CN111157946A - 一种室内人员定位方法 - Google Patents

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    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
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Abstract

本发明公开了一种室内人员定位方法，该方法通过空间中三点坐标及到目标点的距离，得出目标点在室内的实际位置。该方法首先是在空间中选取了三个参考点，将原始的三维坐标系转换成一个以某个参考点为原点的新坐标系，获得三个参考点在新的坐标系下的坐标，再通过三个参考点和目标点的距离，列出关系方程，然后求解方程得出目标点在原坐标系中的坐标。该方法对比于传统的空间三点定位法，解决了传统方法中当距离不精确从而导致计算不出结果的问题，能够获得高精度的计算结果，从而实现高效快速的室内定位。

Description

一种室内人员定位方法
技术领域
本发明涉及定位领域，尤其涉及一种室内人员定位方法。
背景技术
室内人员定位技术主要是快速定位人员在室内的位置，而如何在现有的室内定位算法基础上实现更加良好的效果是值得考虑的。
目前，在比较广阔的地方，使用GPS来进行定位是最好的选择。但对于室内环境的封闭性还有干扰的因素，GPS定位在室内的定位精度并不高。在室内用的比较常见的是通过在室内设立几个微型基站，人员可以手持标签接收到基站传过来的距离信息，从而根据距离进行计算。但由于距离信息无非是根据超宽带、wifi等技术进行测距，或多或少会有一定的偏差，需要人工加各种算法进行更精确的处理，不然会导致后续的计算中算不出精确的值或是算不出结果。那么如何在减少前期的数据预处理的前提下，得到相对精确的值，是当前室内定位的问题所在。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种当小型基站所传输的距离值不是非常精确的情况下，也能够得到相对精确的定位坐标，且运算量不大的室内人员定位方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种室内人员定位方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、从室内空间中选取四个点作为参考点，一般是室内的边缘的四个点，并放置能发送距离信息的小型基站。
步骤2、人携带接收器作为目标点会接收到四个参考点到自身的距离信息，滤除和目标点距离最远的参考点，获得距离最近的三个参考点P1，P2，P3。
步骤3、新建新的坐标系，以P1作为新坐标系的原点，以向量
Figure BDA0002355207460000011
作为新坐标系的X轴，作经过P1垂直于
Figure BDA0002355207460000012
的直线，作为新坐标系的Y轴。
步骤4、计算P2、P3在新坐标系下的坐标，P2的横坐标通过计算向量
Figure BDA0002355207460000013
的模得出，记为
Figure BDA0002355207460000014
P3的坐标需要先计算出新坐标系的X轴的单位向量
Figure BDA0002355207460000015
由于
Figure BDA0002355207460000016
由于
Figure BDA0002355207460000017
作为单位向量，模为1，即
Figure BDA0002355207460000018
Figure BDA0002355207460000019
即P3在新坐标系下的x轴上的投影，也就是P3的横坐标，记为i1。再根据得到的i1计算P1到经过P3且垂直于向量P1P2的直线的向量
Figure BDA00023552074600000110
和
Figure BDA00023552074600000111
的向量差
Figure BDA00023552074600000112
除以模即为
Figure BDA00023552074600000113
代表的是新坐标系的y轴的单位向量。
Figure BDA0002355207460000021
和
Figure BDA0002355207460000022
的点乘即为P3在新坐标系下的纵坐标j1。
步骤5、在步骤4中可以得到P1(0，0，0)、P2(h，0，0)、P3(i1，j1，0)，此为在新坐标系下的坐标。设目标点的坐标为(x，y，z)，到P1、P2、P3的距离分别为r1、r2、r3。根据距离计算公式，可以得到方程：
x2+y2+z2＝r12 (1)
(x-h)2+y2+z2＝r22 (2)
(x-i1)2+(y-j1)2+z2＝r32 (3)
步骤6、解方程可得x和y的值。而针对于室内定位来说，只需要得到x和y就可以确定人在室内的位置，而不用考虑z算不出来的情况。
进一步地，所述步骤5中的x的求解是使用方程1减去方程2，可得：
Figure BDA0002355207460000023
y的求解是通过方程2减去方程3得到y关于x的方程式，然后通过将已得出的x带入上述的方程式，即可得到y的值，即：
Figure BDA0002355207460000024
