CN114545326A - 定位方法、装置、设备、存储介质及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种定位方法、装置、设备、存储介质及系统,属于定位技术领域。所述方法包括:获取至少三个定位基站上报的测量脉冲信号,所述测量脉冲信号由一个定位基站对另一个定位基站发射的脉冲信号进行测量得到,且所述测量脉冲信号包括所述脉冲信号经由待定位对象处反射形成的反射脉冲信号;基于所述测量脉冲信号确定所述待定位对象的位置。不同于相关技术中仅能够对基站之间主径上的对象进行定位,本申请实施例提供的方案中,定位设备利用脉冲信号的多径信息实现定位,在仅设置少量定位基站的情况下,提高了定位的定位准确度,减少了定位死角。
Description
技术领域
本申请实施例涉及定位技术领域,特别涉及一种定位方法、装置、设备、存储介质及系统。
背景技术
超带宽(Ultra Wide Band,UWB)作为一种无线载波通信技术,因其具有功耗低、定位精度高等优点,被广泛应用于室内定位场景。
在利用UWB技术实现室内定位时,需要在室内设置UWB定位基站,并通过不同UWB定位基站进行相互测距。当室内不存在用户时,UWB定位基站测量得到的距离保持不变;而当室内存在用户走动,且经过两个UWB定位基站之间的主径时,UWB定位基站测量得到的距离将会发生变化,相应的,基于不同UWB定位基站的测距结果即可定位用户在室内的位置或行动轨迹。
然而,采用上述方式只能够对位于基站之间主径上的对象进行定位,因此需要在室内设置大量UWB定位基站,以此减少定位死角。
发明内容
本申请实施例提供了一种定位方法、装置、设备、存储介质及系统。所述技术方案如下:
一方面,本申请实施例提供了一种定位方法,所述方法包括:
获取至少三个定位基站上报的测量脉冲信号,所述测量脉冲信号由一个定位基站对另一个定位基站发射的脉冲信号进行测量得到,且所述测量脉冲信号包括所述脉冲信号经由待定位对象处反射形成的反射脉冲信号;
基于所述测量脉冲信号确定所述待定位对象的位置。
另一方面,本申请实施例提供了一种定位装置,所述装置包括:
信号获取模块,用于获取至少三个定位基站上报的测量脉冲信号,所述测量脉冲信号由一个定位基站对另一个定位基站发射的脉冲信号进行测量得到,且所述测量脉冲信号包括所述脉冲信号经由待定位对象处反射形成的反射脉冲信号;
定位模块,用于基于所述测量脉冲信号确定所述待定位对象的位置。
另一方面,本申请实施例提供了一种定位设备,所述定位设备包括处理器和存储器;所述存储器存储有至少一条指令,所述至少一条指令用于被所述处理器执行以实现上述方面所述的定位方法。
另一方面,本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有至少一条指令,所述至少一条指令用于被处理器执行以实现如下步骤:
获取至少三个定位基站上报的测量脉冲信号,所述测量脉冲信号由一个定位基站对另一个定位基站发射的脉冲信号进行测量得到,且所述测量脉冲信号包括所述脉冲信号经由待定位对象处反射形成的反射脉冲信号;
基于所述测量脉冲信号确定所述待定位对象的位置。
另一方面,本申请实施例提供了一种定位系统,所述定位系统包括:至少三个定位基站以及定位设备,各个所述定位基站与所述定位设备之间建立有数据通信连接;
所述定位基站用于发射脉冲信号,对其它定位基站发射的脉冲信号进行测量,并将测量得到的测量脉冲信号上报至所述定位设备,所述测量脉冲信号包括所述脉冲信号经由待定位对象处反射形成的反射脉冲信号;
所述定位设备用于获取所述至少三个定位基站上报的测量脉冲信号,并基于所述测量脉冲信号确定所述待定位对象的位置。
