CN109286977A - 基于距离信息的无锚点定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于距离信息的无锚点定位方法，主要解决现有技术在无锚点定位中无法提供多目标相对位置信息、算法复杂度高、定位精度不高的问题。其实现方案为：1)测得各定位目标之间的距离信息；2)选定某个定位目标并计算其行走步长；3)行走后获取此次行走相对于地理正北方向的角度；4)选取包括第2)中选定定位目标在内的三个基准定位目标并确定其相对位置；5)确定基准定位目标的相位角，若此次无法确定，返回2)；6)重复利用定位算法确定其他定位目标的相对位置。本发明在无锚点的情况下，融合测距信息，能同时提供多目标的相对位置信息，降低了定位的复杂度，提高了定位精度，可用于室内和室外在无锚点情况下的相对位置确定。

Description

基于距离信息的无锚点定位方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种无锚点定位方法，可用于室内和室外在无锚点情况下的相对位置确定。

背景技术

现有的定位技术主要有蓝牙定位技术、红外线定位技术、地磁场定位技术、Wi-Fi定位技术、超宽带UWB定位技术和惯性传感器定位技术等，其中：

蓝牙定位技术，使用智能手机的蓝牙模块，需要在定位环境中部署蓝牙基站，其定位精度最高可以达到亚米级，但是这种定位方法成本高，在复杂的环境中，稳定性欠妥、受噪声干扰明显。

Wi-Fi定位技术，是利用访问接入点AP组成的WLAN网，可以完成复杂环境中的定位任务，它以节点的位置数据为依据和前提，其最高精度在1米至20米之间，由于AP通常的覆盖半径在百米以内，容易被其他信号影响，降低其定位精度，且定位功耗也较高。

红外线定位技术，是利用波长在微波和可见光之间的电磁波进行定位的技术。红外室内定位系统中的光谱中心波长范围固定，一般在830～950nm之间。其定位精度高，反应敏捷，价格低廉，但是作为室内定位它的缺点很明显，首先是光线直线传播特性，使其作用范围局限于视距范围内的定位；其次红外线光传播过程中衰减严重，这限制了其应用范围。另外其他光源产生的光线也会对红外线的正常传播产生影响。

地磁场定位技术，是利用室内地磁场不同的分布状态来实现室内定位。每一个室内环境都有自己独特的环境磁场，若磁场的信息足够丰富，在这样的环境磁场中移动，不同的运动路径就会得到不同的磁场观测结果，通过预先建立用于室内定位的地磁指纹库，通过地磁匹配算法解决定位问题。但这种方法对地磁场差异性要求较高，采集地磁场指纹库工作量大，在复杂的室内环境中定位精度不高。

基于惯性传感器的定位技术，主要分为两种：一种是传统惯性传感器定位方法，另一种是行人航迹推算方法。这两种方法均应用于智能手机，即利用智能手机携带的传感器设备，先采集运动数据，然后通过计算获取手机的位置信息。

超宽带UWB定位技术，不依赖传统通信所必须的载波信号，使用极窄的脉冲信号，其在无遮挡的室内环境下可以达到厘米级的定位精度。超宽带实现定位系统有很多优势：1)能耗低，超宽带使用的脉冲时间很短，故它的信号功率谱的密度非常低。2)对信道的衰落不敏感。3)抗干扰性能很强，同时它也不会对同一所处环境下的其他信号产生影响。4)穿透能力强，这使得它更加适用于室内环境。5)当发射机和接收机的时钟同步匹配时，定位精度很高，可将误差控制在10cm以内。但超宽带定位技术对硬件实现性能要求较高，从而导致硬件实现的成本较高。

此外，上述现有技术多是为单个定位目标提供绝对的位置信息且定位精度较差，而没有同时能为多个定位目标提供高精度相对位置信息的定位技术。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于距离信息的无锚点定位方法，旨在无锚点环境下，实现对多个定位目标的高精度相对定位。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

