CN112639504A - 使用电子测距设备进行地理定位优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及一种确定节点n的新位置的方法，所述节点具有测距无线电，所述方法包括以下步骤：a）获取多个相邻节点的位置列表；b）分析所述列表中的位置与节点n的预测位置的几何关系；c）从所述列表中选择小于所述列表中节点总数的节点子集；d）执行从节点n到所述节点子集中的每个节点的电子距离测量；e）利用在步骤d）中获取的距离来确定节点n的新位置。

Description

使用电子测距设备进行地理定位优化的方法

技术领域

本发明涉及利用电子测距设备进行地理定位的方法。

背景技术

使用测距设备进行的地理定位采用了从某一节点到具有已知位置的其他附近节点的多个距离测量值，以便确定本地节点的位置。许多这样的系统在本领域中是已知的。已知的方法通常试图获得尽可能多的此类测量值，以便通过平均、过滤以及其他统计和数值技术来减少误差。随着节点数量的增加，此类系统中的位置的准确度得以提高，这使得希望获得尽可能多的节点。

在已知的点对点测距技术的情况下，节点一次只能测量到另一个节点的距离。此外，除非使用多个信道，否则在任何给定时间，无线电传输范围内的仅一对节点可以测量它们之间的距离，以避免来自使用相同无线电频谱的其他节点的干扰。多种调度和仲裁技术是本领域公知和实践的，包括TDMA、CDMA等。

在试图收集所有可能的距离测量值的系统中，当存在N个节点时，需要调度和执行(N*(N-1))/2个测量值。这意味着无线电使用需求随节点数量呈指数增长。在某些情况下，采用多个无线电信道可以改善系统响应，但是这会使调度变得非常复杂，并且不能从根本上解决问题。在一些实现方式中，然后需要收集这样的测量的结果并将其分配给所有参与节点，以便每个节点确定其位置，从而潜在地进一步增加带宽需求。结果，当节点数量增加时，常用方法无法很好地缩放，并且系统响应时间会显著退化。

当节点数量减少时，常规方法的准确性也会降低，并且系统变得更容易产生误差和彻底失败。

在以上引用的共同审查的申请中，公开了地理定位的方法，其基于公开的可用节点的置信度度量和相对位置的几何形状，在所有可用的测量值之中选择仅最有利的测量值的小子集。在许多实施方式中，根据所公开的方法，使用最多仅三个测量值来确定任何给定节点的位置，而其余的测量值则被丢弃。在具有N个节点的实施方式中，实际上使用最多仅(N*3)/2个测量值，从而提供了与常规方法的指数相反的潜在线性可缩放性。

需要这样一种方式，该方式预先确定哪些测量值可能是最有利的，并且仅执行所请求的测量，其结果是大大减少了无线电的使用。本发明教导了提供所需方式的方法。

发明内容

本专利中所使用的术语“发明”、“该发明”、“本发明（this invention）”和“本发明（the present invention）”旨在广义地指代本专利和以下专利权利要求的所有主题。包含这些术语的陈述应理解为并非限制本文所述主题或限制以下专利权利要求的含义或范围。本专利所涵盖的该发明的实施方式由以下权利要求而非本发明内容限定。本发明内容是该发明各个方面的高级概述，并介绍了一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式部分中进一步描述。本发明内容并不旨在标识要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在单独用于确定要求保护的主题的范围。应当通过参考本专利的整个说明书、任何或所有附图以及每项权利要求的适当部分来理解本主题。

本发明的主要目的是显著降低多个节点的精确的点对点地理定位所需的无线电利用率，以便改善可缩放性和整体系统响应。

本发明通过公开包括一系列步骤的方法来实现其目的，所述方法开始于确定可用的相邻节点的集合中的哪个节点会提供最有利的距离测量值来确定节点的位置，选择仅那些用于距离测量的节点，然后执行仅所选的距离测量。

更具体地，本发明涉及一种确定节点n的新位置的方法，所述节点具有测距无线电，所述方法包括以下步骤：

a）获取多个相邻节点的位置列表，

b）分析所述列表中的位置与节点n的预测位置的几何关系，

c）从所述列表中选择小于所述列表中节点总数的节点子集，

d）执行从节点n到所述节点子集中的每个节点的电子距离测量，

e）利用在步骤d）中获取的距离来确定节点n的新位置。

根据特定实施方式，步骤c）中的选择是基于所述列表中的节点与节点n的预测位置的最有利的几何关系。

根据特定实施方式，步骤a）还包括：为所述列表中的每个所述位置获取对应的置信度度量，并且步骤c）中的选择至少部分地基于所述置信度度量。

根据特定实施方式，在步骤c）中选择的节点的数量至多为3。

根据特定实施方式，所述方法还包括步骤f）将所述测量距离传输到所述节点子集。

根据特定实施方式，步骤a）还包括：从多个相邻节点中的至少一个节点接收先前测量的距离，并且包括步骤d）执行从节点n到所述节点子集中的在步骤a）中未接收到先前测量的距离的每个节点的电子距离测量。

