CN113473363A - 一种基于缩放的相交圆室内定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及室内定位，更具体的说是一种基于缩放的相交圆室内定位方法。所述方法包括将接收到的所有定位基站的RSS信息都参与定位标签最终计算位置的校准和对应RSS指纹信息记录，同时将其中最强的几个基站RSS参与信号传播模型的距离计算。根据多个基站的RSS信息，经过信号传播模型计算出定位标签到各基站的距离。通过递归迭代计算满足约束条件的最小缩放比例，使得至少存在一组两圆相交且交点在相应三角形内。在不增加基站密度的情况下，本发明不仅保障了相对较高的定位精度，而且不同室内环境的适应性强，几乎无需任何修改。

Description

一种基于缩放的相交圆室内定位方法
技术领域
本发明涉及室内定位，更具体的说是一种基于缩放的相交圆室内定位方法。
背景技术
目前，室内定位技术比较多，主要存在的问题包括造价成本偏高、定位精度偏低、环境适应性差或实施和维护工作量大等。大多数定位方法受多径效应和非视距等影响严重，导致定位偏差较大。各种定位技术受限于成本、定位精度、新环境或环境变化的适应性等约束条件，难以广泛普及和应用。无法广泛普及的室内定位技术将极大限制一些物联网应用包括智慧养老等的推广。位置指纹法整体上成本较低且定位精度较高，也没有多大技术难点，但是实施起来非常耗时耗力，环境发生变化需要重建指纹特征数据库，其管理和维护相对困难。
因此，对于一些特定的物联网应用来说，需要一个成本低、定位精度较高、不同环境的适应性强，前期工作量少、后期几乎无需管理和维护的室内定位算法。基于信号传播模型的蓝牙室内定位技术具有成本低、前期工作量少、管理和维护简单等特点，但是由于多径效应和障碍物等影响，导致通过RSS测量得到的距离与实际距离偏差很大，进而导致定位精度偏低甚至无法定位。虽然可以通过增加基站密度来改善这一情况，但是无疑会增加大量成本。
发明内容
本发明提供一种基于缩放的相交圆室内定位方法，目的是可以在不增加基站密度的情况下，保障了相对较高的定位精度。
上述目的通过以下技术方案来实现：
将接收到的所有定位基站的RSS信息都参与定位标签最终计算位置的校准和对应RSS指纹信息记录，同时将其中最强的几个基站RSS参与信号传播模型的距离计算。根据多个基站的RSS信息，经过信号传播模型计算出定位标签到各基站的距离。通过递归迭代计算满足约束条件的最小缩放比例，使得至少存在一组两圆相交且交点在相应三角形内。RSS指纹表征该位置的指纹特征，如果指纹信息熵变化很小，位置变化应该不大，该信息一定程度上可以用于校准位置。室内定位时空变化具有连续性，表现为短时间内位置不会发生剧烈跳变，即很短时间内相邻两次计算出的位置不应该存在超出正常范围的位移大小。
包括以下步骤：
步骤一、在服务器搭建相应的室内地图引擎，建立坐标系给固定位置安装的定位基站录入坐标信息，并选取三个RSS强度依次递减的M、N和Q基站，随后得出综合RSS值，由信号传播模型得知dMP≤dNP≤dQP；
步骤二、所述基站在水平面投影点分别为A、B和C点，竖直高度差为h，待定位点为P，通过RSS计算各定位基站到定位标签的初始测量距离，以得到平面内待定位P到三角形ABC各顶点的距离分别为RA1、RB1和RC1；
步骤三、设kn是第n次迭代缩放比例k的值，置k0为1与(h/dMP)中的最大值，每次迭代k值选择为同时满足约束条件的最小值，kn-1dMP、kn-1dNP和kn-1dQP分别是dMP、dNP和dQP第n次迭代缩放后的测量值；RAn、RBn和RCn分别是RA、RB和RC第n次迭代缩放后的测量值；RAn满足
Figure BDA0003143723720000021
关系，RBn和RCn也满足对应的所述关系，其表现为以三角形ABC的顶点A、B和C为圆心，分别以RAn、RBn和RCn半径画圆，三个圆不断缩放，最终以满足退出条件的最小比例至少满足一组两圆相交且存在交点在三角形内，k需要同时满足以下约束条件：
kn(RAn+RBn)≥AB (a)
kn(RAn+RCn)≥AC (b)
kn(RBn+RCn)≥BC (c)
以递归迭代的形式求解缩放比例k，直到前后两次k的差值或k倒数的差值在0.01至0.1内为止，以获得平面内一点P到三角形ABC各顶点的最终测量距离；
步骤四、以三角形顶点为圆心，各自到P点的最终测量距离为半径画圆，取圆相交在三角形内部的点坐标，利用所述坐标计算出本次的位置坐标，经过缩放后，不存在没有交点或交点不在三角形内的情况；
步骤五、计算RSS指纹信息的熵增，比较指纹信息熵的增量与位移大小的关系，对本轮定位计算坐标进行校准。
其中所述基站接收的RSS信息划分为三组，并且通过滤波处理进行平滑收敛，只处理和自己广播信道相同的RSS信息，处理方式为将该RSS信息通过长期在该环境自学习发现和总结相同距离的不同广播信道RSS存在的相关关系，结合最近收到的其他广播信道的RSS信息，推算出此时其他两个广播信道的RSS值，以此得出综合RSS值。