1)测得各定位目标之间的距离d；

2)利用加速度传感器获得某个定位目标的行走加速度，得到此定位目标的估计行走步长l；

3)利用惯性传感器获得此定位目标此次行走相对于地理正北方向的角度α；

4)根据1)所测得各定位目标之间的距离d选取包括此定位目标在内的三个基准定位目标，确定这三个基准定位目标的相对位置，在确定这三个基准定位目标相对位置的过程中若出现此定位目标相位角方向无法确定，则利用这三个基准定位目标的坐标、行走步长l和3)中得到的相对于正北方向的角度α求得移动后的三角形面积变化关系确定此定位目标的相位角，若此次行走不能确定这个相位角，则返回2)；

5)任意选取某一个剩余定位目标，利用4)中确定的三个基准定位目标，根据1)得到的距离d进行三点画圆确定其相对位置；

6)重复5)直至确定所有定位目标的相对位置。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明由于在对定位目标的定位过程中，利用的是测距信息与传感器信息，不需要外界环境的配置，使用的均是设备自带硬件装置，实现了无锚点的相对定位，降低了环境配置问题对定位精度的影响；

2、本发明由于提出了一种新的定位算法，融合测距信息与传感器信息，解决了在无锚点定位中的相位角无法确定的问题，可提供高精度的相对位置信息，同时适用于室内和室外场景，适用范围广泛。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明的测距原理图；

图3是本发明中确定三个基准定位目标相对位置的原理图；

图4是本发明中的目标定位原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。

参照图1，本发明包括以下步骤：

步骤1，测得各定位目标之间的距离d。

如图2，利用第一测距设备M与第二测距设备N进行测距的实现如下：

1a)记录两台测距设备的消息包交互时间：

1a1)设定两台测距设备M和N，定义T_r1为第一测距设备M首次接收消息包到发送出Final包的间隔时间，T_r2为第二测距设备N首次接收消息包到发送出Response包的间隔时间；

1a2)第一测距设备M发送消息包，并记录发送时间T1；

1a3)第二测距设备N提前打开接收端口，接收到消息包后记录时间T2；

1a4)第二测距设备N在T3＝T2+T_r2时刻发送Response包，发送完成后记录时间T3；

1a5)第一测距设备M接收Response包后记录时间T4；

1a6)第一测距设备M在T5＝T4+T_r1时刻发送Final包，发送完成后记录时间T5；

1a7)第二测距设备N收到Final包后记录时间T6；

1b)根据1a)得到的时间记录计算第一测距设备M与第二测距设备N间的距离：

1b1)定义第一测距设备M开始发送数据包到接收完成所用时间为T_M，第二测距设备N开始发送数据包到接收完成所用时间为T_N，T_P为测距信号在第一测距设备M和N间传输一次所需的时间，则有：

T_M＝T4-T1＝T_r2+2T_P <1>

T_N＝T6-T3＝T_r1+2T_P <2>

1b2)由1a4)和1a6可得，T_r1和T_r2的表达式如下：

T_r1＝T5-T4，

T_r2＝T3-T2，

1b3)由式<1>和式<2>可解得T_P，

得到第一测距设备M与第二测距设备N间的距离为：

d＝T_P·c， 其中c为光速。

1b4)重复1a)和1b)得到所有定位目标之间的相距距离。

步骤2，获取定位目标的估计行走步长l，相对于地理正北方向的角度α。

选取一个定位目标，利用加速度传感器获得此定位目标的加速度信息，并根据加速度信息进行步长估计，得到行走步长l，通过如下公式实现：

l＝ka+b，

其中，k为设定好的线性增长率，a为加速度传感器得到的行走加速度，b为调整步长的固定数值。

利用惯性传感器获得此定位目标此次行走相对于地理正北方向的角度α。

步骤3，确定三个基准定位目标的相对位置。

如图3，确定三个基准定位目标相对位置的实现如下：

3a)在所有定位目标中选取包括步骤2中选定定位目标在内的三个不在同一直线上的基准定位目标，命名为第一定位目标A、第二定位目标B、第三定位目标C，其中第三定位目标C为步骤2中选定的定位目标；