根据特定实施方式，如果节点n正在移动，则执行步骤a）至e），否则，如果节点n没有移动，则不进行测量，并且将节点n的预测位置用作节点n的新位置。

附图说明

本文参考以下附图来描述本发明：

图1示出了例示性实施方式的主要功能块，以及它们之间的数据流。

图2是本发明方法的实施方式的示意图。

图3例示了在仅一个可用参考节点的情况下的距离测量的歧义，引致沿圆的周缘的无限数量的候选位置。

图4示出了在具有有利的几何形状的两个可用参考节点的情况下歧义降低，引致在圆与圆的相交部处的两个候选位置。

图5示出了当具有有利的几何形状的三个参考节点可用时，歧义进一步降低至单个候选位置。

具体实施方式

本文呈现的例示性实施方式部分地利用了以上引用的共同审查的申请中公开的方法，特别是用于基于几何形状和置信度选择节点的子集的方法，以及用于确定具有到其他节点的两个或三个距离测量值的节点n的位置的方法。这些方法被包括在以下描述中以供参考，但是它们不在本发明的范围之内。

本发明的范围具体地涉及以下顺序：首先通过任何已知的或未来的方法从多个可用节点中选择节点的子集，随后仅对所选的节点执行距离测量，然后通过任何已知的或未来的方法基于所述测量来确定节点的位置。

图1是用于本发明的例示性实施方式的整个数据流的示意图。

为了确定节点的位置，从各种传感器收集信息。在例示的实施方式的上下文中，相邻节点的位置数据和到此类节点的测量距离被认为是传感器输入。其他典型的传感器包括惯性测量单元（IMU）、磁力计、高度计等。

在例示的实施方式中，IMU和高度计被包含在节点的硬件部分内。

与相邻节点的位置有关的信息经由数据无线电被传输到该节点。在一些实施方式中，单个节点将被指定为负责周期性地在节点之间收集和分发该信息的邻域（Neighborhood，邻近）管理器。在其他实施方式中，该信息可以被协作地以点对点的方式转移。在多个节点之间转移信息的许多方法是已知的。此类方法的细节不在本发明的范围内。

节点之间的距离测量是通过测距无线电进行的。许多这样的方法是已知的。例示的实施方式利用了Decawave DW1000测距无线电，但是许多其他方法也是现成的。

传感器：

-高度计提供相对高度。

-IMU：惯性测量单元（诸如BNO080）由3轴加速度计、陀螺仪和磁力计组成。通常将它们融合在一起（在大多数现代IMU中是在内部）以提供虚拟传感器，诸如线性加速度和步进计数器以及旋转矢量，以利用磁北来转换线性加速度。

-距离测量：测距模块（诸如UWB无线电）提供从当前节点到附近节点的距离。

-邻域：在例示的实施方式的上下文中，邻域是由充当邻域管理器（NHM）的节点管理的节点的集合。每个节点经由XNet广播其位置信息。NHM维护其邻域中的节点的邻域数据库（NHDB）。邻域中的每个节点接收其每个邻域的位置信息。该信息包括：

-X、Y、Z坐标，其中：

-X是西（负）和东（正）轴线，

-Y是北（正）和南（负）轴线，

-Z是海拔。

-角色：

-锚点：具有精确测量的位置的固定节点。

-标签：移动或固定的节点，其位置经由定位来计算。

-固定标签被称为面包屑（Breadcrumb，痕迹导航）。

-状态：移动或固定，

-置信度。

置信度：关键定位值（诸如坐标和距离）具有关联的置信度值，范围为0.0至1.0，其中，0.0表示无置信度，而1.0表示绝对置信度。在不同的实施方式中可以使用其他数字尺度。只要定位在节点数据之中进行选择来计算位置估算值，定位就会使用数据的置信度来选择最佳（最置信）数据。

只有锚点具有预先分派的且恒定的置信度才设置为1.0。标签的置信度是基于从计算标签的位置所使用的传感器、距离测量和邻近节点接收到的数据的置信度计算得出的。

由于数据误差、缺乏精度以及数据更新之间的时滞，标签的位置置信度会随着时间的推移而降低；置信度会随着数据龄期而降低。如上所述，置信度永远不会单独增加，只有在传入的新数据的置信度高于当前可用数据时，置信度才会增加。

