CN109738866B - 一种基于als和mds的光学非测距定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ALS和MDS的光学非测距定位方法。本发明提出的定位技术是一个不断更新的过程，定位精度随着轮数的增加而有所提高，适应水下环境，解决了ALS定位精度不高的问题，同时由于距离矩阵在不断更新，节点之间的距离得到不断校正，因此解决了MDS定位受节点密度影响大的作用。

Description

一种基于ALS和MDS的光学非测距定位方法

技术领域

本发明涉及定位方法技术领域，具体涉及一种基于ALS和MDS的光学非测距定位方法。

背景技术

非测距定位算法相较于测距算法定位精度稍低，但是测距算法对硬件要求高，功耗大。在经典的几种非测距定位算法中，区域定位算法(Area Localization Scheme,ALS)和多维标度算法(Multidimensional Scaling,MDS)都有其各自的优缺点。ALS算法是一种粗粒度定位技术，它可以估算传感器节点所在的区域，而不是精确的坐标。MDS是一种集中式定位算法，并可根据实际情况实现相对定位和绝对定位。但MDS定位方法与节点的密度有关系，当节点密度降低时，MDS定位精度会急剧下降。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于ALS和MDS的光学非测距定位方法解决了非测距定位算法定位精度不高的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于ALS和MDS的光学非测距定位方法，包括以下步骤：

S1、初始化节点，生成簇首节点；

S2、竞争簇首节点的时隙，并对节点进行相对定位；

S3、令轮数为1；

S4、当轮数为奇数时，进入步骤S5，否则进入步骤S6；

S5、下行传输簇首节点的数据，并更新簇首节点和非簇首节点的相对定位，将相对定位坐标转化为绝对坐标，实现定位，进入步骤S7；

S6、选择距离非簇首节点最近的簇首节点作为本轮的簇首完成入簇，上行传输非簇首节点的数据，对本轮的簇首之间进行AOA精确定位，进入步骤S7；

S7、令轮数加1，并返回步骤S4。

进一步地：所述步骤S1中簇首节点的生成方法具体为：

为每一个节点分配一个0到1之间的随机数，当随机数小于阈值T时，将该节点选举为簇首节点；

其中阈值T的计算公式为：

上式中，P为簇首节点在所有簇节点中占有的比例，r为当前轮数，r·mod(1/P)为每轮循环中已被选为簇首的节点个数。

进一步地：所述步骤S2的具体步骤为：

S21、簇首节点根据CSMA协议抢占自己的时隙；

S22、各个节点通过LED向外发出光源，并接收来自其他节点的光；

S23、若节点能接收到另一节点的光信息时，进入步骤S24，否则进入步骤S25；

S24、将两节点之间的距离赋值为d_ave，d_ave为多次试验得到的该功率下两节点之间的平均距离，并进入步骤S26；

S25、将两节点之间的距离赋值为d_max，并进入步骤S26；

S26、根据节点之间的距离构建节点i与其他节点的距离矩阵；

S27、根据MDS原理得到节点i的相对位置坐标矩阵。

进一步地：所述步骤S26中的距离矩阵为：

上式中，D₀ ⁱ为节点i与其他节点的距离矩阵，d_ij为节点i到节点j的距离，i＝1,2,3…n，j＝1,2,3…n，n为节点个数，其中

当i＝j时，d_ij＝0。

进一步地：所述步骤S27中的相对位置坐标矩阵为：

上式中，X₀ ⁱ为节点i的相对位置坐标矩阵，x_ab为节点a在维度为b时的相对位置坐标，a＝1,2,3…n，b＝1,2,3…q，n为节点个数，q为维度。

进一步地：所述步骤S5的具体步骤为：

S51、向下传达簇首节点的信令，采用LED对簇首节点i进行广播，将簇首节点i的ID号和距离矩阵发送给其余簇首节点和非簇首节点；

S52、更新簇首节点和非簇首节点漂移后的距离矩阵，并得到漂移后的相对位置坐标矩阵；

S53、当节点数据传输到海面基准节点且数量为至少4个时，将后续下行簇首节点的相对位置坐标转化为绝对位置坐标，实现定位；

S54、簇首节点向下传达更新后的簇首节点的距离矩阵和相对位置坐标矩阵。

进一步地：所述步骤S6的具体步骤为：

S61、选择非簇首节点距离最近的簇首节点作为本轮的簇首节点完成入簇；

S62、将非簇首节点的位置信息和ID号上传给本簇的簇首，由簇首节点整理后将位置信息和ID号向上传输给上行簇首节点；

S63、通过位置信息进行簇首节点之间的AOA精确定位。

本发明的有益效果为：本发明提出的定位技术是一个不断更新的过程，定位精度随着轮数的增加而有所提高，适应水下环境，解决了ALS定位精度不高的问题，同时由于距离矩阵在不断更新，节点之间的距离得到不断校正，因此解决了MDS定位受节点密度影响大的作用。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明中AOA精确定位方法的定位示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种基于ALS和MDS的光学非测距定位方法，包括以下步骤：

