CN113155128B - 基于合作型博弈的uwb和惯性导航的室内行人定位方法 - Google Patents

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CN113155128B CN202110347878.2A CN202110347878A CN113155128B CN 113155128 B CN113155128 B CN 113155128B CN 202110347878 A CN202110347878 A CN 202110347878A CN 113155128 B CN113155128 B CN 113155128B
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Abstract

本发明提出一种基于合作型博弈的UWB和惯性导航的室内行人定位方法，实现步骤为：构建室内行人定位系统；确定合作型博弈的参与者和参与者的收益函数以及博弈策略；UWB信标Dn和惯性传感器En接收信息；单片机Cn计算不同博弈策略下An的定位结果；单片机Cn计算合作型博弈参与者双方的各自收益；单片机Cn获取An的最终定位结果。本发明通过不同时刻短脉冲信号的强度计算合作型博弈参与者双方的各自收益，并将三种博弈策略下合作型博弈的收益的最大值对应的博弈策略下行人的位置作为最终定位结果，不受室内定位环境发生变化的影响，可以实现不同时刻选择不同博弈策略进行定位的特性，与现有技术相比，有效提高了定位精度和稳定性。

Description

基于合作型博弈的UWB和惯性导航的室内行人定位方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种室内行人定位方法，具体涉及一种基于 合作型博弈的UWB和惯性导航的室内行人定位方法，可用于商场、写字楼和地 下车库等场所的行人定位中。
背景技术
随着移动智能设备的广泛普及以及物联网技术的飞速发展，人们对基于位置 的服务需求也愈加强烈，在室外，使用卫星定位方法可以给我们提供相对准确的 定位信息，极大的便利了人们的出行。而在室内，由于卫星信号很难穿过建筑物 且建筑物规模越来越庞大，人们经常会面临一个问题，那就在室内竟然迷路了。 例如在商场、写字楼、地下车库等很多地方，人们总是很难找到自己的位置，给 生活带来了很多困扰与不便，因此，在卫星无法使用的情况下，如何实现高精度、 高稳定性的室内定位系统已经成为目前国内外很多机构，专家学者的一项研究热 点。
现有的室内定位方法包括基于基站的室内定位方法、基于惯性导航的室内定 位方法和基于基站和惯导的组合的室内定位方法；基于基站的室内定位方法包括 Wi-Fi定位、蓝牙定位、超宽带无线通信UWB定位等，但无论使用哪种基站定 位技术，普遍遇到的一个问题就是定位精度严重依赖于基站接收到信标的信号强 度，而在室内坏境下，由于各种障碍物的遮挡，基站接收到信标的信号强度总会 受到不同程度的衰减，从而使得定位精度下降。基于惯性导航的室内定位方法， 利用航迹推算算法解算出室内行人的具体位置，此种定位方法具有小型轻便、低 成本、低功耗的特点，但由于惯性导航器件数据随时间漂移较为严重，所以工作 时间越长，定位误差会越大。基于基站和惯导的组合的室内定位方法，它将基站 定位和惯性导航定位用一些适当的技术进行融合，在一定程度上弥补了只用基站 定位和只用惯性导航定位的缺陷。例如，申请公布号为CN108871325A，名称为 “一种基于两层扩展卡尔曼滤波的WiFi/MEMS组合室内定位方法”的专利申请， 公开了一种组合定位方法，该方法方法利用两层扩展卡尔曼滤波将WiFi定位和 惯导定位进行了信息融合，使得定位精度比传统的组合室内定位方法有所提升， 且在稀疏WiFi热点部署下仍具有较高精度和稳定性。但由于其工作模式单一， 当定位环境发生变化，如基站信号由于障碍物的遮挡突然变弱或惯性器件数据漂 移严重时，定位精度和定位稳定性仍然较差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于合作型博 弈的UWB和惯性导航的室内行人定位方法，用于解决现有技术中存在的因室内 定位环境发生变化导致的定位精度和稳定性较差的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：
(1)构建室内行人定位系统：
构建包括超宽带无线通信UWB基站和N个行人A＝{An,1≤An≤N}的室内行人 定位系统，每个行人An携带的定位终端为Bn，定位终端Bn包括单片机Cn以及通 过单片机控制的UWB定位信标Dn和惯性传感器En，其中N≥1，An表示第n个 行人；