其中所述相关关系包括RSS差值。
其中所述综合RSS需要经过滤波处理。
所述步骤二中，根据BLE的信号传播模型来计算初始测量距离，此时需去除高度的影响并将基站投影到水平面根据勾股定理再计算基站投影点到定位标签的距离。
所述步骤五中，若指纹信息熵的增量很小，但是位移大小变化很大，应暂时保持位置不变，记录应更新坐标信息，等待进一步确认。
其中所述进一步确认包括检查上轮参与定位计算的基站是否都在本轮收到了，若未全收到，则本轮位置保持不变；若全收到，则分析是否存在参与定位的几个基站RSS值非常接近，且基站选择发生了变化，如果满足这一情况，将本轮和上轮定位计算坐标各取一定权重计算新的坐标作为本轮最终定位坐标。
所述步骤五中，若存在指纹信息熵的增量很大，但是位移大小变化很小的情况，应标记并报警，通过人工排查确认问题包括是否存在参数设置不合理。
若出现相邻两次计算出的定位坐标存在超出正常范围的位移的情况，且存在原先RSS强的基站迅速变弱，则给予原先RSS强但迅速变弱的基站一定的RSS补偿，然后再计算。
本发明一种基于缩放的相交圆室内定位方法的有益效果为：
在不增加基站密度的情况下，本发明通过基于缩放的相交圆室内定位方法不仅保障了相对较高的定位精度，而且不同室内环境的适应性强，几乎无需任何修改。实现成本低、定位精度较高、不同环境的适应性强、前期工作量少、后期管理和维护简单的室内定位解决方案，极大促进一些需要低成本较高定位精度室内定位的物联网应用快速广泛推广。
附图说明
图1为本发明定位处理过程示意图；
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
结合图1至2，具体定位过程如下：
定位之前的准备工作：
包括在服务器搭建相应的室内地图引擎，建立合适的坐标系给固定位置安装的定位基站录入坐标信息。假设选取的最强基站列表以三个最强基站编号分别为M、N和Q基站为例，M基站RSS最强，N基站次之，Q基站相对最弱，且它们在水平面投影点分别为A、B和C点，竖直高度差为h，待定位点为P，由信号传播模型易知dMP≤dNP≤dQP。
求综合RSS强的几个基站：
将基站接收BLE广播的RSS信息根据广播信道可划分三组，每一组只处理和自己广播信道相同的RSS信息。处理方式为将该RSS信息经过滤波等处理进行平滑收敛。通过长期在该环境自学习发现和总结相同距离的不同广播信道RSS存在的相关关系比如RSS差值，结合最近收到的其他广播信道的RSS信息，推算出此时其他两个广播信道的RSS值，进而得出综合RSS值。综合RSS依然需要经过滤波处理。最后选取综合RSS强的几个基站进入第二步计算。
根据BLE的信号传播模型，通过RSS计算各定位基站到定位标签的初始测量距离。
通常基站和定位标签存在高度差，应该去掉高度的影响并将基站投影到水平面根据勾股定理再计算基站投影点到定位标签的距离。
到此，初步得到平面内一点P到三角形ABC各顶点的距离分别为RA1、RB1和RC1。
在满足一定的条件约束下，以递归迭代的形式求解缩放比例k，直到前后两次k的差值或k倒数的差值在0.01至0.1内为止。kn是第n次迭代缩放比例k的值，起始设置k0为1与(h/dMP)中的最大值，每次迭代k值选择为同时满足约束条件的最小值。迭代次数满足n≥1，kn-1dMP、kn-1dNP和kn-1dQP分别是dMP、dNP和dQP第n次迭代缩放后的测量值；RAn、RBn和RCn分别是RA、RB和RC第n次迭代缩放后的测量值。RAn满足
Figure BDA0003143723720000051
RBn和RCn也满足类似的关系，因此缩放比例k的更新能够引起RA、RB和RC的变化。又由于k受到和RA、RB和RC有关的约束条件，RA、RB和RC的变化导致k的更新，如此周而复始直到满足条件退出。其表现为以三角形ABC的顶点A、B和C为圆心，分别以RAn、RBn和RCn半径画圆，三个圆不断缩放，最终以满足退出条件的最小比例至少满足一组两圆相交且存在交点在三角形内。根据三角形任意两边之和大于第三边定理，得到k需要同时满足以下约束条件。
kn(RAn+RBn)≥AB (a)
kn(RAn+RCn)≥AC (b)
kn(RBn+RCn)≥BC (c)
到此，得到平面内一点P到三角形ABC各顶点的最终测量距离。
以三角形顶点为圆心，各自到P点的最终测量距离为半径画圆，取圆相交在三角形内部的点坐标，这些坐标再以一定的权重计算出本次的位置坐标，距RSS最强的顶点距离最近的坐标权重最高，其他次之。经过适当缩放后，不存在没有交点或交点不在三角形内的情况。
计算RSS指纹信息的熵增，比较指纹信息熵的增量与位移大小的关系，对本轮定位计算坐标进行校准：
