CN113382356B - 一种基于蓝牙信号的室内定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于蓝牙信号的室内定位方法，属于无线定位技术领域，包括以下步骤：步骤S1,建立指定监测环境中，固定节点的信号传播模型；步骤S2,当移动节点从固定节点取得信号强度信息后，根据历史信息判断是否使用当下的最强信号的固定节点的信号传播模型的参数；步骤S3,通过三角定位法，计算移动节点的目标位置。本方案针对不同的监测环境，建立与之相适应的信号传播模型，而不是采用通用常数。同时，本方案采用多次修正，使得信号衰减因子更加贴合实际数值，降低多重路径效应对信号强度所造成的影响。

Description

一种基于蓝牙信号的室内定位方法

技术领域

本发明属于无线定位技术领域，具体涉及为一种基于蓝牙信号的室内定位方法。

背景技术

定位分为室外定位和室内定位。室外定位通常采用以GPS或者北斗为基础的定位方式。在室内时，GPS或者北斗信号减弱，定位效果差。因此，室内定位通常采用wifi室内定位、uwb室内定位、蓝牙室内定位。

wifi室内定位，需要使用路由器，而路由器能耗较高，必须接入交流电源，其布线需要较大的施工量。uwb室内定位，需要专门的接收信号的终端，普通的手机无法接收这类信号。蓝牙室内定位的优点在于，部署简单且成本低廉，普通的手机都有蓝牙模块，具有很好的应用基础。

公开号为CN112423223A的中国专利公开了一种使用蓝牙信号的室内定位系统及定位方法，其通过三角定位算法对推算出当前三角区域的蓝牙信息，查询数据库找到准后的定位点位置，使用惯性定位导航辅助定位，使得定位的稳定性和精度得到进一步提升，达到最后的室内定位效果。

但是，蓝牙的信号，是经多个路径传送到接收端，信号强度会因为折射、反射等原因增强或者衰减（多重路径效应），单纯采用三角定位算法，偏离了现实的应用场景，数据库的查询修正仅仅起到辅助作用，无法完全修正因为单纯采用三角定位算法所带来的定位偏差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述提到的缺陷和不足，而提供一种基于蓝牙信号的室内定位方法。

本发明实现其目的采用的技术方案如下。

一种基于蓝牙信号的室内定位方法，包括以下步骤：

步骤S1，建立指定监测环境中，固定节点的信号传播模型；

步骤S101，指定监测环境中，令一个固定节点作为参考节点，获取第i个固定节点的坐标（x_i，y_i），i=1...N，其中N为固定节点的总个数；令采样时间为T_s，固定节点发送信号强度为P_t，第i个固定节点接收的信号强度为P_ri；设P=[P_ri P_{ri ...} P_rN]^T，信号传输模型为：

（1）；

（1）式中，P_r0为参考节点所接收到的信号强度，d_i为第i个固定节点和移动节点的间距，d₀为参考节点和移动节点的间距（通常设置为1米），ε为信号衰减因子；

步骤S102，选取监测环境中的一个移动节点为训练点，已知该训练点的坐标（x₀，y₀）、第i个固定节点接收的信号强度为P_ri、d₀为1米，则： 固定节点和训练点的间距

；

对固定节点信号进行采样，且采用次数为n，将收集好的固定节点信号储存于阵列P_ri＝[RSSI₁，RSSI₂，...，RSSI_n]，然后使用温塞平均值法进行过滤，取得去除极端值的平均值；

步骤S103，令d₀为1米，由（1）式和固定节点信号平均值P_ri可以推导出：

（3）；

（3）式通过最小平方差法得到：

C=(D^TD)^-1D^TP （4）；

求解（4）式的向量C后，向量C里面的两个元素即为信号传播模型的参数：P_r0、ε；

步骤S104，返回步骤S101，令下一个固定节点作为参考节点，直到所有固定节点均建立信号传播模型；

步骤S2，当移动节点从固定节点取得信号强度信息后，根据历史信息判断是否使用当下的最强信号的固定节点的信号传播模型的参数；

步骤S3，通过三角定位法，计算移动节点的目标位置。

进一步，步骤S102，将固定节点信号作递减排序，删除阵列前端20%和后端20%的信息，然后在阵列前端补上剩余资料中的最大值，在阵列后端补上剩余资料中的最小值，使得阵列维持删除前的信息数量，然后再计算过滤后的信号强度平均值；第i个固定节点接收的信号强度平均值计算公式如下：