(2)确定合作型博弈的参与者和参与者的收益函数，以及博弈策略：
(2a)确定单片机利用UWB定位信标接收的UWB基站发送的短脉冲信号 的脉冲飞行时间和脉冲到达角度对室内行人进行的UWB定位为合作型博弈的第 一参与者，单片机利用惯性传感器接收的包括行人运动加速度信息和角速度信息 的行人姿态信息对室内行人进行的惯导定位为合作型博弈的第二参与者；
(2b)确定合作型博弈的第一参与者和第二参与者的收益函数分别为f(p) 和g(t)：
Figure BDA0003001377480000021
g(k)＝-0.058k+1
其中，p表示UWB基站发送的短脉冲信号的信号强度，d表示UWB基站 的额定最高信号强度，k表示单片机的运行时间；
(2c)确定第一参与者和第二参与者同时参与定位的策略为第一博弈策略S1， 第一参与者参与定位的策略为第二博弈策略S2，第二参与者参与定位的策略为 第三博弈策略S3；
(3)UWB信标Dn和惯性传感器En接收信息：
每个UWB信标Dn通过单片机Cn的控制，接收kl时刻UWB基站发送的脉 冲信号强度为
Figure BDA0003001377480000031
脉冲飞行时间为
Figure BDA0003001377480000032
和脉冲到达角度为
Figure BDA0003001377480000033
的短脉冲信号
Figure BDA0003001377480000034
每个惯性传感器En通过单片机Cn的控制，接收kl时刻行人An的包括运动加速度
Figure BDA0003001377480000035
和角速度
Figure BDA0003001377480000036
的姿态信息
Figure BDA0003001377480000037
其中kl表示第l个时刻，l∈[1,2,...)；
(4)单片机Cn计算不同博弈策略下An的定位结果：
单片机Cn计算第一博弈策略S1下An的定位结果：单片机Cn采用基于到达时 间TOA定位法，通过UWB信标Dn接收的短脉冲信号的
Figure BDA0003001377480000038
和
Figure BDA0003001377480000039
计算行人An的 位置
Figure BDA00030013774800000310
并将
Figure BDA00030013774800000311
作为观测值，同时采用航迹推算算法，通过惯性 传感器En接收的姿态信息
Figure BDA00030013774800000312
计算行人An的位置
Figure BDA00030013774800000313
并将
Figure BDA00030013774800000314
作为 估计值，然后采用卡尔曼滤波方法对
Figure BDA00030013774800000315
和
Figure BDA00030013774800000316
进行融合，得到行人 An的所在位置
Figure BDA00030013774800000317
单片机Cn计算第二博弈策略S2下An的定位结果：单片机Cn采用航迹推算算 法，通过惯性传感器En接收的姿态信息
Figure BDA00030013774800000318
计算行人An的位置
Figure BDA00030013774800000319
单片机Cn计算第三博弈策略S3下An的定位结果：单片机Cn采用TOA定位 法，通过UWB信标Dn接收的短脉冲信号的
Figure BDA00030013774800000320
和
Figure BDA00030013774800000321
计算行人An的位置
Figure BDA00030013774800000322
(5)单片机Cn计算合作型博弈参与者双方的各自收益：
单片机Cn采用收益函数f(p)，并通过kl时刻UWB信标Dn接收的短脉冲信 号的强度
Figure BDA0003001377480000041
计算第一参与者的收益
Figure BDA0003001377480000042
同时采用收益函数g(k)计算第二 参与者的收益g(kl)：
Figure BDA0003001377480000043
g(kl)＝-0.058kl+1；
(6)单片机Cn获取An的最终定位结果：
单片机Cn计算第一博弈策略S1、第二博弈策略S2和第三博弈策略S3下合作 型博弈的收益
Figure BDA0003001377480000044
和
Figure BDA0003001377480000045
并将
Figure BDA0003001377480000046
和
Figure BDA0003001377480000047
