚节点位于同一直线上，则替换所述参考锚节点中的至少一个锚节点，并重新根据替换后的参考锚节点的所述位置坐标信息对未知节点进行定位。

上述实施例的技术方案，在判断的参考锚节点与未知节点在同一平面内时，还进一步判断参考锚节点是否位于同一直线上，如果各个参考锚节点位于同一直线上，说明当前的参考锚节点不适合用于对未知节点的定位，则替换参考锚节点中的至少一个锚节点，重新对未知节点进行定位，使得对未知节点的定位更加灵活准确。

在一个实施例中，所述根据所述位置坐标判断所述参考锚节点与所述未知节点是否位于同一平面内之后，还包括：

若参考锚节点与未知节点位于同一平面内，则根据所述位置坐标信息，判断参考锚节点是否在同一直线上；若参考锚节点不位于同一直线上，则根据参考锚节点与未知节点位于的所述同一平面的坐标信息，确定所述未知节点所处的第一维度坐标信息；根据所述第一维度坐标信息，对所述未知节点定位进行降维处理，确定所述未知节点除所述第一维度坐标外待定位的二维坐标空间的信息；根据所述参考锚节点在所述二维坐标空间的坐标信息，采用二维定位方法定位所述未知节点在所述二维坐标中的坐标信息；根据所述未知节点在所述二维坐标中的坐标信息，以及所述第一维度坐标信息，确定所述未知节点在原三维坐标中的坐标信息。

上述实施例的技术方案，在判断参考锚节点与未知节点在同一平面，且三个参考锚节点不在同一直线上时，利用参考锚节点与未知节点确定的同一平面，获取未知节点的第一维度坐标的信息，将对未知节点的定位运算由三维降至二维进行，有效降低运算量，提升定位效率。

在一个实施例中，所述根据所述距离计算未知节点的位置坐标如下式所示：

其中，

上式中，(x，y，z)为未知节点的位置坐标，(x_c3，y_c3，z_c3)为第三锚节点的位置坐标，U代表未知节点，C1代表参考锚节点中的第一锚节点，C2代表参考锚节点中的第二锚节点，C3代表参考锚节点中的第三锚节点，d_uc1为未知节点与第一锚节点之间的距离，d_uc2为未知节点与第二锚节点之间的距离，d_uc3为未知节点与第三锚节点之间的距离，d_c2c1为第一锚节点与第二锚节点之间的距离，d_c3c1为第三锚节点与第一锚节点之间的距离，d_c3c2为第一锚节点与第三锚节点之间的距离。

本发明上述实施例的技术方案，通过获取与未知节点不在同一平面的三个锚节点的信息，根据未知节点与该三个锚节点之间的距离，以及该三个锚节点两两之间的距离，直接计算得到未知节点的坐标，仅需更少的锚节点即实现对未知节点的定位，有效降低运算量，减少资源占用，提升系统鲁棒性和容错性，继而提升对未知节点的定位效率。

在一个实施例中，所述根据所述位置坐标信息，判断该参考锚节点与未知节点是否位于同一平面内包括：

根据所述位置坐标信息，计算参考锚节点的位置向量与未知节点的位置向量的第一混合乘积；若所述第一混合乘积为零，则判定该参考锚节点与未知节点位于同一平面内，若所述混合乘积不为零，则判定该参考锚节点与未知节点不是位于同一平面内。

上述实施例的技术方案，通过计算参考锚节点的位置向量与未知节点的位置向量的第一混合乘积，判断该参考锚节点与未知节点是否位于同一平面内，运算方式简单，易于实现，可以有效提升运算效率。

在一个实施例中，所述根据所述位置坐标信息，判断参考锚节点是否在同一直线上包括：

根据所述位置坐标信息，计算参考锚节点的位置向量的第二混合乘积；若所述第二混合乘积为零，则判定参考锚节点在同一直线上，若所述第二混合乘积不为零，则判定参考锚节点不在同一直线上。

上述实施例的技术方案，通过计算参考锚节点的位置向量的第二混合乘积，判断各个参考锚节点是否位于同一直线上，运算方式简单，易于实现，可以有效提升运算效率。

在一个实施例中，所述根据所述参考锚节点在所述二维坐标空间的坐标信息，采用二维定位方法定位所述未知节点在所述二维坐标中的坐标信息包括：

建立方程组如下式所示：

整理可得：

AX+λ＝b

求解所述方程组得到未知节点在所述二维坐标中的坐标信息如下式所示：

其中，

λ＝b-AX

上式中，X为未知节点向量解，为未知节点在所述二维坐标中的坐标信息计算值，(x，y)为未知节点在所述二维坐标中的坐标，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)和(x₃，y₃)分别为参考锚节点中第一锚节点、第二锚节点和第三锚节点在所述二维坐标中的坐标，λ₁、λ₂和λ₃分别为参考锚节点中第一锚节点、第二锚节点和第三锚节点的测量误差，λ为测量误差向量。

上述实施例的技术方案，在对未知节点进行二维定位获取未知节点在二维空间的坐标时，进一步引入了对测量误差λ的运算，使得运算得到的二维定位坐标结果与实际坐标更接近，提升运算的二维坐标的准确性。