另一方面,本申请实施例提供了一种计算机程序产品或计算机程序,该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令,该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令,处理器执行该计算机指令,使得该计算机设备执行上述方面提供的定位方法。
本申请实施例中,基于脉冲信号在传播过程中遇到待定位对象时会形成反射脉冲信号,导致定位基站处测量得到的测量脉冲信号发生变化,且信号变化情况与待定位对象所处位置相关这一特点,通过设置至少三个定位基站,并利用定位基站其它定位基站发射的脉冲信号进行测量,从而将测量得到的测量脉冲信号上报至定位设备,由定位设备基于测量脉冲信号确定出待定位对象的位置,实现定位;相较于相关技术中仅能够对基站之间主径上的对象进行定位,本申请实施例提供的方案中,定位设备利用脉冲信号的多径(包括基站之间的主径以及脉冲信号的反射路径)信息实现定位,在仅设置少量定位基站的情况下,提高了定位准确度,减少了定位死角。
附图说明
图1示出了本申请一个示例性实施例提供的实施环境的示意图;
图2示出了本申请一个示例性实施例提供的定位方法的流程图;
图3示出了本申请另一个示例性实施例提供的定位方法的流程图;
图4是本申请一个示例性实施例提供的不存在待定位对象时脉冲信号收发过程的示意图;
图5是本申请一个示例性实施例提供的存在待定位对象时脉冲信号收发过程的示意图;
图6是本申请一个示例性实施例提供的确定待定位对象所处位置过程的示意图;
图7是本申请一个示例性实施例提供的目标脉冲信号确定过程的实施示意图;
图8是本申请一个示例性实施例提供的定位方法的实施示意图;
图9是设置不同数量定位基站时定位效果的效果比较图;
图10示出了本申请另一个示例性实施例提供的定位方法的流程图;
图11是本申请一个示例性实施例提供的位置预测模型的结构示意图;
图12是双天线定位基站进行脉冲信号测量过程的实施示意图;
图13是同一定位基站上不同天线测量得到的脉冲信号的示意图;
图14示出了本申请一个实施例提供的定位装置的结构框图;
图15示出了本申请一个示例性实施例提供的定位设备的结构方框图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
请参考图1,其示出了本申请一个示例性实施例提供的实施环境的示意图,该实施环境中包括至少三个定位基站110以及定位设备120。
定位基站110是具有信道脉冲响应信号(Channel Impulse Response,CIR)发射以及接收功能的设备,该信道脉冲响应信号也可称为脉冲信号。其中,定位基站110通过脉冲信号收发组件(接收/发射组件分离,或者,接收/发射组件一体)收发信道脉冲响应信号。可选的,该脉冲信号收发组件可以为UWB组件。
在一种可能的应用场景下,定位基站110设置在不同的室内位置,且室内设置有至少三个定位基站110。在一些实施例中,定位基站110实现成为独立的设备并被布设在室内,比如,定位基站110被布设在室内墙壁上开关的内部,或者被布设在家电上(例如设置在智能电视上)。并且,为了提高后续室内定位的准确度,定位基站110布设在室内的不同方位,避免定位基站设备110之间集中布设。示意性的,如图1所示,室内布设有三个定位基站110,分别位于室内左前方、右前方和右后方。需要说明的是,图1仅对定位基站的设置位置和数量进行示意性说明,但并不对此构成限定。
工作状态下,定位基站110通过脉冲信号发射组件发射脉冲信号,并通过脉冲信号接收组件接收其它定位基站110发射的脉冲信号。本申请实施例中,由于定位基站110同时向四周发射脉冲信号,因此脉冲信号传输过程中,可能沿着主径(即定位基站110之间的直线路径)传输并被其它定位基站110接收,也可能在室内发生反射后(比如在墙壁处发生反射)被其它定位基站110接收(即沿主径以外的路径传输)。
