CN114051201A - 基于遗传算法优化的室内定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于遗传算法优化的室内定位方法，该方法包括：在目标室内区域内布置预定数量的蓝牙网关；基于遗传算法获取每个蓝牙网关的蓝牙信号强度；获取设置有蓝牙电子标签的待定位对象的蓝牙信号强度；确定第一目标蓝牙网关和第二目标蓝牙网关，所述第一目标蓝牙网关和所述第二目标蓝牙网关为所述预定数量的蓝牙网关中的蓝牙信号强度与所述待定位对象的蓝牙信号强度的差值最小的两个蓝牙网关；根据所述第一目标蓝牙网关和所述第二目标蓝牙网关，并基于三角定位算法对所述待定位对象进行定位。根据本发明，能够解决现有基于UWB技术的室内定位方法的定位速度较低的问题。

Description

基于遗传算法优化的室内定位方法
技术领域
本发明属于室内定位技术领域，更具体地，涉及一种基于遗传算法优化的室内定位方法。
背景技术
室内定位是指在室内环境中实现位置定位，主要采用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。室内位置感知可以支持许多应用场景，并且正在改变移动设备的传统使用模式。
现有的室内定位技术主要包括超声波定位、蓝牙定位、ZigBee定位、Wi-Fi定位和UWB定位。其中，UWB定位技术因在定位精度、覆盖范围、功耗、成本和可靠性等方面具有明显的综合优势而得到了越来越广泛的应用。
跟蓝牙和WIFI定位方法不同，UWB室内定位技术位置信息并不是基于信号强度(RSSI)进行计算，而是通过精确无线信号的发送时刻、接收时刻，并通过算法计算的。UWB无线定位系统要实现精确定位，首先要获取与位置相关的变量信息，建立相应的数学模型，然后根据这些变量和参数以及数学模型来解算目标的坐标。UWB室内定位技术具有超高的时间分辨率，保证了UWB可以准确的获得待定位目标的时间和角度信息，信号飞行的速度是光速(固定值)，所以只要知道飞行时间就可以计算出两个设备的距离，结合角度信息利用三角定位等几何定位方法求得待定位目标的位置信息。然而，现有基于UWB技术的室内定位方法的定位速度较低，导致该方法不适用于对定位速度要求较高的任务场景。
发明内容
本发明的目的在于解决现有基于UWB技术的室内定位方法的定位速度较低的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于遗传算法优化的室内定位方法，该方法包括以下步骤：
在目标室内区域内布置预定数量的蓝牙网关；
基于遗传算法获取每个蓝牙网关的蓝牙信号强度；
获取设置有蓝牙电子标签的待定位对象的蓝牙信号强度；
确定第一目标蓝牙网关和第二目标蓝牙网关，所述第一目标蓝牙网关和所述第二目标蓝牙网关为所述预定数量的蓝牙网关中的蓝牙信号强度与所述待定位对象的蓝牙信号强度的差值最小的两个蓝牙网关；
根据所述第一目标蓝牙网关和所述第二目标蓝牙网关，并基于三角定位算法对所述待定位对象进行定位。
作为优选的是，所述基于遗传算法获取每个蓝牙网关的蓝牙信号强度具体为：
将每个蓝牙网关作为一个个体，将所述预定数量的蓝牙网关作为一个独立的种群，将蓝牙网关的蓝牙信号强度作为目标函数RSSI；
基于预定的RSSI计算公式获取每个蓝牙网关的蓝牙信号强度，所述RSSI计算公式为：
RSSI＝(A+10nlogd)-EAF
上式中，A为蓝牙网关和蓝牙信号接收端相隔1米时的蓝牙信号强度，n为环境衰减因子，d为计算所得距离，EAF为环境影响因子。
作为优选的是，所述环境影响因子为随机变量或者预定的固定值。
作为优选的是，所述蓝牙网关内置有天线阵列和控制器；
