CN110082714B

CN110082714B - 确定物体相对位置分布关系的方法和装置

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Publication number: CN110082714B
Application number: CN201910326295.4A
Authority: CN
Inventors: 刘成; 高为广; 王威; 宿晨庚; 国际
Original assignee: 63921 Troops of PLA
Current assignee: 63921 Troops of PLA
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2019-04-23
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2039-04-23
Also published as: CN110082714A

Abstract

本发明提供一种确定物体之间相互位置关系的装置、方法和计算机可读存储介质，其中所述装置包括：无线通信传感器，当所述装置与待测物体物理地连接时，其配置用于执行以下操作：与物理地连接到另一物体的另一装置建立通信连接；执行与连接到所述另一物体的所述另一装置的互感应测量；基于所述互感应测量值，确定所述物体与所述另一物体之间的相对位置关系。通过利用本发明的方案，可以实现室内物体间准确的相对位置定位，便于对物体的监控、查找和管理。

Description

确定物体相对位置分布关系的方法和装置

技术领域

本发明一般地涉及物体的定位，属于物流管理与工业控制技术领域。更具体地，本发明涉及一种确定物体相对位置分布关系的装置、方法和计算机可读存储介质。

背景技术

近年来，我国物流及物联网产业迅猛发展。在港口、码头、无水港、物流仓库与中转中心等诸多场景下，人们需要面对和解决大量物体(如集装箱、货柜等)的定位问题。确定这些物体的位置，能够方便人们进行查找、调度和管理，实现精确可控的操作作业，提高相关企业和部门管理效率水平。然而，由于这些堆场环境通常信号遮挡和多径误差情况严重，因此仅依靠传统GPS、北斗等全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)或者基于Wi-Fi、Bluetooth等局域无线网络技术的室内定位系统无法精确确定其绝对坐标位置，为相关工作带来了瓶颈和困难。

实际上，在复杂大型堆场环境下寻找特定物体，并不一定需要确定各个物体的绝对坐标位置。在许多情况下，通过确定各个物体之间的相对位置分布关系，也能够确定特定物体的所在，并进而实现查找和调度。而近年来已在集装箱、货柜等物流管理与工业控制领域广泛应用的GPRS、RFID、Wi-Fi、ZigBee、Bluetooth、iBeacon等无线通信技术为这一技术途径提供了实现基础。

发明内容

鉴于上文所提到的技术缺陷和技术瓶颈，本发明提出一种判断物体相对位置分布关系的装置、方法和计算机可读存储介质。

在第一方面中，本发明提供一种确定物体之间相互位置关系的装置，包括：

无线通信传感器，当所述装置与待测物体物理地连接时，配置用于执行以下操作；

与连接到另一物体的另一装置建立通信连接；

执行与连接到所述另一物体的所述另一装置的互感应测量；

基于所述互感应测量值，确定所述物体与所述另一物体之间的相对位置关系。

在一个实施例中，所述装置还包括连接部件，配置用于将所述装置物理地连接到所述物体，连接部件包括用于将所述装置固定到所述物体的磁性部件、粘性部件或机械部件中的至少一个。

在又一个实施例中，所述无线通信传感器包括从以下的组中选择的一个或多个模块：Wi-Fi模块、蓝牙模块、射频标签模块、ZigBee模块、LORA模块、iBeacon模块、NB-IoT模块、WLAN模块、GPRS通信模块、GSM通信模块、3G通信模块、4G通信模块、或5G通信模块。

在另一个实施例中，所述无线通信传感器还配置用于基于所述互感应测量值，通过基于虚拟基准锚点的匹配算法来确定所述物体与所述另一物体之间的相对位置关系。

在一个实施例中，所述互感应测量值包括接收信号强度、信号到达时间或信号连接质量中的一个或多个。

在另一个实施例中，所述无线通信传感器配置用于基于所述互感应测量值，确定所述装置与所述另一装置之间的距离测量值，并且基于所述距离测量值，确定所述物体与所述另一物体之间的相对位置关系。