在室内不包含移动对象(比如行走的用户)的情况下,各个定位基站设备110测量得到的脉冲信号保持不变;而当室内存在移动对象时,由于脉冲信号遇到移动对象后会发生反射,并被定位基站110所接收,因此定位基站110测量得到的脉冲信号将发生变化。本申请实施例中,即根据定位基站110所测量得到的脉冲信号的变化情况,确定室内移动对象的位置。
在一种可能的实施方式中,定位基站110中还设置有通信组件,通过该通信组件,定位基站110即可以将测量得到测量脉冲信号上报至定位设备120。
定位设备120是用于确定室内待定位对象所处的位置的设备。在一种可能的实施方式中,定位设备120为云端服务器,用于接收各个定位基站110上报的测量脉冲信号,并基于测量脉冲信号确定待定位对象的室内位置。在其他可能的实施方式中,定位设备120还可以是与定位基站110建立有数据通信连接的计算机设备,该计算机设备可以是移动终端、智能家庭机器人等等,本实施例对此不作限定。
可选的,定位设备120除了与定位基站110之间建立有数据通信连接外,还与室内的其他电子设备建立有数据通信连接,相应的,定位设备120确定出移动对象在室内中所处的位置后,即可控制其他电子设备执行相应的操作。
比如,定位设备120通过网络与智能电视相连,当基于定位基站110上报的测量脉冲信号识别出用户位于智能电视正前方,且持续时长达到10s时,定位设备120控制智能电视开启;当识别出用户偏离智能电视正前方时,定位设备120控制智能电视关闭。
又比如,定位设备120通过网络与智能灯具相连,当基于定位基站110上报的测量脉冲信号识别出用户位于卧室书桌前时,定位设备120控制书桌处的智能灯具开启;当识别出用户移动至床上时,定位设备120控制书桌处的智能灯具关闭,并控制床头的智能灯具开启。
当然,除了上述室内定位这一应用场景外,本申请实施例提供的定位方法还可以应用于其他应用场景(比如室外场景),本申请实施例并不对此构成限定。且为了方便表述,下述各个实施例以定位方法应用于图1所示的实施环境为例进行说明。
请参考图2,其示出了本申请一个示例性实施例提供的定位方法的流程图,本实施例以该方法应用图1所示的定位设备120为例进行说明,该方法可以包括如下步骤。
步骤201,获取至少三个定位基站上报的测量脉冲信号,测量脉冲信号由一个定位基站对另一个定位基站发射的脉冲信号进行测量得到,且测量脉冲信号包括脉冲信号经由待定位对象处反射形成的反射脉冲信号。
在一种可能的实施方式中,设置在室内的定位基站发射经过调制的脉冲信号,以便其它定位基站能够从接收到的脉冲信号中解调出脉冲信号发送方的相关信息。
脉冲信号在传播过程中,可能会沿着与其它定位基站之间的主径直接传输至其它定位基站,或者,在室内发生反射后沿反射路径传输至其它定位基站,其中,由于主径长度小于反射路径长度,因此会在不同时刻接收到同一定位基站发射的脉冲信号(主径传输的脉冲信号先于反射路径传输的脉冲信号)。而当室内存在待定位对象时,脉冲信号还会在待定位对象处发生反射,从而沿着新的反射路径传输至定位基站,相应的,定位基站接收到的脉冲信号在时域上会发生变化。
本申请实施例中,设置在室内的定位基站即对其他定位基站发射的脉冲信号进行测量,得到测量脉冲信号,并将测量脉冲信号上报至定位设备。其中,当室内存在待定位对象时,上报的测量信号即为包含反射脉冲信号的多径脉冲信号。
示意性的,室内设置有定位基站1、定位基站2和定位基站3,定位设备接收到定位基站1上报的定位基站1与定位基站2之间的测量脉冲信号,接收到定位基站2上报的定位基站2与定位基站3之间的测量脉冲信号,接收到定位基站3上报的定位基站3与定位基站1之间的测量脉冲信号。