模块：

定位由以下模块组成：

-惯性导航系统（INS）：给定起始位置，INS模块从IMU获取惯性输入，并将其转换为X和Y偏移量以计算预测位置。

-几何形状：给定邻近节点的位置和距离，几何形状模块计算本地节点的一个或多个候选位置。

-运动：给定惯性输入，运动模块计算本地节点是否处于运动状态，并计算行进方向。

几何形状模块（GEO）：GEO使用邻近节点的位置和距离来计算本地节点的一个或多个候选位置。NHM提供邻近位置，并且通过距离测量来提供到附近节点的距离；两者均作为传感器读数来被递送。这些被合并到邻近描述符（ND）的列表中。

GEO以与距离测量能够提供距离更新相同的速率重新计算估计位置。每个节点实现方式可能具有不同的测距技术，因此更新速率因节点而异。

GEO的位置计算示出在图2所示的流程图中，并总结如下：

1.从ND列表中去除不合适的邻近者。理想的邻近者是那些具有高置信度、最近的位置和距离数据且位置有利的邻近者。

2.计算标签邻近者的插值位置。

3.按置信度排序ND列表。

4.基于角色（锚点优于非移动标签优于移动标签）和置信度，选择多达三个最佳邻近者。

5.仅对所选节点进行距离测量。

6.如果只有两个邻近者，则尝试使用双边测量来计算两个候选位置。

7.如果有三个邻近者，则尝试使用三边测量来计算单个候选位置。如果三边测量失败，则尝试对每个邻近对组合使用双边测量来计算若干对候选位置。

8.向INS模块报告候选位置的列表。由于可用邻近者数量不足，因此每个上述步骤都可能使计算结束。在这样的情况下，GEO将以降低的置信度报告先前计算的位置。因此，随着时间的推移，在没有足够的邻近者的情况下，GEO报告的位置置信度降低。

三边测量/双边测量

给定一个锚点和标签以及它们之间的距离d1，那么所有可能的事情就是说，标签位于圆上的某个位置，其中心位于锚点1，半径为d1（参见图3）。该信息不足以计算候选位置的有限列表。但是，在从INS模块获得预测位置pP的情况下，可以调整关联的置信度。如果pP位于圆上或其附近，则其置信度可以提高。如果pP远离圆，则可以降低其置信度。

给定两个锚点和标签以及到锚点的距离d1和d2，我们可以计算在围绕锚点的两个圆的相交部处两个可能的候选位置cP1和cP2，如图4所示。在从INS模块获得预测位置pP的情况下，可以选择较接近的候选位置（在例示的情况下为cP2）。如在前面的实施例中那样，cP2和pP之间的距离的大小可以用作调整置信度的基础。

使用三个锚点，可以将标签的单个候选位置cP计算为处于所有三个圆的相交部的中心。图5例示了这种场景。像在前面的实施例中那样，可以评估cP和pP之间的距离的大小——尤其是在将其与所使用的测距技术的固有精度进行比较时——以调整置信度。

惯性导航模块（INS）

INS从IMU中获取惯性输入，并且将其转换为X和Y偏移量并将其添加到先前的位置，以计算新预测位置和关联的置信度。在一些实施方式中，大量的惯性活动会降低置信度，而在惯性活动很少或没有的情况下则会增加置信度。

INS的第二个功能是从GEO模块接收几何候选位置的列表，并基于与预测位置的距离和相对置信度在其中进行选择。在某些场景中，可以在所有候选位置上选择预测位置。在其他场景中，可以计算新位置，该新位置是最接近的候选位置和预测位置的加权平均值，其中，权重与相应的置信度至少部分地成正比。

运动模块（MOT）

MOT从INS获取惯性输入，并计算本地节点是否处于运动状态，并计算行进方向（方位）。运动计算的结果可用于调整节点位置的置信度，也可用于在锚点、面包屑和标签之间切换节点角色。GEO模块将节点角色用作选择最有利的距离测量值的集合的标准，其中，最高优先级赋予锚点，然后是面包屑，然后是标签。在例示的实施方式的上下文中，面包屑是已经固定了延长的时间段的标签。在例示的实施方式中，锚点与面包屑之间的主要区别在于，在放置锚点时明确地知道并分派了锚点的位置。面包屑的位置是在其作为标签移动时来计算的，但因为其已经是固定的，并且考虑了随着时间的推移多次重复测量以减少误差的益处，所以其具有比移动标签高的置信度。