中最大值R对应的博弈策略下 行人An的位置作为An的最终定位结果，即若
Figure BDA0003001377480000048
An的最终定位结果为
Figure BDA0003001377480000049
若
Figure BDA00030013774800000410
An的最终定位结果为
Figure BDA00030013774800000411
若
Figure BDA00030013774800000412
An的最终定 位结果为
Figure BDA00030013774800000413
其中：
Figure BDA00030013774800000414
Figure BDA00030013774800000415
Figure BDA00030013774800000416
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明通过不同时刻短脉冲信号的强度计算合作型博弈参与者双方的各自 收益，并将三种博弈策略下合作型博弈的收益的最大值对应的博弈策略下行人的 位置作为最终定位结果，不受室内定位环境发生变化的影响，可以实现不同时刻 选择不同博弈策略进行定位的特性，与现有技术相比，有效提高了定位精度和稳 定性。
附图说明
图1为本发明的实现流程图；
图2为本发明与现有技术定位误差的仿真结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
参见图1，本发明包括如下步骤：
步骤1)构建室内行人定位系统：
构建包括超宽带无线通信UWB基站和N个行人A＝{An,1≤An≤N}，N≥1的 室内行人定位系统，每个行人An携带的定位终端为Bn，定位终端Bn包括单片机 Cn以及通过单片机控制的UWB定位信标Dn和惯性传感器En，其中，单片机的 功能是用来控制个模块协同工作并对数据进行处理，UWB定位信标通过I2C串 口与单片机相连，单片机可以控制其接收UWB基站发出的短脉冲信号，UWB 基站的额定最高信号强度为d，UWB信标接收到的短脉冲信号中含有脉冲飞行 时间τ、脉冲到达角度为θ和脉冲信号强度p；惯性传感器通过SPI串口与单片机相连，单片机控制惯性传感器采集行人运动时的加速度信息a和角速度信息ω； 本示例中，N＝1。
步骤2)确定合作型博弈的参与者和参与者的收益函数，以及博弈策略：
步骤2a)确定单片机利用UWB信标接收的UWB基站发送的短脉冲信号的 脉冲飞行时间和脉冲到达角度对室内行人进行的UWB定位为合作型博弈的第一 参与者，单片机利用惯性传感器接收的包括行人运动加速度信息和角速度信息的 行人姿态信息对室内行人进行的惯导定位为合作型博弈的第二参与者；
步骤2b)确定合作型博弈的第一参与者和第二参与者的收益函数：
由于后续的计算需要用到参与者双方的收益函数，所以先要对博弈双方的收 益函数进行构建，而要构建收益函数，就需要在室内人为规定一些坐标点 (x,y)＝{(x1,y1),...,(xi,yi),...,(xm,ym)}，本示例中m＝100，这些坐标点便可以看做是已 知的，行人携带定位终端在这些已知的坐标点上单独使用UWB定位，统计每个 已知坐标点(xi,yi)上UWB信标接收到的UWB基站发送的短脉冲信号的信号强 度pi和每个坐标点上使用UWB单独定位的定位精度fi，将UWB单独定位的定 位精度fi作为UWB定位的收益，利用通用近似定理拟合出UWB定位的收益函 数f(p)，然后行人携带定位终端再在这些已知的坐标点(xi,yi)上单独使用惯导 定位，统计每个已知坐标点上单片机的运行时间ki和惯导的定位精度gi，将惯导 单独定位的定位精度gi作为惯导定位的收益，利用最小二乘法拟合出惯导的收益 函数g(k)，最终便可得到博弈的第一参与者的收益函数f(p)和第二参与者的收 益函数g(k)，
Figure BDA0003001377480000061
g(k)＝-0.058k+1。
步骤2c)确定第一博弈策略S1为第一参与者和第二参与者同时参与定位， 第二博弈策略S2为第一参与者参与定位，第三博弈策略S3为第二参与者参与定 位。
步骤3)UWB信标D1和惯性传感器E1接收信息：
每个UWB信标D1通过单片机C1的控制，接收kl时刻UWB基站发送的脉冲 信号强度为
Figure BDA0003001377480000062
脉冲飞行时间为
Figure BDA0003001377480000063
和脉冲到达角度为
Figure BDA0003001377480000064
的短脉冲信号
Figure BDA0003001377480000065