在又一个实施例中，所述物体是集装箱。

在一个实施例中，所述相对位置关系是所述物体和所述另一物体之间的上下、前后或左右的相对位置分布关系。

在第二方面中，本发明提供一种用于确定物体之间相互位置关系的方法，包括：

将根据第一方面和其多个实施例所述的多个装置分别放置到多个待测量物体上；

启动放置在待测量物体上的所述装置，以执行所述装置之间的互感应测量；以及

获得待测量的所述物体之间的相对位置关系。

在第三方面中，本发明提供一种计算机可读存储介质，包括用于确定物体之间相互位置关系的程序，当程序由处理器运行时，执行以下的操作包括：

建立与根据第一方面和其多个实施例所述的装置的无线通信连接；

与所述装置执行互感应测量值；以及

基于所述互感应测量值，确定与安装有所述装置的物体之间的相对位置关系。

通过利用本发明的装置、方法和计算机可读存储介质，可以实现室内物体间准确的相对位置定位，便于对物体的监控、查找和管理。

附图说明

通过阅读仅作为示例提供并且参考附图进行的以下描述，将更好地理解本发明及其优点，其中：

图1是示出根据本发明实施例的装置执行操作的示意图；

图2是示出根据本发明实施例的作为待测物体的集装箱群的示意图；

图3是示出根据本发明实施例的装置的安装示意图；

图4是示出根据本发明实施例的装置的多个信号路径衰减模型的示意图；

图5是示出根据本发明实施例的三边测量法的示意图；

图6是示出根据本发明实施例的装置的虚拟基准锚点构造的示意图；以及

图7是示出将根据本发明实施例的装置应用于装集装箱快速匹配过程的示意图。

具体实施方式

本发明总体上公开一种判断多个物体之间相对位置分布关系的装置、方法和计算机可读存储介质。在一个应用场景中，可以首先将本发明的装置通过连接部件来固定和安装到待测物体的特定位置处；接着，启动装置中的无线通信传感芯片(或模块)进行接收信号强度(Received Signal Strength Indication，RSSI)、或信号到达时间、或信号连接质量等指标的互感应测量，由此可进一步计算得到装置相互之间的距离测量值。最后，利用各装置相互之间的距离测量值，通过算法推导和确定各物体之间的上下、前后、左右等相对位置分布关系。

本发明不同于传统卫星导航定位系统等获取终端绝对三维坐标位置的技术体制，而是通过确定多个物体之间的相互位置分布关系，帮助解决集装箱、货柜等物体在港口、码头、无水港、物流仓库等复杂堆场及信号遮挡环境下的位置确定和找寻问题，从而提高调度、管理效率和水平。

图1是示出根据本发明实施例的装置执行操作的示意图。如图1中所示，根据本发明的装置A和装置B分别被放置在物体A和物体B上，从而与物体A和物体B位于同一位置或者说物理地连接。本发明的装置A或装置B布置有无线通信传感器，该无线通信传感器在启动时，支持互感应测量，例如执行接收信号强度、信号到达时间或信号连接质量的测量，并且基于这些测量来确定装置A和B之间的距离测量值。接着，在获得距离测量值后，本发明可以进一步借助于多种算法(下文以例子描述)中的一种来推导和确定物体A和物体B之间的上下、前后或左右等相对位置的分布关系。

下面将以图2所示的3(行)×3(列)×3(层)规模的集装箱群中的应用为例来详细介绍本发明的实施例。

1、安装本发明的装置

首先将本发明的装置固定安装在集装箱之上。若集装箱表面设计有专门的安装位置和接口，可将本装置安装至集装箱上的专用位置；否则，本发明的装置可选地包括连接部件，用于将装置物理地固定到集装箱上。例如，当连接部件是本发明装置外壳上的磁性或粘性设备时，可利用磁性(如磁铁)或粘性设备，将装置吸附在集装箱凹槽等不影响集装箱堆放、吊装和运输的位置，如图3所示。

2、信号测量与无线传输

待安装好本发明的装置后，启动该装置以测量来自其他多个、安装在别的集装箱上的装置的信号，并据此确定自己至其他多个装置的测量距离。在一个实施例中，这可以通过测量接收信号强度、测量信号到达时间或测量信号连接质量等多种方式来实现。

(1)利用信号强度测量确定距离

在一个场景中，当利用信号强度计算信号传播距离时，可以借助信号路径衰减模型。目前常用的路径衰减模型主要有3种：线性模型、经典对数模型以及对数双斜率模型，分别如图4中的(a)、(b)和(c)所示。

a.线性模型

线性模型假设信号强度r(d)(单位：dbm)与传输距离d(单位：m)成线性分布：

r(d)＝p+α₀+10α₁d (1)

其中，p为装置发射能量(单位：dbm)，α_i(i＝0，1)为信号线性模型衰减系数。该模型已收入IEEE 802.15a信道模型标准，适用于短距离传输环境。

b.经典对数模型

该模型也称为阴影模型，它假设信号在传播过程中的信号强度与距离呈对数变化关系。由此，接收信号强度r(d)与其对应的传输距离d满足关系：

r(d)＝p+β₀+10β₁1g d (2)