根据特定实施方式，一种确定节点n的新位置的方法，所述节点具有测距无线电，所述方法包括以下步骤：

a）从先前确定的先前位置P开始，所述先前位置具有先前确定的置信度C，计算预测位置pP和关联的预测置信度pC，所述计算利用至少来自3轴惯性传感器的数据，

b）如果所述来自惯性传感器的数据表明节点n尚未移动，则将先前位置作为新位置并跳过所有后续步骤。

c）获取可用相邻节点、它们的关联位置以及关联置信度度量的列表。

d）对于所述列表中的每对可用相邻节点，评估Pn1、Pn2和pP之间的几何关系

e）如果步骤d）的评估显示出有利的几何形状，则将节点N1和N2添加到所选的节点子集中。

f）在步骤e）中从所选的节点子集中选择三个节点，所述三个节点具有与其位置相关联的最高置信度。

g）电子测量到至少第一其他节点n1的至少第一距离Dn1，到至少第二其他节点n2的至少第二距离Dn2，以及到至少第二其他节点n3的至少第三距离Dn3，

h）将Dn1的值传输到节点N1，将Dn2的值传输到节点N2，并将Dn3的值传输到节点N3。

i）获得所述第一其他节点的当前位置Pn1、所述第二其他节点的位置Pn2和所述第三其他节点的位置Pn3，所述位置包括至少X、Y、Z坐标以及置信度度量Cn1、Cn2和Cn3，

j）利用位置Pn1、Pn2和Pn3以及对应的测量距离Dn1、Dn2和Dn3使用三边测量法，以确定至少候选位置cP，

k）确定候选置信度cC为Cn1、Cn2和Cn3中的较小者，然后基于步骤d）中计算的几何条件来调整所述置信度cC，

l）如果置信度cC大于pC，则将候选位置cP选择为新位置P，并将cC作为新置信度C，否则选择预测位置pP作为新位置P，并将预测置信度pC作为新置信度C。

根据另一特定实施方式，一种确定节点n的新位置的方法，所述节点具有测距无线电，所述方法包括以下步骤：

a）从先前确定的先前位置P开始，所述先前位置具有先前确定的置信度C，计算预测位置pP和关联的预测置信度pC，所述计算利用至少来自3轴惯性传感器的数据，

b）如果所述来自惯性传感器的数据表明节点n尚未移动，则将先前位置作为新位置并跳过所有后续步骤。

c）获取可用相邻节点、它们的关联位置以及关联置信度度量的列表。

d）对于所述列表中的每对可用相邻节点，评估Pn1、Pn2和pP之间的几何关系

e）如果步骤d）的评估显示出有利的几何形状，则将节点N1和N2添加到所选的节点子集中。

f）从步骤e）中的所选的节点子集中选择两个节点，所述两个节点具有与其位置相关联的最高置信度。

g）电子测量到至少第一其他节点n1的至少第一距离Dn1，和到至少第二其他节点n2的至少第二距离Dn2，

h）将Dn1的值传输到节点N1，并将Dn2的值传输到节点N2。

i）将距离Dn1和Dn2几何投影到公共水平面上，以确定投影距离pDn1和pDn2，

j）计算所述投影距离的圆与圆的相交部，以确定两个候选位置cPa和cPb，

k）确定候选置信度cC为Cn1和Cn2中的较小者，然后基于步骤e）中计算的几何条件来调整所述置信度cC，

l）确定pP和cPa之间的误差距离eDa，以及pP和cPb之间的误差距离eDb，

m）选择误差距离较小的候选位置作为候选位置cP，并选择对应的误差距离作为误差距离eD，

n）计算新位置P作为在至少所述预测位置pP和候选位置cP之间的加权插值，

o）计算新置信度C作为预测置信度pC和候选置信度cC的加权插值。

本文公开的实施方式是例示性的而非限制性的；在不脱离本发明的范围的情况下，基于本文的公开内容，其他实施方式对于本领域技术人员将是显而易见的。

Claims (7)

1.一种确定节点n的新位置的方法，所述节点具有测距无线电，所述方法包括以下步骤：

a）获取多个相邻节点的位置列表；

b）分析所述列表中的位置与节点n的预测位置的几何关系；

c）从所述列表中选择小于所述列表中节点总数的节点子集；

d）执行从节点n到所述节点子集中的每个节点的电子距离测量；和

e）利用在步骤d）中获取的距离来确定节点n的新位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤c）中的选择是基于所述列表中的节点与节点n的预测位置的最有利的几何关系。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤a）还包括：为所述列表中的每个所述位置获取对应的置信度度量，并且步骤c）中的选择至少部分地基于所述置信度度量。

4.根据权利要求1所述的方法，其中：在步骤c）中选择的节点的数量至多为3。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：步骤f）将所述测量距离传输到所述节点子集。

6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤a）还包括：从多个相邻节点中的至少一个节点接收先前测量的距离，并且包括步骤d）执行从节点n到所述节点子集中的在步骤a）中未接收到先前测量的距离的每个节点的电子距离测量。

7.根据权利要求1所述的方法，其中：若节点n正在移动，则执行步骤a）至e）；否则，若节点n没有移动，则不进行测量，并且将节点n的预测位置用作节点n的新位置。

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