在一个实施例中，本发明实施例的基于无线传感器网络的三维定位方法，还包括：

若无线传感器网络中位于未知节点通信范围内有两个锚节点，则分别获取该两个锚节点的位置坐标；根据所述位置坐标，确定未知节点与该两个锚节点所在的平面；在所述平面内，分别以所述两个锚节点为圆心，以该锚节点与未知节点之间的距离为半径画圆；若画出的两个圆交于一点，则以该交点在原三维坐标的坐标值为未知节点的位置坐标；若画出的两个圆交于两点，则以该两个交点的中点在原三维坐标的坐标值为未知节点的位置坐标。

上述实施例的技术方案，在未知节点的通信半径范围内有两个锚节点时，可以仅通过两个锚节点对未知节点进行定位，实现在未知节点可用的锚节点数目仅有两个时也可以保证对未知节点的定位，避免在可用锚节点较少时，导致未知节点定位失败的情况，提升对未知节点定位的稳定性。

一种基于无线传感器网络的三维定位装置，包括：

第一锚节点坐标获取模块，用于获取无线传感器网络中的三个锚节点的位置坐标，将该三个锚节点作为未知节点定位的参考锚节点；

第一条件判断模块，用于根据所述位置坐标判断所述参考锚节点与所述未知节点是否位于同一平面内；

第一未知节点定位模块，用于若所述参考锚节点与所述未知节点不是位于同一平面内，则分别计算上述未知节点与参考锚节点中各个节点之间的距离，根据所述距离计算未知节点的位置坐标。

上述基于无线传感器网络的三维定位装置，获取网络中的三个锚节点作为用于定位未知节点的参考锚节点，根据各参考锚节点的位置坐标的信息，通过预先判断参考锚节点与未知节点是否处于同一平面内，若是，则根据未知节点与参考锚节点之中两两节点之间的距离，计算得到未知节点的坐标，对未知节点进行定位，能够解决传统的距离无关的三维定位方法在对未知节点进行定位时，需要获取大量锚节点的信息，导致定位效率低下的问题，仅需要三个锚节点即实现对未知节点的定位，降低定位运算量，有效提升定位效率。

一种基于无线传感器网络的三维定位设备，所述设备包括：处理器、存储器以及无线收发装置；

所述存储器以及无线收发装置分别与处理器连接；

所述无线收发装置用于与无线传感器网络中的节点设备进行通信交互；其中，节点设备可以包括锚节点设备和/或未知节点设备；

所述存储器用于存储可在所述处理器上运行的程序；

所述处理器执行所述程序时，实现以下步骤：

获取无线传感器网络中的三个锚节点的位置坐标，将该三个锚节点作为未知节点定位的参考锚节点；

根据所述位置坐标判断所述参考锚节点与所述未知节点是否位于同一平面内；

若否，则分别计算上述未知节点与参考锚节点中各个节点之间的距离，根据所述距离计算未知节点的位置坐标。

上述基于无线传感器网络的三维定位设备，其处理器执行程序时，通过实现如上步骤，从而可以获取网络中的三个锚节点作为用于定位未知节点的参考锚节点，根据各参考锚节点的位置坐标的信息，通过预先判断参考锚节点与未知节点是否处于同一平面内，若是，则根据未知节点与参考锚节点之中两两节点之间的距离，计算得到未知节点的坐标，对未知节点进行定位，能够解决传统的距离无关的三维定位方法在对未知节点进行定位时，需要获取大量锚节点的信息，导致定位效率低下的问题，仅需要三个锚节点即实现对未知节点的定位，降低定位运算量，有效提升定位效率。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

获取无线传感器网络中的三个锚节点的位置坐标，将该三个锚节点作为未知节点定位的参考锚节点；

根据所述位置坐标判断所述参考锚节点与所述未知节点是否位于同一平面内；

若否，则分别计算上述未知节点与参考锚节点中各个节点之间的距离，根据所述距离计算未知节点的位置坐标。

上述计算机存储介质，其存储的计算机程序，通过实现如上步骤，从而可以获取网络中的三个锚节点作为用于定位未知节点的参考锚节点，根据各参考锚节点的位置坐标的信息，通过预先判断参考锚节点与未知节点是否处于同一平面内，若是，则根据未知节点与参考锚节点之中两两节点之间的距离，计算得到未知节点的坐标，对未知节点进行定位，能够解决传统的距离无关的三维定位方法在对未知节点进行定位时，需要获取大量锚节点的信息，导致定位效率低下的问题，仅需要三个锚节点即实现对未知节点的定位，降低定位运算量，有效提升定位效率。