测得第一定位目标A与第二定位目标B之间的距离d_AB，第二定位目标B与第三定位目标C之间的距离d_BC，第一定位目标A与第三定位目标C之间的距离d_AC；

取第一定位目标A为定位原点(0,0)，AB射线方向为定位坐标系x轴，设定y正轴方向为正北方向，则第二定位目标B的坐标为(d_AB,0)；

3b)计算第三定位目标C相对于第一定位目标A、第二定位目标B的方向信息为射线AB与射线AC的夹角∠A，具体求解公式如下：

3c)仅利用3b)中得到的方向信息无法判断第三定位目标C与AB连线的位置关系，故此时会存在第三定位目标C相位角无法确定的问题，在此种情况下结合距离信息求出的定位目标C的相对位置坐标有两个，即第三定位目标C在AB连线正y轴方向的坐标C₁，第三定位目标C在AB连线负y轴方向的坐标C₂，具体的坐标求解如下：

C₁(d_AC cos∠A,d_AC sin∠A)，

C₂(d_AC cos∠A,-d_AC sin∠A)；

3d)利用步骤2中得到的行走步长l和第三定位目标C此次行走相对于地理正北方向的角度α，求得行走后的第三定位目标C的相对位置坐标有两个，即第三定位目标C行走步长l后在AB连线正y轴方向的坐标C'₁，第三定位目标C行走步长l后在AB连线负y轴方向的坐标C'₂；

3e)分别比较三角形ABC₁与三角形ABC'₁的面积和三角形ABC₂与三角形ABC'₂的面积，确定第三定位目标C的相位角：

若三角形ABC'₁的面积大于三角形ABC₁的面积，且三角形ABC'₂的面积小于三角形ABC₂的面积，则第三定位目标C的坐标为C₁；

若三角形ABC'₁的面积小于三角形ABC₁的面积，且三角形ABC'₂的面积大于三角形ABC₂的面积，则第三定位目标C的坐标为C₂；

否则，重复步骤2至3，直至求出C点坐标。

步骤4，确定剩余定位目标的相对位置。

4a)选取除步骤3中的三个基准定位目标A、B、C之外的某个剩余定位目标命名为普通定位目标D，

按照步骤1的测距方法得到普通定位目标D到步骤3中三个基准定位目标A、B、C的距离为d_AD、d_BD、d_CD；

4b)如图4，由步骤3得到第一基准定位目标A坐标(0,0)、第二基准定位目标B坐标(d_AB,0)和第三基准定位目标C坐标(x_C,y_C)，以第一基准定位目标A为圆心，以第一基准定位目标A到普通定位目标D的相距距离d_AD画圆；以第二基准定位目标B为圆心，以第二基准定位目标B到普通定位目标D的相距距离d_BD画圆；以第三基准定位目标C为圆心，以第三基准定位目标C到普通定位目标D的相距距离d_CD画圆；由于D点同时在这三个圆上，因此D点为这三个圆的交点，且满足以下方程组：

4c)求解4b)中的方程组得到D点坐标；

4d)重复4a)至4c)直至确定出所有定位目标的相对位置。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于距离信息的无锚点定位方法，其特征在于，包括：

1)测得各定位目标之间的距离d；

2)利用加速度传感器获得某个定位目标的行走加速度，得到此定位目标的估计行走步长l；

3)利用惯性传感器获得此定位目标此次行走相对于地理正北方向的角度α；

4)根据1)所测得各定位目标之间的距离d选取包括此定位目标在内的三个基准定位目标，确定这三个基准定位目标的相对位置，在确定这三个基准定位目标相对位置的过程中若出现此定位目标相位角方向无法确定，则利用这三个基准定位目标的坐标、行走步长l和3)中得到的相对于正北方向的角度α求得移动后的三角形面积变化关系确定此定位目标的相位角，若此次行走不能确定这个相位角，则返回2)；

5)任意选取某一个剩余定位目标，利用4)中确定的三个基准定位目标，根据1)得到的距离d进行三点画圆确定其相对位置；

6)重复5)直至确定所有定位目标的相对位置。

2.根据权利要求1所述的办法，其中1)测得各定位目标相距距离d，其实现如下：

1a)记录两台测距设备的消息包交互时间：

1a1)设定两台测距设备M和N，定义T_r1为第一测距设备M首次接收消息包到发送出Final包的间隔时间，T_r2为第二测距设备N首次接收消息包到发送出Response包的间隔时间；