每 个惯性传感器E1通过单片机C1的控制，接收kl时刻行人A1的包括运动加速度
Figure BDA0003001377480000066
和角速度
Figure BDA0003001377480000067
的姿态信息
Figure BDA0003001377480000068
其中kl表示第l个时刻，l∈[1,2,...)；
步骤4)单片机C1计算不同博弈策略下A1的定位结果：
单片机C1计算第一博弈策略S1下A1的定位结果：单片机Cn采用基于到达时 间TOA定位法，通过UWB信标D1接收的短脉冲信号的
Figure BDA0003001377480000069
和
Figure BDA00030013774800000610
计算行人A1的 位置
Figure BDA00030013774800000611
并将
Figure BDA00030013774800000612
作为观测值，同时采用航迹推算算法，通过惯性 传感器E1接收的姿态信息
Figure BDA00030013774800000613
计算行人A1的位置
Figure BDA00030013774800000614
并将
Figure BDA00030013774800000615
作为 估计值，然后采用卡尔曼滤波方法对
Figure BDA00030013774800000616
和
Figure BDA00030013774800000617
进行融合，得到行人 A1的所在位置
Figure BDA00030013774800000618
其中的行人A1的位置
Figure BDA0003001377480000071
行人A1的位置
Figure BDA0003001377480000072
和行人A1的所在位 置
Figure BDA0003001377480000073
的计算公式分别为：
Figure BDA0003001377480000074
Figure BDA0003001377480000075
Figure BDA0003001377480000076
其中，c0为短脉冲信号在空气中的传播速度，(x0，y0)为UWB基站的坐标，
Figure BDA0003001377480000077
为kl时刻的卡尔曼增益，H为卡尔曼滤波的观测矩阵。
单片机C1计算第二博弈策略S2下A1的定位结果：单片机C1采用航迹推算算 法，通过惯性传感器E1接收的姿态信息
Figure BDA0003001377480000078
计算行人A1的位置
Figure BDA0003001377480000079
单片机C1计算第三博弈策略S3下A1的定位结果：单片机C1采用TOA定位 法，通过UWB信标D1接收的短脉冲信号的
Figure BDA00030013774800000710
和
Figure BDA00030013774800000711
计算行人A1的位置
Figure BDA00030013774800000712
步骤5)单片机C1计算合作型博弈参与者双方的各自收益：
单片机C1采用收益函数f(p)，并通过kl时刻UWB信标D1接收的短脉冲信 号的强度
Figure BDA00030013774800000713
计算第一参与者的收益
Figure BDA00030013774800000714
同时采用收益函数g(k)计算第二 参与者的收益g(kl)：
Figure BDA00030013774800000715
g(kl)＝-0.058kl+1；
步骤6)单片机C1获取A1的最终定位结果：
单片机C1计算第一博弈策略S1、第二博弈策略S2和第三博弈策略S3下合作 型博弈的收益
Figure BDA0003001377480000081
和
Figure BDA0003001377480000082
并将
Figure BDA0003001377480000083
和
Figure BDA0003001377480000084
中最大值R对应的博弈策略下 行人A1的位置作为A1的最终定位结果，即若
Figure BDA0003001377480000085
A1的最终定位结果为
Figure BDA0003001377480000086
若
Figure BDA0003001377480000087
A1的最终定位结果为
Figure BDA0003001377480000088
若
Figure BDA0003001377480000089
A1的最终定 位结果为
Figure BDA00030013774800000810
其中：
Figure BDA00030013774800000811
Figure BDA00030013774800000812