附图说明

图1为一个实施例中基于无线传感器网络的三维定位方法的应用环境图；

图2为一个实施例中基于无线传感器网络的三维定位方法的流程示意图；

图3为另一个实施例中基于无线传感器网络的三维定位方法的流程示意图；

图4为一个实施例中基于无线传感器网络的三维定位装置的结构框图；

图5为一个实施例中基于无线传感器网络的三维定位设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的基于无线传感器网络的三维定位方法，可以应用于如图1所示的应用环境中。其中，无线传感器网络系统100中包括布置于监测场景内预定位置的多个锚节点110，以及至少一个未知节点120；各个所述锚节点110和未知节点120向其通信半径R范围内的锚节点110和未知节点120广播信息，并接受通信半径R范围内其他锚节点110和未知节点120的信息；未知节点120根据接收的多个锚节点110的信息，确定该未知节点120的位置坐标，对该未知节点120进行定位。其中，监测场景可以是例如学校、商场、医院等等需要进行三维定位的场景，锚节点110和未知节点120可以但不限于是具有无线收发功能的各种终端设备或专用设备，例如未知节点120可以是手机、平板、穿戴式终端等终端设备。

本领域技术人员可以理解，图1中示出的网络系统结构，仅仅是与本申请方案相关的部分系统结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的限定，具体的应用环境可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种基于无线传感器网络的三维定位方法，以该方法应用于图1中的未知节点为例进行说明，包括以下步骤：

S210，获取无线传感器网络中的三个锚节点的位置坐标，将该三个锚节点作为未知节点定位的参考锚节点；

在无线传感器网络中，未知节点和锚节点均可以与其通信半径范围内的其他未知节点或锚节点进行通信，从而实现节点信息在整个网络的传递和共享；在此步骤中，对于三个锚节点的选取，可以根据实际情况选择网络中任意可用的三个锚节点。

由于距离未知节点越近的锚节点，其传播的信息质量越高，因而在一个实施例中，未知节点可以获取无线传感器网络中距离该未知节点最近的三个锚节点的位置坐标，将该距离最近的三个作为未知节点定位的参考锚节点。

S220，根据所述位置坐标判断所述参考锚节点与所述未知节点是否位于同一平面内；

在此步骤中，未知节点可以根据接收的参考锚节点的位置坐标等相关信息，获取未知节点与各个参考锚节点之间的几何位置关系，预判各个参考锚节点与该未知节点是否在同一平面内。

S230，若所述参考锚节点与所述未知节点不是位于同一平面内，则分别计算上述未知节点与参考锚节点中各个节点之间的距离，根据所述距离计算未知节点的位置坐标。

其中，所述各个节点，包括未知节点以及各个参考锚节点，所述未知节点与参考锚节点中各个节点之间的距离，是指包括未知节点以及参考锚节点在内的各个节点中，两两节点之间的距离，这些节点之间的距离可以通过节点间的每跳距离以及跳数估算得到。

在此步骤中，若S220判断的所述参考锚节点与所述未知节点不是位于同一平面内，则未知节点分别计算上述未知节点与参考锚节点中各个节点之间的距离，根据所述距离计算未知节点的位置坐标。

上述实施例的技术方案，获取网络中的三个锚节点作为用于定位未知节点的参考锚节点，根据各参考锚节点的位置坐标的信息，通过预先判断参考锚节点与未知节点是否处于同一平面内，若是，则根据未知节点与参考锚节点之中两两节点之间的距离，计算得到未知节点的坐标，对未知节点进行定位，能够解决传统的距离无关的三维定位方法在对未知节点进行定位时，需要获取大量锚节点的信息，导致定位效率低下的问题，仅需要三个锚节点即实现对未知节点的定位，降低定位运算量，有效提升定位效率。

在一个实施例中，如图3所示，S220所述根据所述位置坐标判断所述参考锚节点与所述未知节点是否位于同一平面内之后，还包括：

S240，若参考锚节点与未知节点位于同一平面内，则根据所述位置坐标信息，判断参考锚节点是否在同一直线上；

S250，若参考锚节点位于同一直线上，则替换所述参考锚节点中的至少一个锚节点，并重新根据替换后的参考锚节点的所述位置坐标信息对未知节点进行定位。

在步骤S250中，若判断的各个参考锚节点位于同一直线上，则说明当前获取的三个参考锚节点不适合用于对未知节点的定位，则在网络中另选至少一个锚节点，替换当前在同一直线上的三个锚节点中同等数目的锚节点，再利用替换后得到的三个锚节点，作为参考锚节点，可以返回S220重新对未知节点进行定位。

上述实施例的技术方案，在判断的参考锚节点与未知节点在同一平面内时，还进一步判断参考锚节点是否位于同一直线上，如果各个参考锚节点位于同一直线上，说明当前的参考锚节点不适合用于对未知节点的定位，则替换参考锚节点中的至少一个锚节点，重新对未知节点进行定位，使得对未知节点的定位更加灵活准确。

在一个实施例中，如图3所示，S220所述根据所述位置坐标判断所述参考锚节点与所述未知节点是否位于同一平面内之后，还包括：

S240，若参考锚节点与未知节点位于同一平面内，则根据所述位置坐标信息，判断参考锚节点是否在同一直线上；

S260，若参考锚节点不位于同一直线上，则根据参考锚节点与未知节点位于的所述同一平面的坐标信息，确定所述未知节点所处的第一维度坐标信息；

S270，根据所述第一维度坐标信息，对所述未知节点定位进行降维处理，确定所述未知节点除所述第一维度坐标外待定位的二维坐标空间的信息；

S280，根据所述参考锚节点在所述二维坐标空间的坐标信息，采用二维定位方法定位所述未知节点在所述二维坐标中的坐标信息；

S290，根据所述未知节点在所述二维坐标中的坐标信息，以及所述第一维度坐标信息，确定所述未知节点在原三维坐标中的坐标信息。

上述实施例的技术方案，在判断参考锚节点与未知节点在同一平面，且三个参考锚节点不在同一直线上时，利用参考锚节点与未知节点确定的同一平面，获取未知节点的第一维度坐标的信息，将对未知节点的定位运算由三维降至二维进行，有效降低运算量，提升定位效率。