此模型适用于无线局域网的大部分传播环境其中，p为发射端基准能量(单位：dbm)，β_i(i＝0，1)为信号对数模型衰减系数。在理想情况下，路径衰减指数β₁＝2，在实际传输环境中则通常在2～5之间取值。

c.对数双斜率模型

对数双斜率模型认为信号在传输过程中的环境会发生较大变化，而在环境变化的前后，信号强度r(d)与传输距离d会以不同的程度进行对数衰减，并满足：

该模型由双射线模型推导而来，适用于无线局域网室内传输环境，尤其是视距范围。其中，d_f表示环境中r(d)与传输距离d的关系发生变化的位置，称为“拐点”；γ₁、γ₂分别是拐点前后路径衰减系数。当d＜d_f时，该模型实际上就是经典对数模型，故γ₁通常情况下取值2～5，γ₂取值在2～7之间。

(2)利用信号到达时间测量确定距离

设某一装置信号发射时间为t₀，另一装置接收到该信号的时间为t₁，则两个装置之间的测量距离d为：

d＝(t₁-t₀)·c (4)

其中，c＝3×10⁸m/s为电磁波信号传播速度。

在测量得到以上信号强度或信号到达时间测量值后，本发明的装置通过其中的无线通信传感器(芯片或模块)将其发送至计算机或服务器等数据处理终端。在一个实施例中，本发明的无线通信传感器集成有数据处理终端，以执行基于互感应测量来确定物体间的相对位置(如本例子中的集装箱间的相对位置)的操作。在另一个实施例中，本发明的装置集成有数据处理终端，从而无线通信传感器通过装置的内部数据总线来传递互感应测量值，以确定物体间的相对位置。

3、利用基于虚拟基准锚点的快速匹配算法来确定集装箱之间的相对位置分布关系

在获得各装置相互之间的距离测量值之后，本领域技术人员在本发明的教导下可以利用多种算法来确定集装箱之间的相对位置分布关系。仅作为示例，本发明在此阐述一种基于虚拟基准锚点的快速匹配算法。

(1)传统三边测量法基本原理

全球定位系统(“GPS”)等全球卫星导航系统(“GNSS”)以及基于Wi-Fi等无线局域网技术的室内定位系统均需要布设若干已知空间坐标位置的基准锚点——对于GNSS系统而言为导航卫星，对于无线局域网室内定位系统而言则为网络热点或接入点(AP)。这样，通过测量终端到多个基准锚点的距离，即能构造得到距离方程，接着利用三边测量法计算可以得到终端空间坐标位置。

如图5所示，利用三边测量法求解终端P位置坐标(x，y，z)的过程为：设节点AP₁、AP₂、AP₃的已知坐标分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)，终端P至节点AP₁、AP₂、AP₃的测量距离分别为d₁、d₂、d₃，则可得到距离观测方程：

对式(5)进行泰勒级数线性化展开后，即可进行高斯迭代求解得到终端P的位置坐标(x，y，z)。

(2)构建初始虚拟基准锚点

构建虚拟基准锚点的过程如图6所示，具体步骤包括：

步骤1：从各集装箱中选择一个具有较多距离测量值的集装箱A作为初始基准锚点(较多的测量值意味着该集装箱具有较优的测量环境)，并假设其三维坐标为A(0，0，0)；

步骤2：从集装箱A的诸多距离测量中选择一个最小值d_i(在信号强度测量中，较短的距离通常有着较高的准确度)，将与该测量值对应的集装箱记为B，并假设其三维坐标为B(d_i，0，0)；

步骤3：从其他集装箱中选择一个能够同时感应测量A和B的集装箱并记为C，假设C至A和B的距离测量值分别为d_i+1和d_i+2、C的三维坐标为(x_C，y_C，z_C)，则可利用三边测量法得到距离观测方程组：

式(6)没有唯一解，可从多解中任选一组解作为集装箱C的三维坐标。

由此，即构造得到了最初的三个虚拟基准锚点A、B、C，提供了三维定位所需的三个空间基准。

(3)利用虚拟基准锚点进行扩展定位

从剩余集装箱中选择一个能够同时感应测量A、B和C的集装箱并记为D，利用与上述同理的距离观测方程形式，即可求解得到D的三维空间坐标唯一解。而此时，集装箱D也成为了新的虚拟基准锚点，并可帮助其他集装箱实现定位。