Figure BDA00030013774800000813
单片机每一个时刻kl都会利用步骤3至步骤6所述的方式得出一个与kl对应 的定位结果，从而实现了无论室内坏境随着时间的推移如何发生变化，单片机总 能选择一个与室内环境相关的最佳博弈策略，得出一个最佳定位结果。
下面结合仿真实验，对本发明的技术效果作以说明。
1.仿真条件和内容：
仿真软硬件环境：组合定位系统，Windows 10家庭版，MATLAB R2019a；
在室内不同位置采集150组定位数据，前50组为正常坏境下采集到的数据， 第50-100组为将基站信号屏蔽后采集到的数据，第100-150组为对基站信号解 除屏蔽后采集到的数据。将其导入MATLAB进行误差处理。
对本发明和现有的一种基于两层扩展卡尔曼滤波的WiFi/MEMS组合室内定 位方法的定位误差进行对比仿真，其结果如图2所示。
2.仿真结果分析：
从图2中可以看出，开始时基站信号正常，本发明和现有技术定位误差接近， 但现有技术定位误差的波动较大；当基站信号被屏蔽后，本发明和现有技术均出 现定位误差增大的现象，但本发明的定位误差和误差波动都较小；然后当基站信 号恢复后，本发明的定位误差和误差波动明显降低，而现有技术在基站信号屏蔽 再恢复后，定位误差仍未显著降低，且波动较大。
定量评价图2中本技术与现有技术的定位效果，采用定位误差均值和定位误 差方差作为评价指标，采集到的0-50组、50-100组、100-150组数据处理结果如 表1、2、3所示：
表1.本发明和现有技术0-50组数据定量分析表
Figure BDA0003001377480000091
表2.本发明和现有技术50-100组数据定量分析表
Figure BDA0003001377480000092
表3.本发明和现有技术100-150组数据定量分析表
Figure BDA0003001377480000093
结合表1、2、3可以看出，与现有技术相比，本发明方法的平均定位误差和 定位误差方差均较小，尤其在基站信号被屏蔽之后，本发明的定位误差均值比现 有技术小了1.97倍，定位误差方差比现有技术小了2.04倍，足以证明本发明相 比现有技术，在一定程度上解决了由环境变化造成的定位精度不高的问题，提高 了定位精度，且增强了定位结果的稳定性。

Claims (2)

1.一种基于合作型博弈的UWB和惯性导航的室内行人定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)构建室内行人定位系统：
构建包括超宽带无线通信UWB基站和N个行人A＝{An,1≤An≤N}的室内行人定位系统，每个行人An携带的定位终端为Bn，定位终端Bn包括单片机Cn以及通过单片机控制的UWB定位信标Dn和惯性传感器En，其中N≥1，An表示第n个行人；
(2)确定合作型博弈的参与者和参与者的收益函数，以及博弈策略：
(2a)确定单片机利用UWB定位信标接收的UWB基站发送的短脉冲信号的脉冲飞行时间和脉冲到达角度对室内行人进行的UWB定位为合作型博弈的第一参与者，单片机利用惯性传感器接收的包括行人运动加速度信息和角速度信息的行人姿态信息对室内行人进行的惯导定位为合作型博弈的第二参与者；
(2b)确定合作型博弈的第一参与者和第二参与者的收益函数分别为f(p)和g(k) ：
Figure FDA0003751415280000011
g(k)＝-0.058k+1
其中，p表示UWB基站发送的短脉冲信号的信号强度，d表示UWB基站的额定最高信号强度，k表示单片机的运行时间；
(2c)确定第一参与者和第二参与者同时参与定位的策略为第一博弈策略S1，第一参与者参与定位的策略为第二博弈策略S2，第二参与者参与定位的策略为第三博弈策略S3；
(3)UWB定位信标Dn和惯性传感器En接收信息：
每个UWB定位信标Dn通过单片机Cn的控制，接收kl时刻UWB基站发送的脉冲信号强度为
Figure FDA0003751415280000012
脉冲飞行时间为
Figure FDA0003751415280000013
和脉冲到达角度为
Figure FDA0003751415280000014
的短脉冲信号
Figure FDA0003751415280000015
每个惯性传感器En通过单片机Cn的控制，接收kl时刻行人An的包括运动加速度
Figure FDA0003751415280000021
和角速度
Figure FDA0003751415280000022
的姿态信息
Figure FDA0003751415280000023
其中kl表示第l个时刻；