步骤202,基于测量脉冲信号确定待定位对象的位置。
由于定位基站上报的测量脉冲信号中除了包含主径脉冲信号外还包含反射脉冲信号,因此定位设备能够获取除主径以外其他信号传输路径的信息,并以此确定出待定位对象在所处的位置。相应的,即便待定位对象位于主径之外的区域,也能够实现定位,且无需在设置密集的定位基站,降低了定位的实现成本。
可选的,当待定位对象在室内移动时,定位设备可以进一步根据确定出的室内位置确定出待定位对象的室内运动轨迹。
可选的,定位设备可以进一步根据确定出的室内位置或室内运动轨迹确定待定位对象的行动意图,从而控制智能家电执行相应的操作,本实施例对此不作限定。
综上所述,本申请实施例中,基于脉冲信号在传播过程中遇到待定位对象时会形成反射脉冲信号,导致定位基站处测量得到的测量脉冲信号发生变化,且信号变化情况与待定位对象所处位置相关这一特点,通过设置至少三个定位基站,并利用定位基站其它定位基站发射的脉冲信号进行测量,从而将测量得到的测量脉冲信号上报至定位设备,由定位设备基于测量脉冲信号确定出待定位对象的位置,实现定位;相较于相关技术中仅能够对基站之间主径上的对象进行定位,本申请实施例提供的方案中,定位设备利用脉冲信号的多径(包括基站之间的主径以及脉冲信号的反射路径)信息实现定位,在仅设置少量定位基站的情况下,提高了定位准确度,减少了定位死角。
关于基于测量脉冲信号进行定位的具体方式,在一种可能的实施方式中,定位设备识别测量脉冲信号中,在待定位对象处反射产生的反射脉冲信号的接收时刻,以此确定待定位对象与定位基站(包括信号发射方以及信号接收方)之间的距离,从而基于该距离实现室内定位。下面采用示意性的实施例进行说明。
请参考图3,其示出了本申请另一个示例性实施例提供的定位方法的流程图,本实施例以该方法应用图1所示的定位设备120为例进行说明,该方法可以包括如下步骤。
步骤301,获取至少三个定位基站上报的测量脉冲信号。
本步骤的实施方式可以参考上述步骤201,本实施例在此不再赘述。
步骤302,基于任意两个定位基站之间的测量脉冲信号以及两个定位基站之间的背景噪声脉冲信号,确定待定位对象到两个定位基站之间距离的距离和,背景噪声脉冲信号为脉冲信号经过固定路径时测量得到的信号。
在一种可能的实施方式中,在室内设置定位基站后,在室内不存在待定位对象的情况下,定位基站之间进行脉冲信号测量,即可得到背景噪声脉冲信号。
示意性的,如图4所示,完成基站设置后,第二定位基站42对第一定位基站41发射的脉冲信号进行测量,得到背景噪声脉冲信号43。其中,背景噪声脉冲信号43中包含主径脉冲信号(直接通过第一定位基站41与第二定位基站42之间的主径接收),以及第一反射脉冲信号(第一定位基站41发射的脉冲信号在室内墙壁44处发生反射后被第二定位基站42接收)。背景噪声脉冲信号43中第一个上升沿对应的时刻即为接收到主径脉冲信号的时刻,第一个下降沿对应的时刻即为接收到第一反射脉冲信号的时刻。并且,当接收到主径脉冲信号的时刻为TFP时,第一定位基站41与第二定位基站42之间的主径距离即为c×TFP,c为光速。
可选的,各个定位基站完成背景噪声脉冲信号测量后,将背景噪声脉冲信号上报至定位设备,由定位设备进行存储。此外,当室内布局发生变化,或者定位基站的设置位置发生变化变化后,定位基站重新进行背景噪声脉冲信号测量和上报,以便定位设备进行更新,保证后续室内定位的准确性。
当室内不存在待定位对象时,各个定位基站测量得到的脉冲信号保持不变(均为背景噪声脉冲信号),而当室内存在待定位对象时,由于脉冲信号在传输过程中会形成新的路径,因此各个定位基站测量得到的脉冲信号也相应发生变化。