P_ri＝

。

进一步，步骤S201，建立历史信息，将步骤S102中的过滤后的信号强度阵列作为固定节点信号的历史信息，并计算固定节点接收的信号强度平均值，并在信号强度平均值前后设定一个标准差作为容许范围。

步骤S202，当下的最强信号的固定节点的信号强度，落入该容许范围，则启用当下的最强信号的固定节点在步骤S1中其作为参考节点时的信号传播模型的参数，即以该最强信号的固定节点为参考节点，计算信号衰减因子ε；否则使用步骤1中当该移动节点作为训练点时所采用的参考节点的信号传播模型的参数。

进一步，步骤S3，包括以下步骤：

步骤S301，通过步骤2选出信号最强的三个固定节点，并取得这三个固定节点所分别对应的信号衰减因子，然后根据公式(1)的简单信号传播模型，得到固定节点与移动节点的目标位置之间的距离：

；

其中P_r0与ε为换算时所采用的环境参数，RSSI为输入的信号强度，D’为固定节点与移动节点的目标位置之间的距离，单位为米；

步骤S302，将三个固定节点两两分组，得到三组节点；每组节点中，第一个固定节点位置为P₀=(x₀，y₀)，第一个固定节点距离与移动节点的目标位置之间的距离为r₀，第二个固定节点位置为P₁=(x₁，y₁)，第二个固定节点距离与移动节点的目标位置之间的距离为r₁，求解信号范围相交的两个点P₃的位置P₃=(x₃，y₃)。

进一步，步骤S302，求解过程如下：

令P₀与P₁为两个固定节点，r₀与r₁为信号强度转换成的间距，以P₀为圆心、r₀与r₁为半径做第一个圆，以P₁为圆心、r₁为半径做第二个圆，两圆的两个交点处为P₃，以两个P₃为端点连成线段P₃P₃，连接点P₀与点P₁形成直线P₀P₁，线段P₃P₃和直线P₀P₁垂直交叉处为P₂，P₂到P₃的线段长为h，P₂到P₀的线段长为a，P₂到P₁的线段长为b；由于三角形P₀P₂P₃与P₁P₂P₃为直角三角形，可以得出公式(5)：

a²+h²=r₀ ² 和b²+h²=r₁ ² (5)；

设d=a+b，则求解a：

a=(r₀ ²-r₁ ²+d²)/(2d) (6)；

将公式（5）移项得到h²=r₀ ²-a²，然后把公式(6)代入求解h；

由于a/d=(P₂-P₀)/(P₁-P₀)，所以，P₂=P₀+a(P₁-P₀)/d (7)；

设P₀=(x₀，y₀)，P₁=(x₁，y₁)，P₂=(x₂，y₂)，求解P₃=(x₃，y₃)：

x₃=x₂±h（y₁-y₀）÷d (8)；

y₃=y₂∓h（x₁-x₀）÷d (9)；

步骤S303，每组节点算得两个点P₃，三组节点共算得六个点P₃，选取这六个点P₃之中三个彼此最靠近的点P₃，然后再平均这三个彼此最靠近的点P₃的坐标，得到移动节点的目标位置。

在复杂的室内环境下，RSSI的随机性特别明显，容易受到时间、空间、温度、场景等变化的影响。因此，本方案针对不同的监测环境，建立与之相适应的信号传播模型，而不是采用通用常数。同时，本方案采用多次修正，使得信号衰减因子更加贴合实际数值，降低多重路径效应对信号强度所造成的影响。

第一次修正，对固定节点信号进行采样，使用温塞平均值法(Winsorized mean)进行过滤，取得去除极端值的平均值，从而过滤到前后不可信的数值。

第二次修正，根据历史信息判断是否使用当下的最强信号的固定节点的信号传播模型的参数。当下的最强信号的固定节点的信号强度处于可信区间时候，就采用该固定节点的信号强度的信号传播模型的参数，否则就采用历史信号传播模型的参数。

第三次修正，三角定位法中，将移动节点最有可能的位置设定在一个范围中，而不是一个固定点，并通过计算可能位置的均值，得到最终的移动节点的目标位置。

附图说明

图1是本发明的三角定位法示意图；

图2是本发明的三角定位法的线段与点示意图；

图3是本发明的步骤1的节点方位图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

固定节点，搭载有蓝牙模块的无线传感器装置，用以侦测环境和与移动节点信息沟通。

移动节点，搭载有蓝牙模块的用户设备。

RSSI，(Rreceived Signal StrengthIndication，接收信号强度指示)，是基站侧指标，主要应用于发射机和接收机之间的距离测量，测距理论是：依据无线电波或声波在介质中传输，信号功率是随传播距离衰减的原理。本方案采用IEEE802.11标准中的RSSI，其信号越强则数值越大，以0为最大值。