所述天线阵列用于接收所述待定位对象发出的蓝牙信号；
所述控制器用于根据接收的蓝牙信号获取所述待定位对象发出的蓝牙信号的到达角度。
作为优选的是，所述根据所述第一目标蓝牙网关和所述第二目标蓝牙网关，并基于三角定位算法对所述待定位对象进行定位具体为：
根据所述第一目标蓝牙网关的控制器获取的所述待定位对象发出的蓝牙信号的到达角度和所述第二目标蓝牙网关的控制器获取的所述待定位对象发出的蓝牙信号的到达角度获取所述待定位对象的位置信息。
作为优选的是，所述根据所述第一目标蓝牙网关和所述第二目标蓝牙网关，并基于三角定位算法对所述待定位对象进行定位基于后端实时定位系统实现。
作为优选的是，所述蓝牙网关还内置有wifi模块，所述目标室内区域内还布置有无线AP；
所述蓝牙网关的控制器通过wifi模块和无线AP将获取的所述待定位对象发出的蓝牙信号的到达角度数据上传至所述后端实时定位系统。
作为优选的是，所述蓝牙网关和所述蓝牙电子标签均遵循蓝牙5.1协议，所述蓝牙网关和所述蓝牙电子标签的工作频率均为2.40GHz到2.41GHz。
作为优选的是，所述天线阵列包括第一天线和第二天线；
所述控制器根据所述第一天线和所述第二天线接收到的同一蓝牙信号的相位差以及所述第一天线与所述第二天线的间距获取该蓝牙信号的到达角度。
作为优选的是，所述后端实时定位系统根据所述第一目标蓝牙网关的控制器获取的所述待定位对象发出的蓝牙信号的到达角度和所述第二目标蓝牙网关的控制器获取的所述待定位对象发出的蓝牙信号的到达角度，以及所述第一目标蓝牙网关与所述第二目标蓝牙网关的间距获取所述待定位对象的位置信息。
本发明的有益效果在于：
本发明的基于遗传算法优化的室内定位方法，首先在目标室内区域内布置预定数量的蓝牙网关；其次基于遗传算法获取每个蓝牙网关的蓝牙信号强度；再次获取设置有蓝牙电子标签的待定位对象的蓝牙信号强度；从次确定第一目标蓝牙网关和第二目标蓝牙网关，所述第一目标蓝牙网关和所述第二目标蓝牙网关为所述预定数量的蓝牙网关中的蓝牙信号强度与所述待定位对象的蓝牙信号强度的差值最小的两个蓝牙网关；最后根据所述第一目标蓝牙网关和所述第二目标蓝牙网关，并基于三角定位算法对所述待定位对象进行定位。
本发明的基于遗传算法优化的室内定位方法，基于蓝牙信号到达角度测量原理，并基于遗传算法对现有的三角定位算法进行优化改进，能够快速计算出最优的锚节点，进而组成三角区域对室内的待定位对象进行定位计算，从而有效地解决现有基于UWB技术的室内定位方法的定位速度较低的问题。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的实施例的基于遗传算法优化的室内定位方法的实现流程图；
图2示出了根据本发明的实施例的三角定位算法的原理图。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例：2018年1月28日，蓝牙国际标准组织(SIG，Bluetooth Special InterestGroup)发布了蓝牙规范实现5.1版本，此版本主要特征是定位。此次发布的蓝牙5.1不仅可以检测到特定对象的距离，还可以检测它所处的方向，可用以实现厘米级定位精度的蓝牙定位系统。通过监测到达不同天线的载波相位不同，接收端可以检测出到达信号和自身法线的夹角，有两个以上的发射端，就可以通过计算，算出接收端所在的位置，反之亦然。
图1示出了本发明实施例的基于遗传算法优化的室内定位方法的实现流程图。参照图1，本发明实施例的基于遗传算法优化的室内定位方法包括以下步骤：
步骤S100、在目标室内区域内布置预定数量的蓝牙网关；