依次类推，剩余集装箱能够被逐一确定。

值得指出的是，随着虚拟基准锚点的不断增加，后续集装箱在定位时的距离方程数量也将增多，这种冗余性的增加将提升定位的准确度和方法的鲁棒性。

(4)修正匹配得到各集装箱的分布位置

经过上述处理，所有集装箱的三维坐标都已被确定。但这些坐标都是虚拟建立的，且误差较大，并不符合实际集装箱群的规则排列形状。为此，需要设法最后确定各集装箱的相对位置分布关系。作为示例，可使用一种快速匹配方法，其步骤如下：

步骤1：计算得到各集装箱的三维坐标平均值，并以该平均值为几何中心，根据集装箱的规格尺寸(外部长度、高度和宽度值)，建立得到一个3×3×3规模的规则三维数组矩阵；

步骤2：从所有集装箱中，找到与三维数组矩阵中心位置元素(即上述平均值)几何距离最接近的集装箱，并将其匹配至三维数组矩阵中心元素位置处；

步骤3：选择三维数组矩阵中除中心元素外的另外一个元素位置，并从剩余集装箱中选择一个与其几何距离最接近的集装箱，将其匹配至该元素位置处；

步骤4：依次类推，可以实现所有集装箱与该规则三维数组矩阵的位置一一匹配，并最终得到符合实际规则排列形状的集装箱相对位置分布关系。

这一匹配过程的原理如图7所示，其中黑色实心点为匹配前的集装箱虚拟坐标位置，虚线空心点为匹配后得到的集装箱规则排列结果。

如上所述，通过使用本发明的装置，可以确定物体之间相互位置关系，该使用的过程包括将多个根据本发明的装置分别放置到多个待测量的物体上。接着，启动放置在待测量物体上的所述装置，以执行所述装置之间的互感应测量。最后，获得待测量的所述物体之间的相对位置关系，如上文例子的集装箱之间的相对位置关系。

虽然本发明所实施的方式如上，但所述内容只是为便于理解本发明而采用的实施例，并非用以限定本发明的范围和应用场景。任何本发明所述技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种确定物体之间相互位置关系的装置，包括：

无线通信传感器，将多个装置分别放置到多个待测量物体上，当所述装置与待测物体物理地连接时，其配置用于执行以下操作：

与物理地连接到另一物体的另一装置建立通信连接；

执行与连接到所述另一物体的所述另一装置的互感应测量；

基于所述互感应测量值，确定所述物体与所述另一物体之间的相对位置关系；

所述无线通信传感器还配置用于基于所述互感应测量值，通过基于虚拟基准锚点的匹配算法来确定所述物体与所述另一物体之间的相对位置关系；

其中，所述基于所述互感应测量值，通过基于虚拟基准锚点的匹配算法来确定所述物体与所述另一物体之间的相对位置关系，包括：

利用三边测量法和所述互感应测量值构建初始虚拟基准锚点；

利用所述初始虚拟基准锚点进行扩展定位得到各物体的分布位置；

修正匹配所述分布位置，得到各物体的之间的相对位置关系。

2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括连接部件，其配置用于将所述装置物理地连接到所述物体，所述连接部件包括用于将所述装置固定到所述物体的磁性部件、粘性部件或机械部件中的至少一个。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述无线通信传感器包括从以下的组中选择的一个或多个模块：Wi-Fi模块、蓝牙模块、射频标签模块、ZigBee模块、LORA模块、iBeacon模块、NB-IoT模块、WLAN模块、GPRS通信模块、GSM通信模块、3G通信模块、4G通信模块、或5G通信模块。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述互感应测量值包括接收信号强度、信号到达时间或信号连接质量中的一个或多个。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述无线通信传感器配置用于基于所述互感应测量值，确定所述装置与所述另一装置之间的距离测量值，并且基于所述距离测量值，确定所述物体与所述另一物体之间的相对位置关系。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述物体是集装箱。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述相对位置关系是所述物体和所述另一物体之间的上下、前后或左右的相对位置分布关系。

8.一种用于确定物体之间相互位置关系的方法，包括：

将根据权利要求1-7的任意一项所述的多个装置分别放置到多个待测量物体上；

获得待测量的所述物体之间的相对位置关系。

9.一种计算机可读存储介质，包括用于确定物体之间相互位置关系的程序，当程序由处理器运行时，执行以下的操作包括：

建立与根据权利要求1-7的任意一项所述的装置的无线通信连接；

与所述装置执行互感应测量值；以及