一种基于蓝牙信号的室内定位方法，包括以下步骤：

步骤S1，建立指定监测环境中，固定节点的信号传播模型。

信号传播模型的信号衰减因子ε，表示信号在该环境中的传输状况，而信号衰减因子ε容易受到湿度、温度等变化的影响，因此，每个场景的信号衰减因子ε都有差异。所以，本方案，针对指定监测环境，专门计算其专有的信号衰减因子ε，而不是采用通用数值，从而能更精准的适应场景，切合实际应用。

步骤S101，指定监测环境中，令一个固定节点作为参考节点，获取第i个固定节点的坐标（x_i，y_i），i=1...N，其中N为固定节点的总个数；令采样时间为T_s，固定节点发送信号强度为P_t，第i个固定节点接收的信号强度为P_ri；设P=[P_ri P_{ri ...} P_rN]^T，信号传输模型为：

（1）；

（1）式中，P_r0为参考节点所接收到的信号强度，d_i为第i个固定节点和移动节点的间距，d₀为参考节点和移动节点的间距（通常设置为1米），ε为信号衰减因子。

步骤S102，选取监测环境中的一个移动节点为训练点，已知该训练点的坐标（x₀，y₀），第i个固定节点接收的信号强度为P_ri，d₀为1米，则： 固定节点和训练点的间距

；

对固定节点信号进行采样，且采用次数为n（例如100次），将收集好的固定节点信号储存于阵列P_ri＝[RSSI₁，RSSI₂，...，RSSI_n]，然后使用温塞平均值法(Winsorized mean)进行过滤，取得去除极端值的平均值。具体如下：将固定节点信号作递减排序，删除阵列两端的信息，例如删除阵列前端20%和后端20%的信息，然后在阵列前端补上剩余资料中的最大值，在阵列后端补上剩余资料中的最小值，使得阵列维持删除前的信息数量，然后再计算过滤后的信号强度平均值；第i个固定节点接收的信号强度平均值计算公式如下：

P_ri＝

（2）；

步骤S103，令d₀为1米，由（1）式和（2）式可以推导出：

（3）；

（3）式通过最小平方差法得到：

C=(D^TD)^-1D^TP（4）；

求解（4）式的向量C后，向量C里面的两个元素即为信号传播模型的参数：P_r0、ε。

步骤S104，返回步骤S101，令下一个固定节点作为参考节点，直到所有固定节点均建立信号传播模型。

步骤S1取得的环境参数是传播模型中的信号衰减因子ε。

步骤S2，当移动节点从固定节点取得信号强度信息后，根据历史信息判断是否使用当下的最强信号的固定节点的信号传播模型的参数。

为了避免多重路径效应对信号强度所造成的影响，以最强信号的节点为参考节点计算信号衰减因子。由于信号的不稳定性，无法判断一个返回最强信号的固定节点，是否能够代表当下距离移动节点最近的固定节点。因此需要做进一步验证，求出信号样本的历史资料的平均以及前后一个标准差作为容许范围，当最强信号落入该容许范围，则采信最强信号的节点为参考节点。

步骤S201，建立历史信息，将步骤S102中的过滤后的信号强度阵列作为固定节点信号的历史信息，并计算固定节点接收的信号强度平均值，并在信号强度平均值前后设定一个标准差作为容许范围。

步骤S202，当下的最强信号的固定节点的信号强度，落入该容许范围，则启用当下的最强信号的固定节点在步骤S1中其作为参考节点时的信号传播模型的参数，即以该最强信号的固定节点为参考节点，计算信号衰减因子ε；否则使用步骤1中当该移动节点作为训练点时所采用的参考节点的信号传播模型的参数。

因此，步骤2，通过置信区间的设立，选定参考节点。当最强信号的固定节点的信号强度落于置信区间时，则其成为参考节点，否则，以步骤1中该移动节点作为训练点时采用的参考节点，作为步骤3中结算距离的固定节点。所以，步骤3中的三角定位法的三个角，并非一定是即时信号最强的三个固定节点，而是经过筛选了的，也有可能是历史信号最强的固定节点。所以，步骤3中的三角定位法的三个角信号强度，也有可能是历史信号最强的固定节点在即时的信号强度。