S1、初始化节点，生成簇首节点；

在初始化阶段，水下节点被布置到目标区域后，经过一段时间的休眠后会被海面基准节点(固定在船只下方，船只上装置有GPS，可以知道海面基准节点的绝对位置坐标)唤醒，进入生成簇首节点阶段。

各个节点依据“低功耗自适应集簇分层型(Low-Energy Adaptive ClusteringHierarchy,LEACH)协议，簇首节点的生成方法具体为：

为每一个节点分配一个0到1之间的随机数，当随机数小于阈值T时，将该节点选举为簇首节点；

其中阈值T的计算公式为：

上式中，P为簇首节点在所有簇节点中占有的比例，r为当前轮数，r·mod(1/P)为每轮循环中已被选为簇首的节点个数。

S2、竞争簇首节点的时隙，并对节点进行相对定位；

具体步骤为：

S21、簇首节点根据CSMA(Carrier Sense Multiple Access with CollisionDetection，具有碰撞检测的载波侦听多路访问)协议抢占自己的时隙；

S22、各个节点通过LED向外发出光源，并接收来自其他节点的光；

该发明中只允许节点LED光源发射一种功率级别的光，在发射光时，同时将自己的ID号告知接收节点，接收端根据ID号来识别其他节点，避免产生干扰。

S23、若节点能接收到另一节点的光信息时，进入步骤S24，否则进入步骤S25；

S24、将两节点之间的距离赋值为d_ave，d_ave为多次试验得到的该功率下两节点之间的平均距离，并进入步骤S26；

S25、将两节点之间的距离赋值为d_max，d_max为一个足够大的值，并进入步骤S26；

S26、根据节点之间的距离构建节点i与其他节点的距离矩阵；

距离矩阵为：

上式中，D₀ ⁱ为节点i与其他节点的距离矩阵，d_ij为节点i到节点j的距离，i＝1,2,3…n，j＝1,2,3…n，n为节点个数，其中

当i＝j时，d_ij＝0。

此时节点只知道自己与其他节点的距离信息，但不知道其他节点之间的距离信息，因此在距离矩阵里将这些未知距离信息都赋值为d_max，得到距离矩阵后由MDS原理得到各个节点的粗略相对位置坐标。

S27、根据MDS原理得到节点i的相对位置坐标矩阵。

定位是在接收端进行，由于每个节点既发出光源也接收光源，因此此时节点内部都存有一个相对位置坐标矩阵，相对位置坐标矩阵为：

上式中，X₀ ⁱ为节点i的相对位置坐标矩阵，x_ab为节点a在维度为b时的相对位置坐标，a＝1,2,3…n，b＝1,2,3…q，n为节点个数，q为维度。

S3、令轮数为1；

S4、当轮数为奇数时，进入步骤S5，否则进入步骤S6；

S5、簇首节点进行下行数据传输，并更新相对定位，非簇首节点更新相对定位，通过相对定位坐标转化位绝对坐标，实现定位，进入步骤S7；

具体步骤为：

S51、向下传达簇首节点的信令，采用LED对簇首节点i进行广播，将簇首节点i的ID号和距离矩阵发送给其余簇首节点和非簇首节点；

S52、更新簇首节点和非簇首节点漂移后的距离矩阵，并得到漂移后的相对位置坐标矩阵；

此时相对定位的方法和上述一致，在水流作用下，节点发生漂移，距离矩阵得到更新，为

那么由MDS原理得到的节点相对位置坐标矩阵也得到了更新，为

S53、当节点数据传输到海面基准节点(海面基准节点的绝对位置坐标是已知的)且数量为至少4个时，将后续下行簇首节点的相对位置坐标转化为绝对位置坐标，实现定位；

S54、簇首节点向下传达更新后的簇首节点的距离矩阵和相对位置坐标矩阵。

S6、选择距离非簇首节点最近的簇首节点作为本轮的簇首完成入簇，上行传输非簇首节点的数据，对本轮的簇首之间进行AOA(Angle Of Arrival，到达角度)精确定位，进入步骤S7；