1a2)第一测距设备M发送消息包，并记录发送时间T1；

1a3)第二测距设备N提前打开接收端口，接收到消息包后记录时间T2；

1a4)第二测距设备N在T3＝T2+T_r2时刻发送Response包，发送完成后记录时间T3；

1a5)第一测距设备M接收Response包后记录时间T4；

1a6)第一测距设备M在T5＝T4+T_r1时刻发送Final包，发送完成后记录时间T5；

1a7)第二测距设备N收到Final包后记录时间T6；

1b)根据1a)得到的时间记录计算第一测距设备M与第二测距设备N间的距离：

1b1)定义第一测距设备M开始发送数据包到接收完成所用时间为T_M，第二测距设备N开始发送数据包到接收完成所用时间为T_N，T_P为测距信号在第一测距设备M和N间传输一次所需的时间，则有：

T_M＝T4-T1＝T_r2+2T_P <1>

T_N＝T6-T3＝T_r1+2T_P <2>

1b2)由1a4)和1a6可得，T_r1和T_r2的表达式如下：

T_r1＝T5-T4，

T_r2＝T3-T2，

1b3)由式<1>和式<2>可解得T_P，

得到第一测距设备M与第二测距设备N间的距离为：

d＝T_P·c，其中c为光速，

1b4)重复1a)和1b)得到所有定位目标之间的相距距离。

3.根据权利要求1所述的办法，其中2)中获得定位目标的估计行走步长l，通过如下公式实现：

l＝ka+b，

其中，k为设定好的线性增长率，a为加速度传感器得到的行走加速度，b为调整步长的固定数值。

4.根据权利要求1所述的方法，其中4)中确定三个基准定位目标相对位置，其实现如下：

4a)在所有定位目标中选取包括2)中选定定位目标在内的三个不在同一直线上的基准定位目标，命名为定位目标A、B、C，测得第一定位目标A与第二定位目标B之间的距离d_AB，第二定位目标B与第三定位目标C之间的距离d_BC，第一定位目标A与第三定位目标C之间的距离d_AC；取第一定位目标A为定位原点(0,0)，AB射线方向为定位坐标系x轴，设定y正轴方向为正北方向，则第二定位目标B的坐标为(d_AB,0)；

4b)计算第三定位目标C相对于第一定位目标A、第二定位目标B的方向信息为射线AB与射线AC的夹角∠A；

4c)结合距离信息求出第三定位目标C的相对位置坐标有两个，即第三定位目标C在AB连线正y轴方向的坐标C₁，第三定位目标C在AB连线负y轴方向的坐标C₂；

4d)利用2)中得到的行走步长l和3)中得到的第三定位目标C此次行走相对于地理正北方向的角度α，求得行走后的第三定位目标C的相对位置坐标有两个，即第三定位目标C行走步长l后在AB连线正y轴方向的坐标C'₁，第三定位目标C行走步长l后在AB连线负y轴方向的坐标C'₂；

4e)分别比较三角形ABC₁与三角形ABC'₁的面积和三角形ABC₂与三角形ABC'₂的面积，确定第三定位目标C的相位角：

若三角形ABC'₁的面积大于三角形ABC₁的面积，且三角形ABC'₂的面积小于三角形ABC₂的面积，则第三定位目标C的坐标为C₁；

若三角形ABC'₁的面积小于三角形ABC₁的面积，且三角形ABC'₂的面积大于三角形ABC₂的面积，则第三定位目标C的坐标为C₂；

否则，重复权利要求2)至4)，直至求出C点坐标。

5.根据权利要求4所述的方法，其中步骤4b)中计算第三定位目标C相对于第一定位目标A、第二定位目标B的方向信息为射线AB与射线AC的夹角∠A，通过如下公式进行：

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述5)的具体实现如下：

5a)选取4)中除三个基准定位目标A、B、C之外的某个剩余定位目标命名为普通定位目标D，则由1)得到普通定位目标D到三个基准定位目标A、B、C的距离为d_AD、d_BD、d_CD；

5b)由4)可得A点坐标(0,0)、B点坐标(d_AB,0)和C点坐标(x_C,y_C)，则D点是以基准定位目标A，B，C为圆心，以与其相距距离分别为d_AD，d_BD，d_CD为半径的三个圆的交点，且D点坐标满足以下方程组：

5c)求解5b)中的方程组得到D点坐标。