本发明提供的室内人员定位方法，该方法的优点是针对于室内人员定位的特殊场景，对解方程的步骤进行了特殊处理。可以看出，无论目标点接收到的距离是多少，都能得出x和y的值，而不会出现算不出结果的情况，且符合方程的x和y至少是相对精确的值。而对于z2＝r12-y2-x2，得出z值需要开根号，可能会出现算出的z2是负数的情况，但是针对于室内人员定位，并不需要知道z值，即高度。因此可以不计算z值，从而使方程能够得出相对精确的x和y值。这样一来，就无需对接收到的距离信息进行复杂的算法处理，直接套入方程计算即可。
附图说明
图1是本发明的基站在新坐标系下的计算示意图；
图2是本发明的方法流程示意图；
图3是本发明实施例中选取的四个参考点与目标点位置示意图；
图4是本发明测试用例中选取的9个测试点示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图2所示，本发明提出的一种室内人员定位方法，包括如下步骤：
步骤1、从室内空间中选取四个点作为参考点，一般是室内的边缘的四个点，并放置能发送距离信息的小型基站。
步骤2、人携带接收器作为目标点会接收到四个参考点到自身的距离信息，滤除和目标点距离最远的参考点，获得距离最近的三个参考点P1，P2，P3。
步骤3、新建新的坐标系，以P1作为新坐标系的原点，以向量
Figure BDA0002355207460000031
作为新坐标系的X轴，作经过P1垂直于
Figure BDA0002355207460000032
的直线，作为新坐标系的Y轴。
步骤4、计算P2、P3在新坐标系下的坐标，P2的横坐标通过计算向量
Figure BDA0002355207460000033
的模得出，记为
Figure BDA0002355207460000034
P3的坐标需要先计算出新坐标系的X轴的单位向量
Figure BDA0002355207460000035
由于
Figure BDA0002355207460000036
由于
Figure BDA0002355207460000037
作为单位向量，模为1，即
Figure BDA0002355207460000038
Figure BDA0002355207460000039
即P3在新坐标系下的x轴上的投影，也就是P3的横坐标，记为i1。再根据得到的i1计算P1到经过P3且垂直于向量P1P2的直线的向量
Figure BDA00023552074600000310
和
Figure BDA00023552074600000311
的向量差
Figure BDA00023552074600000312
除以模即为
Figure BDA00023552074600000313
代表的是新坐标系的y轴的单位向量。
Figure BDA00023552074600000314
和
Figure BDA00023552074600000315
的点乘即为P3在新坐标系下的纵坐标j1，如图2所示。
步骤5、在步骤4中可以得到P1(0，0，0)、P2(h，0，0)、P3(i1，j1，0)，此为在新坐标系下的坐标。设目标点的坐标为(x，y，z)，到P1、P2、P3的距离分别为r1、r2、r3。根据距离计算公式，可以得到方程：
x2+y2+z2＝r12 (1)
(x-h)2+y2+z2＝r22 (2)
(x-i1)2+(y-j1)2+z2＝r32 (3)
步骤6、解方程可得x和y的值。x的求解是使用方程1减去方程2，可得：
Figure BDA00023552074600000316
y的求解是通过方程2减去方程3得到y关于x的方程式，然后通过将已得出的x带入上述的方程式，即可得到y的值，即：
Figure BDA00023552074600000317
针对于室内定位来说，只需要得到x和y就可以确定人在室内的位置，而不用考虑z算不出来的情况。
本发明的一个具体实施例如下：以室内足球场为测试场景，在室内足球场的人员定位方法包括以下步骤：
步骤1、在足球场上的四个角落放置微型基站，坐标分别为A1(0，10，100)，A2(10200，0，150)，A3(0，6510，200)，A4(10000，6500，170)坐标的单位为厘米，基本就是一个长100m宽65m的足球场，高为2m是因为小型基站是放在比较高的位置，而不是直接放在地上。而基站放置的位置也不可能刚好处于边缘，通常会有一些误差，因此坐标设定不一定四个点正好都在足球场上的四个顶点上。
步骤2、在准备工作做好后，让人手持接收器在足球场上走动，选取其中某一时刻的数据的距离信息进行分析，目标点实际所在的位置如图3所示。目标点到A1、A2、A3、A4的距离分别为3248、9959、3717、10176。首先滤除距离最远的点，即A4点，之后以A1、A2、A3作为定位的参考点，记为P1、P2、P3。
步骤3、新建新的坐标系，以P1作为新坐标系的原点，以向量
Figure BDA0002355207460000041
作为新坐标系的X轴，作经过P1垂直于
Figure BDA0002355207460000042
的直线，作为新坐标系的Y轴。
步骤4、计算P2、P3在新坐标系下的坐标，P2的横坐标通过计算向量
Figure BDA0002355207460000043
的模就可以得出，记为
Figure BDA0002355207460000044
P3的坐标首先需要先计算出新坐标系的X轴的单位向量
Figure BDA0002355207460000045
P3的横坐标即
Figure BDA0002355207460000046
Figure BDA0002355207460000047