步骤S3，通过三角定位法，计算移动节点的目标位置。

当取得信号强度之后，就要将信号强度转化为距离。本方案使用三角定位法。三角定位法是选出信号强度最强的三个固定节点，然后将信号强度转换为固定节点到移动节点的直线距离，并将此距离作为半径来做圆，三个圆的交叉点就为目标位置。

但是由于信号强度的不稳定性，这个三个圆形的交叉处并不会刚好是一个点，而是一个范围。如图1所示，三个圆的圆心为固定节点，r1、r2、r3是信号强度转换后的距离，三角形标点所在的点为两个圆的交点，表示移动节点相对于这两个圆心所在的固定节点的可能位置。中心处的三个三角形标点所构成的三角相交范围表示移动节点相对于三个固定节点的可能位置，最后再平均中心处的三个三角形标点的坐标，得到移动节点最有可能的位置，也就是五角星标点所在的位置。

步骤S301，通过步骤2选出信号最强的三个固定节点，并取得这三个固定节点所分别对应的信号衰减因子，然后根据公式(1)的简单信号传播模型，得到固定节点与移动节点的目标位置之间的距离：

；

其中P_r0与ε为换算时所采用的环境参数，RSSI为输入的信号强度，D’为固定节点与移动节点的目标位置之间的距离，单位为米。

步骤S302，将三个固定节点两两分组，得到三组节点；每组节点中，第一个固定节点位置为P₀=(x₀，y₀)，第一个固定节点距离与移动节点的目标位置之间的距离为r₀，第二个固定节点位置为P₁=(x₁，y₁)，第二个固定节点距离与移动节点的目标位置之间的距离为r₁，求解信号范围相交的两个点P₃的位置P₃=(x₃，y₃)；过程如下：

如图2所示，令P₀与P₁为两个固定节点，r₀与r₁为信号强度转换成的间距，以P₀为圆心、r₀与r₁为半径做第一个圆，以P₁为圆心、r₁为半径做第二个圆，两圆的两个交点处为P₃，以两个P₃为端点连成线段P₃P₃，连接点P₀与点P₁形成直线P₀P₁，线段P₃P₃和直线P₀P₁垂直交叉处为P₂，P₂到P₃的线段长为h，P₂到P₀的线段长为a，P₂到P₁的线段长为b。由于三角形P₀P₂P₃与P₁P₂P₃为直角三角形，可以得出公式(5)：

a²+h²=r₀ ² 和b²+h²=r₁ ² (5)；

设d=a+b，则求解a：

a=(r₀ ²-r₁ ²+d²)/(2d) (6)；

将公式（5）移项得到h²=r₀ ²-a²，然后把公式(6)代入求解h；

由于a/d=(P₂-P₀)/(P₁-P₀)，所以，P₂=P₀+a(P₁-P₀)/d (7)；

设P₀=(x₀，y₀)，P₁=(x₁，y₁)，P₂=(x₂，y₂)，求解P₃=(x₃，y₃)：

x₃=x₂±h（y₁-y₀）÷d (8)；

y₃=y₂∓h（x₁-x₀）÷d (9)。

步骤S303，每组节点算得两个点P₃，三组节点共算得六个点P₃，选取这六个点P₃之中三个彼此最靠近的点P₃，然后再平均这三个彼此最靠近的点P₃的坐标，得到移动节点的目标位置。

实验证明，本方案的80%的定位结果的精准度小于3米。

本发明按照实施例进行了说明，在不脱离本原理的前提下，本装置还可以作出若干变形和改进。应当指出，凡采用等同替换或等效变换等方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于蓝牙信号的室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，建立指定监测环境中，固定节点的信号传播模型；

步骤S101，指定监测环境中，令一个固定节点作为参考节点，获取第i个固定节点的坐标（x_i，y_i），i=1...N，其中N为固定节点的总个数；令采样时间为T_s，固定节点发送信号强度为P_t，第i个固定节点接收的信号强度为P_ri；设P=[P_r1 P_{r2 ...} P_rN]^T，信号传输模型为：

（1）；

（1）式中，P_r0为参考节点所接收到的信号强度；d_i为第i个固定节点和移动节点的间距；d₀为参考节点和移动节点的间距，设置为1米；ε为信号衰减因子；

步骤S102，选取监测环境中的一个移动节点为训练点，已知该训练点的坐标（x₀，y₀）、第i个固定节点接收的信号强度为P_ri、d₀为1米，则：固定节点和训练点的间距