在一个实施例中，所述根据所述距离计算未知节点的位置坐标如下式所示：

其中，

上式中，(x，y，z)为未知节点的位置坐标，(x_c3，y_c3，z_c3)为第三锚节点的位置坐标，U代表未知节点，C1代表参考锚节点中的第一锚节点，C2代表参考锚节点中的第二锚节点，C3代表参考锚节点中的第三锚节点，d_uc1为未知节点与第一锚节点之间的距离，d_uc2为未知节点与第二锚节点之间的距离，d_uc3为未知节点与第三锚节点之间的距离，d_c2c1为第一锚节点与第二锚节点之间的距离，d_c3c1为第三锚节点与第一锚节点之间的距离，d_c3c2为第一锚节点与第三锚节点之间的距离。

其中，上述未知节点的坐标表达式的推算过程如下所示：

在空间几何学中，对于任一个给定的球体，可以根据球面上非共面的四点坐标求得球心坐标，从而唯一确定未知节点U坐标。因此当未知节点与三个锚节点不在同一平面时，可以根据空间几何关系计算得到未知节点的坐标，如图4所示，C₁、C₂、C₃到U的距离分别用d_uc1、d_uc2和d_uc3表示，该距离的求法根据前述实施例的未知节点到锚节点的距离计算方法获得。

假设该区域最近的锚节点C₁为三维坐标原点(0，0，0)，C₁C₂为x轴，三个锚节点C₁、C₂、C₃为平面xoy建立三维空间。则C₂坐标(d_c2c1，0，0)，d_c2c1为C₁和C₂之间的距离，同样d_c3c1为C₃和C₁之间的距离，d_c3c2为C₃和C₂之间的距离。d_c2c1、d_c3c1和d_c3c2的计算可以直接根据锚节点C1、C2和C2的位置坐标计算得到，或者也可以依照前述实施例的未知节点到锚节点的距离计算方法获得。

C₃的坐标表示(x₃，y₃，0)由图2根据几何规则，可求得：

解得：

得到C₃的坐标表示(x₃，y₃，0)，从而未知节点U的坐标(x，y，z)可通过下式获得：

不同于现有技术的未知节点的位置坐标的计算方法较为复杂，一般需要大量锚节点对未知节点的定位，本发明上述实施例的技术方案，通过获取与未知节点不在同一平面的三个锚节点的信息，根据未知节点与该三个锚节点之间的距离，以及该三个锚节点两两之间的距离，直接计算得到未知节点的坐标，仅需更少的锚节点即实现对未知节点的定位，有效降低运算量，减少资源占用，提升系统鲁棒性和容错性，继而提升对未知节点的定位效率。

在一个实施例中，所述根据所述位置坐标信息，判断该参考锚节点与未知节点是否位于同一平面内包括：

根据所述位置坐标信息，计算参考锚节点的位置向量与未知节点的位置向量的第一混合乘积；

若所述第一混合乘积为零，则判定该参考锚节点与未知节点位于同一平面内，若所述混合乘积不为零，则判定该参考锚节点与未知节点不是位于同一平面内。

具体的，在一个实施例中，第一混合乘积如下式所示：

上式中，(x，y，z)为未知节点的位置坐标，U代表未知节点，C1代表三个锚节点中的第一锚节点，C2代表三个锚节点中的第二锚节点，C3代表三个锚节点中的第三锚节点，(x_c1，y_c1，z_c1)为第一锚节点的位置坐标，(x_c2，y_c2，z_c2)为第二锚节点的位置坐标，(x_c3，y_c3，z_c3)为第三锚节点的位置坐标。

上述实施例的技术方案，通过计算参考锚节点的位置向量与未知节点的位置向量的第一混合乘积，判断该参考锚节点与未知节点是否位于同一平面内，运算方式简单，易于实现，可以有效提升运算效率。

在一个实施例中，所述根据所述位置坐标信息，判断参考锚节点是否在同一直线上包括：

根据所述位置坐标信息，计算参考锚节点的位置向量的第二混合乘积；

若所述第二混合乘积为零，则判定参考锚节点在同一直线上，若所述第二混合乘积不为零，则判定参考锚节点不在同一直线上。

具体的，在一个实施例中，第二混合乘积如下式所示：

上式中，C1代表三个锚节点中的第一锚节点，C2代表三个锚节点中的第二锚节点，C3代表三个锚节点中的第三锚节点，(x_c1，y_c1，z_c1)为第一锚节点的位置坐标，(x_c2，y_c2，z_c2)为第二锚节点的位置坐标，(x_c3，y_c3，z_c3)为第三锚节点的位置坐标。