如果指纹信息熵的增量很小，但是位移大小变化很大，可能是由于某个参与定位计算的基站RSS信息连续丢失造成的，应暂时保持位置不变，记录应更新坐标信息，等待进一步确认。检查上轮参与定位计算的基站是否都在本轮收到了，如果未全收到，则本轮位置保持不变；如果全收到，则分析是否存在参与定位的几个基站RSS值非常接近，且基站选择发生了变化，如果满足这一情况，将本轮和上轮定位计算坐标各取一定权重计算新的坐标作为本轮最终定位坐标。如果存在指纹信息熵的增量很大，但是位移大小变化很小的情况，应标记并报警，通过人工排查确认问题包括是否存在参数设置不合理等。
根据时空变化的连续性，在很短时间内相邻两次计算出的定位坐标不应该存在超出正常范围的位移。假如出现这样情况，而且存在原先RSS强的基站迅速变弱，应考虑多径效应或障碍物影响，并给予这些基站一定的RSS补偿然后再计算。

Claims (9)

1.一种基于缩放的相交圆室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在服务器搭建相应的室内地图引擎，建立坐标系给固定位置安装的定位基站录入坐标信息，并选取三个RSS强度依次递减的M、N和Q基站，随后得出综合RSS值，由信号传播模型得知dMP≤dNP≤dQP；
步骤二、所述基站在水平面投影点分别为A、B和C点，竖直高度差为h，待定位点为P，通过RSS计算各定位基站到定位标签的初始测量距离，以得到平面内待定位P到三角形ABC各顶点的距离分别为RA1、RB1和RC1；
步骤三、设kn是第n次迭代缩放比例k的值，置k0为1与(h/dMP)中的最大值，每次迭代k值选择为同时满足约束条件的最小值，kn-1dMP、kn-1dNP和kn-1dQP分别是dMP、dNP和dQP第n次迭代缩放后的测量值；RAn、RBn和RCn分别是RA、RB和RC第n次迭代缩放后的测量值；RAn满足
Figure FDA0003143723710000011
关系，RBn和RCn也满足对应的所述关系，其表现为以三角形ABC的顶点A、B和C为圆心，分别以RAn、RBn和RCn半径画圆，三个圆不断缩放，最终以满足退出条件的最小比例至少满足一组两圆相交且存在交点在三角形内，k需要同时满足以下约束条件：
kn(RAn+RBn)≥AB (a)
kn(RAn+RCn)≥AC (b)
kn(RBn+RCn)≥BC (c)
以递归迭代的形式求解缩放比例k，直到前后两次k的差值或k倒数的差值在0.01至0.1内为止，以获得平面内一点P到三角形ABC各顶点的最终测量距离；
步骤四、以三角形顶点为圆心，各自到P点的最终测量距离为半径画圆，取圆相交在三角形内部的点坐标，利用所述坐标计算出本次的位置坐标，经过缩放后，不存在没有交点或交点不在三角形内的情况；
步骤五、计算RSS指纹信息的熵增，比较指纹信息熵的增量与位移大小的关系，对本轮定位计算坐标进行校准。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其中所述基站接收的RSS信息划分为三组，并且通过滤波处理进行平滑收敛，只处理和自己广播信道相同的RSS信息，处理方式为将该RSS信息通过长期在该环境自学习发现和总结相同距离的不同广播信道RSS存在的相关关系，结合最近收到的其他广播信道的RSS信息，推算出此时其他两个广播信道的RSS值，以此得出综合RSS值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：其中所述相关关系包括RSS差值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：其中所述综合RSS需要经过滤波处理。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于：所述步骤二中，根据BLE的信号传播模型来计算初始测量距离，此时需去除高度的影响并将基站投影到水平面根据勾股定理再计算基站投影点到定位标签的距离。
6.根据权利要求5所述的方法，所述步骤五中，若指纹信息熵的增量很小，但是位移大小变化很大，应暂时保持位置不变，记录应更新坐标信息，等待进一步确认。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：其中所述进一步确认包括检查上轮参与定位计算的基站是否都在本轮收到了，若未全收到，则本轮位置保持不变；若全收到，则分析是否存在参与定位的几个基站RSS值非常接近，且基站选择发生了变化，如果满足这一情况，将本轮和上轮定位计算坐标各取一定权重计算新的坐标作为本轮最终定位坐标。
8.根据权利要求5至7任意一项所述的方法，其特征在于：所述步骤五中，若存在指纹信息熵的增量很大，但是位移大小变化很小的情况，应标记并报警，通过人工排查确认问题包括是否存在参数设置不合理。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：若出现相邻两次计算出的定位坐标存在超出正常范围的位移的情况，且存在原先RSS强的基站迅速变弱，则给予原先RSS强但迅速变弱的基站一定的RSS补偿，然后再计算。
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