；

对固定节点信号进行采样，且采用次数为n，将收集好的固定节点信号储存于阵列P_ri＝[RSSI₁，RSSI₂，...，RSSI_n]，然后使用温塞平均值法进行过滤，取得去除极端值的平均值；

将固定节点信号作递减排序，删除阵列前端20%和后端20%的信息，然后在阵列前端补上剩余资料中的最大值，在阵列后端补上剩余资料中的最小值，使得阵列维持删除前的信息数量，然后再计算过滤后的信号强度平均值；第i个固定节点接收的信号强度平均值计算公式如下：

P_ri＝

；

步骤S103，令d₀为1米，由（1）式和固定节点信号平均值P_ri可以推导出：

（3）；

（3）式通过最小平方差法得到：

C=(D^TD)^-1D^TP （4）；

求解（4）式的向量C后，向量C里面的两个元素即为信号传播模型的参数：P_r0、ε；

步骤S104，返回步骤S101，令下一个固定节点作为参考节点，直到所有固定节点均建立信号传播模型；

步骤S2，当移动节点从固定节点取得信号强度信息后，根据历史信息判断是否使用当下的最强信号的固定节点的信号传播模型的参数；

步骤S201，建立历史信息，将步骤S102中的过滤后的信号强度阵列作为固定节点信号的历史信息，并计算固定节点接收的信号强度平均值，并在信号强度平均值前后设定一个标准差作为容许范围；

步骤S202，当下的最强信号的固定节点的信号强度，落入该容许范围，则启用当下的最强信号的固定节点在步骤S1中其作为参考节点时的信号传播模型的参数，即以该最强信号的固定节点为参考节点，计算信号衰减因子ε；否则使用步骤1中当该移动节点作为训练点时所采用的参考节点的信号传播模型的参数；

步骤S3，通过三角定位法，计算移动节点的目标位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙信号的室内定位方法，其特征在于，步骤S3，包括以下步骤：

步骤S301，通过步骤2选出信号最强的三个固定节点，并取得这三个固定节点所分别对应的信号衰减因子ε，然后根据公式(1)的简单信号传播模型，得到固定节点与移动节点的目标位置之间的距离：

；

其中P_r0与ε为换算时所采用的环境参数，RSSI为输入的信号强度，D’为固定节点与移动节点的目标位置之间的距离，单位为米；

步骤S302，将三个固定节点两两分组，得到三组节点；每组节点中，第一个固定节点位置为P₀=(x₀，y₀)，第一个固定节点距离与移动节点的目标位置之间的距离为r₀，第二个固定节点位置为P₁=(x₁，y₁)，第二个固定节点距离与移动节点的目标位置之间的距离为r₁，求解信号范围相交的两个点P₃的位置P₃=(x₃，y₃)。

3.根据权利要求2所述的一种基于蓝牙信号的室内定位方法，其特征在于，步骤S302，求解过程如下：

令P₀与P₁为两个固定节点，r₀与r₁为信号强度转换成的间距，以P₀为圆心、r₀与r₁为半径做第一个圆，以P₁为圆心、r₁为半径做第二个圆，两圆的两个交点处为P₃，以两个P₃为端点连成线段P₃P₃，连接点P₀与点P₁形成直线P₀P₁，线段P₃P₃和直线P₀P₁垂直交叉处为P₂，P₂到P₃的线段长为h，P₂到P₀的线段长为a，P₂到P₁的线段长为b；由于三角形P₀P₂P₃与P₁P₂P₃为直角三角形，可以得出公式(5)：

a²+h²=r₀ ² 和b²+h²=r₁ ² (5)；

设d=a+b，则求解a：

a=(r₀ ²-r₁ ²+d²)/(2d) (6)；

将公式（5）移项得到h²=r₀ ²-a²，然后把公式(6)代入求解h；

由于a/d=(P₂-P₀)/(P₁-P₀)，所以，P₂=P₀+a(P₁-P₀)/d (7)；

设P₀=(x₀，y₀)，P₁=(x₁，y₁)，P₂=(x₂，y₂)，求解P₃=(x₃，y₃)：

x₃=x₂±h（y₁-y₀）÷d (8)；

y₃=y₂∓h（x₁-x₀）÷d (9)；

步骤S303，每组节点算得两个点P₃，三组节点共算得六个点P₃，选取这六个点P₃之中三个彼此最靠近的点P₃，然后再平均这三个彼此最靠近的点P₃的坐标，得到移动节点的目标位置。

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