示意性的,如图5所示,当室内存在待定位对象45时,第二定位基站42对第一定位基站41发射的脉冲信号进行测量,得到测量脉冲信号46。其中,测量脉冲信号46中包含主径脉冲信号(直接通过第一定位基站41与第二定位基站42之间的主径接收),以及第二反射脉冲信号(第一定位基站41发射的脉冲信号在待定位对象45处发生反射后被第二定位基站42接收),并且,由于待定位对象45对室内墙壁44造成遮挡,导致第二定位基站42不再接收到第一反射脉冲信号。因此,测量脉冲信号46中第一个上升沿对应的时刻即为接收到主径脉冲信号的时刻,第一个下降沿对应的时刻即为接收到第二反射脉冲信号的时刻。并且,当接收到第二反射脉冲信号的时刻为TTP时,反射路径的距离即为c×TTP。
从图4和图5可以看出,待定位对象会对定位基站处测量得到脉冲信号造成影响,且通过对测量得到的脉冲信号时域分析,能够确定待定位对象相对于定位基站的距离,进而确定待定位对象的位置。因此在一种可能的实施方式中,当识别出定位基站上报的测量脉冲信号与背景噪声脉冲信号不同时,定位设备通过如下步骤确定待定位对象到两个定位基站之间距离的距离和。
一、从测量脉冲信号中去除背景噪声脉冲信号,得到去除背景噪声后的目标脉冲信号。
为了识别出待定位设备所产生反射脉冲信号的接收时刻,定位设备从测量脉冲信号中去除背景噪声脉冲信号(即通过比较脉冲信号在时域和频域上的信号差异),得到去除背景噪声后的目标脉冲信号,该目标脉冲信号中即包含反射脉冲信号。
在图4和图5的基础上,如图6所示,将背景噪声脉冲信号43从测量脉冲信号46中去除后,得到目标脉冲信号47。
然后,由于定位基站内容的信号收发器会自动对信号增益进行调整,且背景噪声脉冲信号与测量脉冲信号对应的信号增益可能并不一致,因此,为了提高目标脉冲信号的识别准确性,在一种可能的实施方式中,定位设备自适应调整测量脉冲信号的增益参数和时延参数,进而从自适应调整后的测量脉冲信号中去除背景噪声脉冲信号,得到去除背景噪声后的目标脉冲信号,其中,自适应调整测量脉冲信号过程中,定位设备以最大化目标脉冲信号的信噪比为目标。
在一些实施例中,如图7所示,对于获取得到的测量脉冲信号71,定位设备首先对测量脉冲信号71进行异常值剔除,然后根据剔除异常值后的测量脉冲信号71更新脉冲信号平均值,从而利用脉冲信号平均值对测量脉冲信号71进行更新(求差)。进一步的,定位设备根据更新后的测量脉冲信号71更新当前测量变化幅度度量以及背景噪声变化幅度度量,进而得到更新后的测量脉冲信号以及更新后的背景噪声脉冲信号。最终,定位设备对更新后的两路信号做差(做差前背景噪声脉冲信号需要乘以系数β),即得到目标脉冲信号72。
二、根据目标脉冲信号中信号上升沿或下降沿的位置,确定反射脉冲信号的信号接收时刻。
由于脉冲信号的测量结果差异由反射脉冲信号造成,因此在一种可能的实施方式中,定位设备识别脉冲信号中首个信号上升沿或下降沿的位置,从而将上升沿或下降沿对应的时刻确定为反射脉冲信号的信号接收时刻。
示意性的,如图6所示,定位设备将目标脉冲信号47中首个信号下降沿对应的时刻确定为反射脉冲信号的信号接收时刻。
三、基于信号接收时刻和信号传播速度确定距离和。
由于第一定位基站发射的脉冲信号在待定位对象处发生反射,并被第二定位基站接收,因此反射路径上脉冲信号的传输距离即为第一定位基站和待定位对象之间的距离,与待定位对象和第二定位基站之间的距离之和。相应的,定位设备根据信号接收时刻与信号发送时刻之间的时间间隔,以及信号传播速度,即可确定出待定位对象与两个定位基站之间距离的距离和。
对于任一定位基站上报的测量脉冲信号(即任意两个定位基站之间的测量脉冲信号),定位设备均可以通过执行上述步骤确定待定位对象与定位基站之间的距离和,最终得到待定位对象与任意两个定位基站之间的距离和。