上述实施例的技术方案，通过计算参考锚节点的位置向量的第二混合乘积，判断各个参考锚节点是否位于同一直线上，运算方式简单，易于实现，可以有效提升运算效率。

在一个实施例中，所述根据所述参考锚节点在所述二维坐标空间的坐标信息，采用二维定位方法定位所述未知节点在所述二维坐标中的坐标信息包括：

建立方程组如下式所示：

整理可得：

AX+λ＝b

求解所述方程组得到未知节点在所述二维坐标中的坐标信息如下式所示：

其中，

λ＝b-AX

上式中，X为未知节点向量解，为未知节点在所述二维坐标中的坐标信息计算值，(x，y)为未知节点在所述二维坐标中的坐标，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)和(x₃，y₃)分别为参考锚节点中第一锚节点、第二锚节点和第三锚节点在所述二维坐标中的坐标，λ₁、λ₂和λ₃分别为参考锚节点中第一锚节点、第二锚节点和第三锚节点的测量误差，λ为测量误差向量。λ越小，得到的定位结果越准确。

上述实施例的技术方案，在对未知节点进行二维定位获取未知节点在二维空间的坐标时，进一步引入了对测量误差λ的运算，使得运算得到的二维定位坐标结果与实际坐标更接近，提升运算的二维坐标的准确性。

在一个实施例中，本发明实施例的基于无线传感器网络的三维定位方法，还包括：

若无线传感器网络中位于未知节点通信范围内有两个锚节点，则分别获取该两个锚节点的位置坐标；

根据所述位置坐标，确定未知节点与该两个锚节点所在的平面；

在所述平面内，分别以所述两个锚节点为圆心，以该锚节点与未知节点之间的距离为半径画圆；

若画出的两个圆交于一点，则以该交点在原三维坐标的坐标值为未知节点的位置坐标；

若画出的两个圆交于两点，则以该两个交点的中点在原三维坐标的坐标值为未知节点的位置坐标。

例如，设两交点分别为(x₁，y₁)和(x₂，y₂)，则取为未知节点在该二维平面的坐标，再进一步获取该未知节点在原三维坐标系中的坐标。

在无线传感器网络中选取锚节点对未知节点进行定位时，选取的锚节点距离未知节点越近，该锚节点传递给未知节点的信息误差越小，算得的未知节点的定位结果越准确。如果选取的锚节点在未知节点的通信半径范围之外，该锚节点提供的信息将存在较大的误差。上述实施例的技术方案，在未知节点的通信半径范围内有两个锚节点时，可以仅通过两个锚节点对未知节点进行定位，实现在未知节点可用的锚节点数目仅有两个时也可以保证对未知节点的定位，避免在可用锚节点较少时，导致未知节点定位失败的情况，提升对未知节点定位的稳定性。

应该理解的是，虽然图2和图3的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2和图3中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，如图4所示，提供了一种基于无线传感器网络的三维定位装置，包括：第一锚节点坐标获取模块410、第一条件判断模块420和第一未知节点定位模块430，其中：

第一锚节点坐标获取模块410，用于获取无线传感器网络中的三个锚节点的位置坐标，将该三个锚节点作为未知节点定位的参考锚节点；

第一条件判断模块420，用于根据所述位置坐标判断所述参考锚节点与所述未知节点是否位于同一平面内；

第一未知节点定位模块430，用于若所述参考锚节点与所述未知节点不是位于同一平面内，则分别计算上述未知节点与参考锚节点中各个节点之间的距离，根据所述距离计算未知节点的位置坐标。

在一个实施例中，本发明实施例的基于无线传感器网络的三维定位装置，还包括：

第二条件判断模块，用于若参考锚节点与未知节点位于同一平面内，则根据所述位置坐标信息，判断参考锚节点是否在同一直线上；

锚节点替换模块，用于若参考锚节点位于同一直线上，则替换所述参考锚节点中的至少一个锚节点，并重新根据替换后的参考锚节点的所述位置坐标信息对未知节点进行定位。

在一个实施例中，本发明实施例的基于无线传感器网络的三维定位装置，还包括：

第二条件判断模块，用于若参考锚节点与未知节点位于同一平面内，则根据所述位置坐标信息，判断参考锚节点是否在同一直线上；

第二未知节点定位模块，用于若参考锚节点不位于同一直线上，则根据参考锚节点与未知节点位于的所述同一平面的坐标信息，确定所述未知节点所处的第一维度坐标信息；

第二未知节点定位模块还用于根据所述第一维度坐标信息，对所述未知节点定位进行降维处理，确定所述未知节点除所述第一维度坐标外待定位的二维坐标空间的信息；

第二未知节点定位模块还用于根据所述参考锚节点在所述二维坐标空间的坐标信息，采用二维定位方法定位所述未知节点在所述二维坐标中的坐标信息；

第二未知节点定位模块还用于根据所述未知节点在所述二维坐标中的坐标信息，以及所述第一维度坐标信息，确定所述未知节点在原三维坐标中的坐标信息。

在一个实施例中，所述第一未知节点定位模块430进一步用于根据所述距离计算未知节点的位置坐标如下式所示：

其中，

上式中，(x，y，z)为未知节点的位置坐标，(x_c3，y_c3，z_c3)为第三锚节点的位置坐标，u代表未知节点，c1代表参考锚节点中的第一锚节点，c2代表参考锚节点中的第二锚节点，c3代表参考锚节点中的第三锚节点，d_uc1为未知节点与第一锚节点之间的距离，d_uc2为未知节点与第二锚节点之间的距离，d_uc3为未知节点与第三锚节点之间的距离，d_c2c1为第一锚节点与第二锚节点之间的距离，d_c3c1为第三锚节点与第一锚节点之间的距离，d_c3c2为第一锚节点与第三锚节点之间的距离。