步骤S200、基于遗传算法获取每个蓝牙网关的蓝牙信号强度；
步骤S300、获取设置有蓝牙电子标签的待定位对象的蓝牙信号强度；
步骤S400、确定第一目标蓝牙网关和第二目标蓝牙网关，所述第一目标蓝牙网关和所述第二目标蓝牙网关为所述预定数量的蓝牙网关中的蓝牙信号强度与所述待定位对象的蓝牙信号强度的差值最小的两个蓝牙网关；
步骤S500、根据所述第一目标蓝牙网关和所述第二目标蓝牙网关，并基于三角定位算法对所述待定位对象进行定位。
进一步地，本发明实施例中，步骤S200所述的基于遗传算法获取每个蓝牙网关的蓝牙信号强度具体为：
将每个蓝牙网关作为一个个体，将所述预定数量的蓝牙网关作为一个独立的种群，将蓝牙网关的蓝牙信号强度作为目标函数RSSI；
基于预定的RSSI计算公式获取每个蓝牙网关的蓝牙信号强度，所述RSSI计算公式为：
RSSI＝(A+10nlogd)-EAF
具体地，本发明实施例中，所述环境影响因子为预定的固定值。
再进一步地，本发明实施例中，所述蓝牙网关内置有天线阵列和控制器；
所述天线阵列用于接收所述待定位对象发出的蓝牙信号；
所述控制器用于根据接收的蓝牙信号获取所述待定位对象发出的蓝牙信号的到达角度。
再进一步地，本发明实施例中，步骤S500所述的根据所述第一目标蓝牙网关和所述第二目标蓝牙网关，并基于三角定位算法对所述待定位对象进行定位具体为：
根据所述第一目标蓝牙网关的控制器获取的所述待定位对象发出的蓝牙信号的到达角度和所述第二目标蓝牙网关的控制器获取的所述待定位对象发出的蓝牙信号的到达角度获取所述待定位对象的位置信息。
再进一步地，本发明实施例中，步骤S500所述的根据所述第一目标蓝牙网关和所述第二目标蓝牙网关，并基于三角定位算法对所述待定位对象进行定位基于后端实时定位系统实现。
再进一步地，本发明实施例中，所述蓝牙网关还内置有wifi模块，所述目标室内区域内还布置有无线AP；
所述蓝牙网关的控制器通过wifi模块和无线AP将获取的所述待定位对象发出的蓝牙信号的到达角度数据上传至所述后端实时定位系统。
再进一步地，本发明实施例中，所述蓝牙网关和所述蓝牙电子标签均遵循蓝牙5.1协议，所述蓝牙网关和所述蓝牙电子标签的工作频率均为2.40GHz到2.41GHz。
再进一步地，本发明实施例中，所述天线阵列包括第一天线和第二天线；
所述控制器根据所述第一天线和所述第二天线接收到的同一蓝牙信号的相位差以及所述第一天线与所述第二天线的间距获取该蓝牙信号的到达角度。
再进一步地，本发明实施例中，所述后端实时定位系统根据所述第一目标蓝牙网关的控制器获取的所述待定位对象发出的蓝牙信号的到达角度和所述第二目标蓝牙网关的控制器获取的所述待定位对象发出的蓝牙信号的到达角度，以及所述第一目标蓝牙网关与所述第二目标蓝牙网关的间距获取所述待定位对象的位置信息。
以下对本发明实施例的基于遗传算法优化的室内定位方法进行更为详细的说明：
本发明实施例的基于遗传算法优化的室内定位方法基于蓝牙电子标签、蓝牙网关、无线AP和后端实时定位系统共同实现，主要利用蓝牙5.1AOA定位技术，实现室内货物和智能设备的实时、精准定位。
其中，蓝牙电子标签可以进行价格、二维码、商品图片等信息的更新，无需长时等待，支持发射无线信号，内置电池寿命长，续航时间长达5年。蓝牙网关可扫描周边的蓝牙电子标签，并负责对从不同的蓝牙电子标签中收集到的信息进行整合。蓝牙网关内置MCU控制器，用于实现边缘计算功能，计算蓝牙信号到达角度。此外，蓝牙网关还支持自动搜索，具体地，蓝牙网关上电后自动与设定的服务器建立TCP连接后，自动开启不间断的蓝牙信号搜索功能，并将计算出的蓝牙信号到达角度等数据信息传输到后端实时定位系统进行后续处理。最后，蓝牙网关支持WIFI信号覆盖，由于蓝牙使用全球范围开放的2.4G频段，因此运营成本几乎为零。