再根据得到的i1计算P1到经过P3且垂直于向量P1P2的直线的向量
Figure BDA0002355207460000048
Figure BDA0002355207460000049
和
Figure BDA00023552074600000410
的向量差除以模即为
Figure BDA00023552074600000411
代表的是新坐标系的y轴的单位向量。
Figure BDA00023552074600000412
和
Figure BDA00023552074600000413
的点乘即为P3在新坐标系下的纵坐标j1＝6500.77。
步骤5、在步骤4中可以得到P1(0,0,0)、P2(10200.127,0,0)、P3(-5.8822,6500.77,0)，此为在新坐标系下的坐标。设目标点的坐标为(x，y，z)，根据距离计算公式，可以得到方程：
x2+y2+z2＝32482 (1)
(x-10200.127)2+y2+z2＝99592 (2)
(x+5.8822)2+(y-6500.7702+z2＝37172 (3)
步骤6、目标点的x的得出是使用方程1减去方程2，可得：
Figure BDA00023552074600000414
y的得出是通过方程2减去方程3得到y关于x的方程式，然后通过将上步已得出的x带入该方程式，即可得到y的值，即：
Figure BDA0002355207460000051
得出的结果和实际人员所在的位置(750,3000)是基本符合的，只有8cm左右的误差。为了更好的验证本方法的可行性，我们让被测试人员分别站在9个比较有代表性的位置，如图4所示，得出的数据和原始数据的对比如表1所示。可以看出误差基本上在5cm左右，说明本发明定位效果是非常好的，能够满足定位要求。
表1
测试点 实际坐标 计算得出的坐标 平均误差
Point 1 (0,3250) (-5.4344,3255.2334) 5.3339
Point 2 (2500,4875) (2506.7532,4881.2343) 6.4939
Point 3 (2500,1625) (2501.1233,1627.2452) 1.6843
Point 4 (5000,6500) (4997.2323,6497.1257) 3.179
Point 5 (5000,3250) (5002.1748,3253.8473) 3.011
Point 6 (5000,0) (5004.7564,-4.0489) 4.4026
Point 7 (7500,4875) (7507.3221,4882.4573) 7.3897
Point 8 (2500,1625) (2503.1473,1628.4685) 3.3079
Point 9 (10000,3250) (9997.4568,3247.3251) 3.3909
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种室内人员定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、从室内空间中选取四个点作为参考点。
步骤2、目标点接收与四个参考点的距离信息，滤除和目标点距离最远的参考点，获得距离最近的三个参考点P1，P2，P3。
步骤3、建立新的坐标系，以P1作为新坐标系的原点，以向量
Figure FDA0002355207450000011
作为新坐标系的X轴，作经过P1垂直于
Figure FDA0002355207450000012
的直线，作为新坐标系的Y轴。
步骤4、计算P2、P3在新坐标系下的坐标，P2的横坐标通过计算向量
Figure FDA0002355207450000013
的模得出，记为h。P3的坐标需要先计算出新坐标系的X轴的单位向量
Figure FDA0002355207450000014
P3的横坐标i1通过计算
Figure FDA0002355207450000015
与
Figure FDA0002355207450000016
的向量积得到，再根据得到的i1计算P1到经过P3且垂直于向量P1P2的直线的向量
Figure FDA0002355207450000017
Figure FDA0002355207450000018
和
Figure FDA0002355207450000019
的向量差
Figure FDA00023552074500000110
除以模即为
Figure FDA00023552074500000111
代表的是新坐标系的y轴的单位向量。
Figure FDA00023552074500000112
和
Figure FDA00023552074500000113
的点乘即为P3在新坐标系下的纵坐标j1。
步骤5、设目标点在新的坐标系下的坐标为(x，y，z)，到P1、P2、P3的距离分别为r1、r2、r3。根据距离计算公式，可以得到方程：
x2+y2+z2＝r12 (1)
(x-h)2+y2+z2＝r22 (2)
(x-i1)2+(y-j1)2+z2＝r32 (3)
步骤6、解方程可得x和y的值，实现室内目标点的定位。
2.根据权利要求1所述的一种室内人员定位方法，其特征在于，所述步骤5中的x的求解使用方程1减去方程2；y的求解是通过方程2减去方程3得到y关于x的方程式，然后通过将已得出的x带入上述的方程式，即可得到y的值。
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