(4)单片机Cn计算不同博弈策略下An的定位结果：
单片机Cn计算第一博弈策略S1下An的定位结果：单片机Cn采用基于到达时间TOA定位法，通过UWB定位信标Dn接收的短脉冲信号的
Figure FDA0003751415280000024
和
Figure FDA0003751415280000025
计算行人An的位置
Figure FDA0003751415280000026
并将
Figure FDA0003751415280000027
作为观测值，同时采用航迹推算算法，通过惯性传感器En接收的姿态信息
Figure FDA0003751415280000028
计算行人An的位置
Figure FDA0003751415280000029
并将
Figure FDA00037514152800000210
作为估计值，然后采用卡尔曼滤波方法对
Figure FDA00037514152800000211
和
Figure FDA00037514152800000212
进行融合，得到行人An的所在位置
Figure FDA00037514152800000213
单片机Cn计算第二博弈策略S2下An的定位结果：单片机Cn采用航迹推算算法，通过惯性传感器En接收的姿态信息
Figure FDA00037514152800000214
计算行人An的位置
Figure FDA00037514152800000215
单片机Cn计算第三博弈策略S3下An的定位结果：单片机Cn采用TOA定位法，通过UWB定位信标Dn接收的短脉冲信号的
Figure FDA00037514152800000216
和
Figure FDA00037514152800000217
计算行人An的位置
Figure FDA00037514152800000218
(5)单片机Cn计算合作型博弈参与者双方的各自收益：
单片机Cn采用收益函数f(p)，并通过kl时刻UWB定位信标Dn接收的短脉冲信号的强度
Figure FDA00037514152800000219
计算第一参与者的收益
Figure FDA00037514152800000220
同时采用收益函数g(k)计算第二参与者的收益g(kl)：
Figure FDA00037514152800000221
g(kl)＝-0.058kl+1；
(6)单片机Cn获取An的最终定位结果：
单片机Cn计算第一博弈策略S1、第二博弈策略S2和第三博弈策略S3下合作型博弈的收益
Figure FDA00037514152800000222
和
Figure FDA00037514152800000223
并将
Figure FDA00037514152800000224
和
Figure FDA00037514152800000225
中最大值R对应的博弈策略下行人An的位置作为An的最终定位结果，即若
Figure FDA0003751415280000031
An的最终定位结果为
Figure FDA0003751415280000032
若
Figure FDA0003751415280000033
An的最终定位结果为
Figure FDA0003751415280000034
若
Figure FDA0003751415280000035
An的最终定位结果为
Figure FDA0003751415280000036
其中：
Figure FDA0003751415280000037
Figure FDA0003751415280000038
Figure FDA0003751415280000039
2.根据权利要求1所述的基于合作型博弈的UWB和惯性导航的室内行人定位方法，其特征在于，步骤(4)中所述的单片机Cn计算第一博弈策略S1下An的定位结果，其中的行人An的位置
Figure FDA00037514152800000310
行人An的位置
Figure FDA00037514152800000311
和行人An的所在位置
Figure FDA00037514152800000312
的计算公式分别为：
Figure FDA00037514152800000313
Figure FDA00037514152800000314
Figure FDA00037514152800000315
其中，c0为短脉冲信号在空气中的传播速度，(x0，y0)为UWB基站的坐标，
Figure FDA00037514152800000316
为kl时刻的卡尔曼增益，H为卡尔曼滤波的观测矩阵。
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