在一个实施例中，所述第一条件判断模块420包括：

第一混合乘积计算模块，用于根据所述位置坐标信息，计算参考锚节点的位置向量与未知节点的位置向量的第一混合乘积；

第一判定模块，用于若所述第一混合乘积为零，则判定该参考锚节点与未知节点位于同一平面内，若所述混合乘积不为零，则判定该参考锚节点与未知节点不是位于同一平面内。

在一个实施例中，所述第二条件判断模块包括：

第二混合乘积计算模块，用于根据所述位置坐标信息，计算参考锚节点的位置向量的第二混合乘积；

第二判定模块，用于若所述第二混合乘积为零，则判定参考锚节点在同一直线上，若所述第二混合乘积不为零，则判定参考锚节点不在同一直线上。

在一个实施例中，所述第二未知节点定位模块进一步用于：

建立方程组如下式所示：

求解所述方程组得到未知节点在所述二维坐标中的坐标信息如下式所示：

其中，

λ＝b-AX

上式中，X为未知节点向量解，为未知节点在所述二维坐标中的坐标信息计算值，(x，y)为未知节点在所述二维坐标中的坐标，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)和(x₃，y₃)分别为参考锚节点中第一锚节点、第二锚节点和第三锚节点在所述二维坐标中的坐标，λ₁、λ₂和λ₃分别为参考锚节点中第一锚节点、第二锚节点和第三锚节点的测量误差，λ为测量误差向量。λ越小，得到的定位结果越准确。

在一个实施例中，本发明实施例的基于无线传感器网络的三维定位装置，还包括：

第二锚节点坐标获取模块，用于若无线传感器网络中位于未知节点通信范围内有两个锚节点，则分别获取该两个锚节点的位置坐标；

第三未知节点定位模块，用于根据所述位置坐标，确定未知节点与该两个锚节点所在的平面；

第三未知节点定位模块还用于在所述平面内，分别以所述两个锚节点为圆心，以该锚节点与未知节点之间的距离为半径画圆；

第三未知节点定位模块还用于若画出的两个圆交于一点，则以该交点在原三维坐标的坐标值为未知节点的位置坐标；

第三未知节点定位模块还用于若画出的两个圆交于两点，则以该两个交点的中点在原三维坐标的坐标值为未知节点的位置坐标。

关于基于无线传感器网络的三维定位装置的具体限定可以参见上文中对于基于无线传感器网络的三维定位方法的限定，在此不再赘述。上述基于无线传感器网络的三维定位装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

本发明的基于无线传感器网络的三维定位装置与本发明的基于无线传感器网络的三维定位方法一一对应，在上述基于无线传感器网络的三维定位方法的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于基于无线传感器网络的三维定位装置的实施例中，特此声明。

在一个实施例中，如图5所示，提供了一种基于无线传感器网络的三维定位设备，其中，所述设备可以应用于图1所示的无线传感器网络系统中，作为网络中未知节点，所述设备包括：处理器510、存储器520以及无线收发装置530；