具体步骤为：

S61、选择非簇首节点距离最近的簇首节点作为本轮的簇首节点完成入簇；

S62、将非簇首节点的位置信息和ID号上传给本簇的簇首，由簇首节点整理后将位置信息和ID号向上传输给上行簇首节点；

S63、通过位置信息进行簇首节点之间的AOA精确定位。

AOA精确定位的方法为：

以未知坐标点为起点形成的射线必经过已知位置坐标点，两条射线的交点即为未知位置坐标点的位置。该方法只需两个已知位置坐标点就可以确定未知点的估计位置，如图2所示，A、B为已知坐标点，C点为未知点。当C点装有天线阵列时，天线阵列根据A、B发送的信号来确定入射角度。两个基站的入射角分别为α₁、α₂，以A、B为起点，入射角方向构造直线的交点，即为C点的位置。假设C点位的置坐标为(x,y)，A、B点位置坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)，根据其几何意义，则它们之间满足：

联立方程组，即可求得x，y的值，从而求得C点的位置坐标。这是二维环境下建立的方程。三维环境下原理相同，需要至少已知三个点的位置坐标和入射角度，建立三个方程，联立方程组求得未知点的坐标。

S7、令轮数加1，并返回步骤S4。

Claims (5)

1.一种基于ALS和MDS的光学非测距定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、初始化节点，生成簇首节点；

S2、竞争簇首节点的时隙，并对节点进行相对定位；

S3、令轮数为1；

S4、当轮数为奇数时，进入步骤S5，否则进入步骤S6；

S5、下行传输簇首节点的数据，并更新簇首节点和非簇首节点的相对定位，将相对定位坐标转化为绝对坐标，实现定位，进入步骤S7；

S6、选择距离非簇首节点最近的簇首节点作为本轮的簇首节点完成入簇，上行传输非簇首节点的数据，对本轮的簇首节点之间进行AOA精确定位，进入步骤S7；

S7、令轮数加1，并返回步骤S4；

所述步骤S1中簇首节点的生成方法具体为：

为每一个节点分配一个0到1之间的随机数，当随机数小于阈值T时，将该节点选举为簇首节点；

其中阈值T的计算公式为：

上式中，P为簇首节点在所有簇节点中占有的比例，r为当前轮数，r·mod(1/P)为每轮循环中已被选为簇首的节点个数；

所述步骤S2的具体步骤为：

S21、簇首节点根据CSMA协议抢占时隙；

S22、各个节点通过LED向外发出光源，并接收来自其他节点的光；

S23、若节点能接收到另一节点的光信息时，进入步骤S24，否则进入步骤S25；

S24、将两节点之间的距离赋值为d_ave，d_ave为多次试验得到的当前LED发出光源时的功率下两节点之间的平均距离，并进入步骤S26；

S25、将两节点之间的距离赋值为d_max，并进入步骤S26；

S26、根据节点之间的距离构建节点i与其他节点的距离矩阵；

S27、根据MDS原理得到节点i的相对位置坐标矩阵。

2.根据权利要求1所述的基于ALS和MDS的光学非测距定位方法，其特征在于，所述步骤S26中的距离矩阵为：

上式中，D₀ ⁱ为节点i与其他节点的距离矩阵，d_ij为节点i到节点j的距离，i＝1,2,3…n，j＝1,2,3…n，n为节点个数，其中

当i＝j时，d_ij＝0。

3.根据权利要求1所述的基于ALS和MDS的光学非测距定位方法，其特征在于，所述步骤S27中的相对位置坐标矩阵为：

上式中，X₀ ⁱ为节点i的相对位置坐标矩阵，x_ab为节点a在维度为b时的相对位置坐标，a＝1,2,3…n，b＝1,2,3…q，n为节点个数，q为维度的个数。

4.根据权利要求1所述的基于ALS和MDS的光学非测距定位方法，其特征在于，所述步骤S5的具体步骤为：

S51、向下传达簇首节点的信令，采用LED对簇首节点i₀进行广播，将簇首节点i₀的ID号和距离矩阵发送给其余簇首节点和非簇首节点；

S52、更新簇首节点和非簇首节点漂移后的距离矩阵，并得到漂移后的相对位置坐标矩阵；

S53、当节点数据传输到至少4个海面基准节点时，将后续下行簇首节点的相对位置坐标转化为绝对位置坐标，实现定位；

S54、簇首节点向下传达更新后的簇首节点的距离矩阵和相对位置坐标矩阵。

5.根据权利要求1所述的基于ALS和MDS的光学非测距定位方法，其特征在于，所述步骤S6的具体步骤为：

S61、选择与非簇首节点距离最近的簇首节点作为本轮的簇首节点完成入簇；

S62、将非簇首节点的位置信息和ID号上传给本簇的簇首，由簇首节点整理后将位置信息和ID号向上传输给上行簇首节点；

S63、通过位置信息进行簇首节点之间的AOA精确定位。

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