具体实施的过程中，在目标室内区域部署N个蓝牙网关(锚节点)，并在后端实时定位系统中标记各个蓝牙网关对应的固定点位，组成勘测区域。蓝牙电子标签作为信标模块，用于发送无线信号，可以固定在货架、智能设备上。蓝牙网关在接收到蓝牙电子标签的蓝牙信号后即可判定设置有蓝牙电子标签的待定位对象进入该区域范围。
在确定区域范围之后，可以通过蓝牙网关内置的MCU控制器计算蓝牙信号到达角度，将相关数据信息传给后端实时定位系统，后端实时定位系统利用三角定位算法，即可计算出待定位对象的精确位置。
图2示出了本发明实施例的三角定位算法的原理图。参照图2，三角定位算法顾名思义即通过两组信号到达角度，确定信标设备的位置，两组天线即可测量到一个信号到达角度，两个信号到达角度即可确定信标设备的位置。
以下对信号到达角度和设备位置的计算以及三角定位算法的优化进行详细说明：
信号到达角度计算：
当锚节点(蓝牙网关)内置的天线阵列(天线1、天线2)收到无线信号后，能够唯一地确定来波的方向，其中δ为发送信号波长，
Figure BDA0003300435140000081
为天线1和2接收到同一无线信号的相位差，θ为待求的信号到达角度(AOA)，d为两个天线间的距离，θ可得：
Figure BDA0003300435140000082
设备位置计算：
假设目前有一固定频率的蓝牙无线信号在空旷区域进行传播，在已知两台蓝牙网关之间距离为d，蓝牙无线信号频率(即波长)，可以计算出无线信号与蓝牙网关A1、A2之间的信号到达角度θ，在计算出不同位置的两组信号到达角度θ，即可计算出设备的位置h：
Figure BDA0003300435140000083
三角定位算法优化：
利用遗传算法思想，对现有三角定位算法中的锚节点选择进行改进优化，以提升整体的定位计算速度。
该优化方法由三步组成：
通过比较已知的蓝牙网关的无线信号强度分布(锚节点)，与用户采集的信号强度，寻找出定位区域最匹配的区域。定位流程如下：
1、预先取得室内无线信号强度的区域分布，即勘测区域。
2、扫描未知设备的信号。
3、计算未知设备X的rssi信号和勘测区域中所有锚节点M的信号源rssi差值，将差值最小的2个锚节点和未知设备的位置集合作为最优定位区域。
在勘测区域时，本发明实施例引入遗传算法，并加以改进。本发明实施例把单个锚节点看作个体，N个锚节点组成一个独立的种群，锚节点的信号强度作为目标函数RSSI。
RSSI的一般公式为：RSSI＝10logP；
只需将接收到的信号功率P代入就是接收信号强度(灵敏度)。
具体地，本发明实施例对RSSI公式进行优化调整如下：
RSSI＝(A+10nlogd)-EAF
上式中，EAF为环境影响因子，是一个随机变量，但为了增强实用性，将其设置为一个固定值；d为计算所得距离；A为发射端和接收端相隔1米时的信号强度；n为环境衰减因子。
通过比较得出勘测区域内的差值最小的两个锚节点，与未知节点组成三角定位区域，进而计算求得未知节点的位置信息。
本发明实施例的基于遗传算法优化的室内定位方法，采用蓝牙5.1AOA技术路线替代UWB技术路线，并在此技术路线基础上，对现有的三角定位算法进行优化，充分利用新技术路线的性能优势，以提升整体的定位计算速度。
本发明实施例的基于遗传算法优化的室内定位方法还具有以下有益效果：
计算成本低：基于蓝牙5.1AOA技术路线，在信号发射、传送及信号采集环节中的投入成本低，维护成本低，设备使用寿命长。