所述存储器520以及无线收发装置530分别与处理器510连接；

所述无线收发装置530用于与无线传感器网络中的节点设备进行通信交互；其中，节点设备可以包括锚节点设备和/或未知节点设备；

所述存储器520用于存储可在所述处理器510上运行的程序；

所述处理器510执行所述程序时，实现以下步骤：

获取无线传感器网络中的三个锚节点的位置坐标，将该三个锚节点作为未知节点定位的参考锚节点；

根据所述位置坐标判断所述参考锚节点与所述未知节点是否位于同一平面内；

若否，则分别计算上述未知节点与参考锚节点中各个节点之间的距离，根据所述距离计算未知节点的位置坐标。

在一个实施例中，所述处理器在实现所述根据所述位置坐标判断所述参考锚节点与所述未知节点是否位于同一平面内之后，还实现以下步骤：

若参考锚节点与未知节点位于同一平面内，则根据所述位置坐标信息，判断参考锚节点是否在同一直线上；

若参考锚节点位于同一直线上，则替换所述参考锚节点中的至少一个锚节点，并重新根据替换后的参考锚节点的所述位置坐标信息对未知节点进行定位。

在一个实施例中，所述处理器在所述根据所述位置坐标判断所述参考锚节点与所述未知节点是否位于同一平面内之后，还实现以下步骤：

若参考锚节点与未知节点位于同一平面内，则根据所述位置坐标信息，判断参考锚节点是否在同一直线上；

若参考锚节点不位于同一直线上，则根据参考锚节点与未知节点位于的所述同一平面的坐标信息，确定所述未知节点所处的第一维度坐标信息；

根据所述第一维度坐标信息，对所述未知节点定位进行降维处理，确定所述未知节点除所述第一维度坐标外待定位的二维坐标空间的信息；

根据所述参考锚节点在所述二维坐标空间的坐标信息，采用二维定位方法定位所述未知节点在所述二维坐标中的坐标信息；

根据所述未知节点在所述二维坐标中的坐标信息，以及所述第一维度坐标信息，确定所述未知节点在原三维坐标中的坐标信息。

在一个实施例中，所述处理器还实现以下步骤：

根据所述距离计算未知节点的位置坐标如下式所示：

其中，

上式中，(x，y，z)为未知节点的位置坐标，(x_c3，y_c3，z_c3)为第三锚节点的位置坐标，u代表未知节点，c1代表参考锚节点中的第一锚节点，c2代表参考锚节点中的第二锚节点，c3代表参考锚节点中的第三锚节点，d_uc1为未知节点与第一锚节点之间的距离，d_uc2为未知节点与第二锚节点之间的距离，d_uc3为未知节点与第三锚节点之间的距离，d_c2c1为第一锚节点与第二锚节点之间的距离，d_c3c1为第三锚节点与第一锚节点之间的距离，d_c3c2为第一锚节点与第三锚节点之间的距离。

在一个实施例中，所述处理器在实现所述根据所述位置坐标信息，判断该参考锚节点与未知节点是否位于同一平面内时，进一步实现以下步骤：

根据所述位置坐标信息，计算参考锚节点的位置向量与未知节点的位置向量的第一混合乘积；

若所述第一混合乘积为零，则判定该参考锚节点与未知节点位于同一平面内，若所述混合乘积不为零，则判定该参考锚节点与未知节点不是位于同一平面内。

在一个实施例中，所述处理器在实现所述根据所述位置坐标信息，判断参考锚节点是否在同一直线上时，进一步实现以下步骤：

根据所述位置坐标信息，计算参考锚节点的位置向量的第二混合乘积；

若所述第二混合乘积为零，则判定参考锚节点在同一直线上，若所述第二混合乘积不为零，则判定参考锚节点不在同一直线上。

在一个实施例中，所述处理器在实现所述根据所述参考锚节点在所述二维坐标空间的坐标信息，采用二维定位方法定位所述未知节点在所述二维坐标中的坐标信息时，进一步实现以下步骤：

建立方程组如下式所示：

求解所述方程组得到未知节点在所述二维坐标中的坐标信息如下式所示：

其中，

λ＝b-AX

上式中，X为未知节点向量解，为未知节点在所述二维坐标中的坐标信息计算值，(x，y)为未知节点在所述二维坐标中的坐标，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)和(x₃，y₃)分别为参考锚节点中第一锚节点、第二锚节点和第三锚节点在所述二维坐标中的坐标，λ₁、λ₂和λ₃分别为参考锚节点中第一锚节点、第二锚节点和第三锚节点的测量误差，λ为测量误差向量。

在一个实施例中，所述处理器在执行所述程序时进一步实现以下步骤：

若无线传感器网络中位于未知节点通信范围内有两个锚节点，则分别获取该两个锚节点的位置坐标；

根据所述位置坐标，确定未知节点与该两个锚节点所在的平面；

在所述平面内，分别以所述两个锚节点为圆心，以该锚节点与未知节点之间的距离为半径画圆；

若画出的两个圆交于一点，则以该交点在原三维坐标的坐标值为未知节点的位置坐标；

若画出的两个圆交于两点，则以该两个交点的中点在原三维坐标的坐标值为未知节点的位置坐标。

本发明实施例提供的基于无线传感器网络的三维定位设备可用于执行上述任意实施例提供的基于无线传感器网络的三维定位方法，且具备相应的功能和有益效果。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

获取无线传感器网络中的三个锚节点的位置坐标，将该三个锚节点作为未知节点定位的参考锚节点；

根据所述位置坐标判断所述参考锚节点与所述未知节点是否位于同一平面内；

若否，则分别计算上述未知节点与参考锚节点中各个节点之间的距离，根据所述距离计算未知节点的位置坐标。

本发明实施例所提供的一种计算机可读存储介质，计算机程序被处理器执行时可执行指令不限于如上所述的基于无线传感器网络的三维定位方法的步骤，还可以执行本发明任意实施例所提供的基于无线传感器网络的三维定位方法中的相关步骤，且具备相应的功能和有益效果。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于无线传感器网络的三维定位方法，其特征在于，包括：

获取无线传感器网络中的三个锚节点的位置坐标，将该三个锚节点作为未知节点定位的参考锚节点；

根据所述位置坐标判断所述参考锚节点与所述未知节点是否位于同一平面内；

若否，则分别计算上述未知节点与参考锚节点中各个节点之间的距离，根据所述距离计算未知节点的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的三维定位方法，其特征在于，所述根据所述位置坐标判断所述参考锚节点与所述未知节点是否位于同一平面内之后，还包括：

若参考锚节点与未知节点位于同一平面内，则根据所述位置坐标信息，判断参考锚节点是否在同一直线上；

若参考锚节点位于同一直线上，则替换所述参考锚节点中的至少一个锚节点，并重新根据替换后的参考锚节点的所述位置坐标信息对未知节点进行定位。

3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的三维定位方法，其特征在于，所述根据所述位置坐标判断所述参考锚节点与所述未知节点是否位于同一平面内之后，还包括：

若参考锚节点与未知节点位于同一平面内，则根据所述位置坐标信息，判断参考锚节点是否在同一直线上；

若参考锚节点不位于同一直线上，则根据参考锚节点与未知节点位于的所述同一平面的坐标信息，确定所述未知节点所处的第一维度坐标信息；

根据所述第一维度坐标信息，对所述未知节点定位进行降维处理，确定所述未知节点除所述第一维度坐标外待定位的二维坐标空间的信息；

根据所述参考锚节点在所述二维坐标空间的坐标信息，采用二维定位方法定位所述未知节点在所述二维坐标中的坐标信息；

根据所述未知节点在所述二维坐标中的坐标信息，以及所述第一维度坐标信息，确定所述未知节点在原三维坐标中的坐标信息。

4.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的三维定位方法，其特征在于，所述根据所述距离计算未知节点的位置坐标如下式所示：

其中，

上式中，(x，y，z)为未知节点的位置坐标，(x_c3，y_c3，z_c3)为第三锚节点的位置坐标，U代表未知节点，C1代表参考锚节点中的第一锚节点，C2代表参考锚节点中的第二锚节点，C3代表参考锚节点中的第三锚节点，d_uc1为未知节点与第一锚节点之间的距离，d_uc2为未知节点与第二锚节点之间的距离，d_uc3为未知节点与第三锚节点之间的距离，d_c2c1为第一锚节点与第二锚节点之间的距离，d_c3c1为第三锚节点与第一锚节点之间的距离，d_c3c2为第一锚节点与第三锚节点之间的距离。

5.根据权利要求1至4任一项所述的基于无线传感器网络的三维定位方法，其特征在于，所述根据所述位置坐标信息，判断该参考锚节点与未知节点是否位于同一平面内包括：

根据所述位置坐标信息，计算参考锚节点的位置向量与未知节点的位置向量的第一混合乘积；

若所述第一混合乘积为零，则判定该参考锚节点与未知节点位于同一平面内，若所述混合乘积不为零，则判定该参考锚节点与未知节点不是位于同一平面内。

6.根据权利要求2至4任一项所述的基于无线传感器网络的三维定位方法，其特征在于，所述根据所述位置坐标信息，判断参考锚节点是否在同一直线上包括：

根据所述位置坐标信息，计算参考锚节点的位置向量的第二混合乘积；

若所述第二混合乘积为零，则判定参考锚节点在同一直线上，若所述第二混合乘积不为零，则判定参考锚节点不在同一直线上。

7.根据权利要求3所述的基于无线传感器网络的三维定位方法，其特征在于，所述根据所述参考锚节点在所述二维坐标空间的坐标信息，采用二维定位方法定位所述未知节点在所述二维坐标中的坐标信息包括：

建立方程组如下式所示：

求解所述方程组得到未知节点在所述二维坐标中的坐标信息如下式所示：

其中，

λ＝b-AX

上式中，X为未知节点向量解，为未知节点在所述二维坐标中的坐标信息计算值，(x，y)为未知节点在所述二维坐标中的坐标，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)和(x₃，y₃)分别为参考锚节点中第一锚节点、第二锚节点和第三锚节点在所述二维坐标中的坐标，λ₁、λ₂和λ₃分别为参考锚节点中第一锚节点、第二锚节点和第三锚节点的测量误差，λ为测量误差向量。

8.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的三维定位方法，其特征在于，还包括：

若无线传感器网络中位于未知节点通信范围内有两个锚节点，则分别获取该两个锚节点的位置坐标；

根据所述位置坐标，确定未知节点与该两个锚节点所在的平面；

在所述平面内，分别以所述两个锚节点为圆心，以该锚节点与未知节点之间的距离为半径画圆；

若画出的两个圆交于一点，则以该交点在原三维坐标的坐标值为未知节点的位置坐标；

若画出的两个圆交于两点，则以该两个交点的中点在原三维坐标的坐标值为未知节点的位置坐标。

9.一种基于无线传感器网络的三维定位装置，其特征在于，所述装置包括：

第一锚节点坐标获取模块，用于获取无线传感器网络中的三个锚节点的位置坐标，将该三个锚节点作为未知节点定位的参考锚节点；

第一条件判断模块，用于根据所述位置坐标判断所述参考锚节点与所述未知节点是否位于同一平面内；

第一未知节点定位模块，用于若所述参考锚节点与所述未知节点不是位于同一平面内，则分别计算上述未知节点与参考锚节点中各个节点之间的距离，根据所述距离计算未知节点的位置坐标。

10.一种基于无线传感器网络的三维定位设备，其特征在于，所述设备包括：处理器、存储器以及无线收发装置；

所述无线收发装置用于与无线传感器网络中的节点设备进行通信交互；

所述存储器用于存储可在所述处理器上运行的程序；

所述处理器执行所述程序时，实现如权利要求1至8所述的基于无线传感器网络的三维定位方法。