计算速度快：利用遗传算法思想，对三角定位算法进行优化改进，可以快速计算出最优的锚节点，组成三角区域进行定位计算。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.基于遗传算法优化的室内定位方法，其特征在于，包括：
在目标室内区域内布置预定数量的蓝牙网关；
基于遗传算法获取每个蓝牙网关的蓝牙信号强度；
获取设置有蓝牙电子标签的待定位对象的蓝牙信号强度；
确定第一目标蓝牙网关和第二目标蓝牙网关，所述第一目标蓝牙网关和所述第二目标蓝牙网关为所述预定数量的蓝牙网关中的蓝牙信号强度与所述待定位对象的蓝牙信号强度的差值最小的两个蓝牙网关；
根据所述第一目标蓝牙网关和所述第二目标蓝牙网关，并基于三角定位算法对所述待定位对象进行定位。
2.根据权利要求1所述的基于遗传算法优化的室内定位方法，其特征在于，所述基于遗传算法获取每个蓝牙网关的蓝牙信号强度具体为：
将每个蓝牙网关作为一个个体，将所述预定数量的蓝牙网关作为一个独立的种群，将蓝牙网关的蓝牙信号强度作为目标函数RSSI；
基于预定的RSSI计算公式获取每个蓝牙网关的蓝牙信号强度，所述RSSI计算公式为：
RSSI＝(A+10nlogd)-EAF
上式中，A为蓝牙网关和蓝牙信号接收端相隔1米时的蓝牙信号强度，n为环境衰减因子，d为计算所得距离，EAF为环境影响因子。
3.根据权利要求2所述的基于遗传算法优化的室内定位方法，其特征在于，所述环境影响因子为随机变量或者预定的固定值。
4.根据权利要求3所述的基于遗传算法优化的室内定位方法，其特征在于，所述蓝牙网关内置有天线阵列和控制器；
所述天线阵列用于接收所述待定位对象发出的蓝牙信号；
所述控制器用于根据接收的蓝牙信号获取所述待定位对象发出的蓝牙信号的到达角度。
5.根据权利要求4所述的基于遗传算法优化的室内定位方法，其特征在于，所述根据所述第一目标蓝牙网关和所述第二目标蓝牙网关，并基于三角定位算法对所述待定位对象进行定位具体为：
根据所述第一目标蓝牙网关的控制器获取的所述待定位对象发出的蓝牙信号的到达角度和所述第二目标蓝牙网关的控制器获取的所述待定位对象发出的蓝牙信号的到达角度获取所述待定位对象的位置信息。
6.根据权利要求5所述的基于遗传算法优化的室内定位方法，其特征在于，所述根据所述第一目标蓝牙网关和所述第二目标蓝牙网关，并基于三角定位算法对所述待定位对象进行定位基于后端实时定位系统实现。
7.根据权利要求6所述的基于遗传算法优化的室内定位方法，其特征在于，所述蓝牙网关还内置有wifi模块，所述目标室内区域内还布置有无线AP；
所述蓝牙网关的控制器通过wifi模块和无线AP将获取的所述待定位对象发出的蓝牙信号的到达角度数据上传至所述后端实时定位系统。
8.根据权利要求7所述的基于遗传算法优化的室内定位方法，其特征在于，所述蓝牙网关和所述蓝牙电子标签均遵循蓝牙5.1协议，所述蓝牙网关和所述蓝牙电子标签的工作频率均为2.40GHz到2.41GHz。
9.根据权利要求8所述的基于遗传算法优化的室内定位方法，其特征在于，所述天线阵列包括第一天线和第二天线；
所述控制器根据所述第一天线和所述第二天线接收到的同一蓝牙信号的相位差以及所述第一天线与所述第二天线的间距获取该蓝牙信号的到达角度。
10.根据权利要求9所述的基于遗传算法优化的室内定位方法，其特征在于，所述后端实时定位系统根据所述第一目标蓝牙网关的控制器获取的所述待定位对象发出的蓝牙信号的到达角度和所述第二目标蓝牙网关的控制器获取的所述待定位对象发出的蓝牙信号的到达角度，以及所述第一目标蓝牙网关与所述第二目标蓝牙网关的间距获取所述待定位对象的位置信息。
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