示意性的,如图8所示,室内设置有第一定位基站81、第二定位基站82和第三定位基站83,定位设备接收到第一定位基站81上报的对第二定位基站82的第一测量脉冲信号,接收到第二定位基站82上报的对第三定位基站83的第二测量脉冲信号,接收到第三定位基站83上报的对第一定位基站81的第三测量脉冲信号,通过执行上述步骤,定位设备确定待定位对象84与第一定位基站81和第二定位基站82之间的第一距离和,确定待定位对象84与第二定位基站82和第三定位基站83之间的第二距离和,确定待定位对象84与第一定位基站81和第三定位基站83之间的第三距离和。
步骤303,根据距离和确定待定位对象的候选位置轨迹,候选位置轨迹是由候选位置的集合所形成的轨迹。
当某一动点到两个定点之间的距离为常量时,该动点即位于以定点为焦点的椭圆上。基于上述特性,在一种可能的实施方式中,定位设备将以两个定位基站为椭圆焦点,以距离和为常量形成的椭圆轨迹确定为待定位对象的候选位置轨迹。
在一些实施例中,定位设备存储有各个定位基站的基站坐标,从而根据该基站坐标确定出候选位置轨迹。
示意性的,如图8所示,定位设备根据第一定位基站81的基站坐标、第二定位基站82的基站坐标以及第一距离和,确定第一候选位置轨迹85;根据第二定位基站82的基站坐标、第三定位基站83的基站坐标以及第二距离和,确定第二候选位置轨迹86;根据第一定位基站81的基站坐标、第三定位基站83的基站坐标以及第三距离和,确定第三候选位置轨迹87。
步骤304,根据至少三条候选位置轨迹确定待定位对象的位置。
进一步,定位设备根据至少三条候选位置轨迹的轨迹交点,确定待定位对象的位置。
示意性的,如图8所示,待定位对象84即位于将第一候选位置轨迹85、第二候选位置轨迹86以及第三候选位置轨迹87的轨迹交点。
本实施例中,定位设备基于背景噪声脉冲信号和测量脉冲信号识别出反射脉冲信号的信号接收时刻,从而根据信号接收时刻确定出待定位对象与任意两个定位基站之间的距离和,进而根据距离和确定出至少三条候选位置轨迹,最终基于轨迹交点实现定位。采用上述方案,在仅设置三个定位基站的情况下,即可实现任意区域内对象定位,降低了定位的实现成本。
需要说明的是,采用上述实施例提供的方案进行定位时,定位精度与定位基站的数量呈正相关关系。图9示出了室内存在三个定位基站以及四个定位基站时,用户在室内行走时的实际路线与定位设备确定出的定位路线的对比图。从图中可以看出,当四个定位基站的定位准确度高于三个定位基站的定位准确度。
在另一种可能的实施方式中,定位设备可以采用机器学习的方式,预先训练位置预测模型,从而以定位基站上报的多径信息(即测量脉冲信号)为输入,利用位置预测模型确定出待定位对象的位置,下面采用示意性的实施例进行说明。
请参考图10,其示出了本申请另一个示例性实施例提供的定位方法的流程图,本实施例以该方法应用图1所示的定位设备120为例进行说明,该方法可以包括如下步骤。
步骤1001,获取样本脉冲信号,样本脉冲信号是目标对象位于预设位置时,由一个定位基站对另一个定位基站发射的脉冲信号进行测量得到。
为了获取后续用于模型训练的训练样本,在一种可能的实施方式中,完成定位基站设置后,定位设备需要获取目标对象位于室内中预设位置时,各个定位基站测量得到脉冲信号。
在一些实施例中,定位设备向用户使用的终端发送行走指示,该行走指示中包含预设行走轨迹。用户即沿该预设行走轨迹在室内行走。用户行走过程中,定位基站之间对发射的脉冲信号进行测量,并将测量得到的脉冲信号作为样本脉冲信号上传至定位设备。
步骤1002,以样本脉冲信号为样本输入,以预设位置为监督,训练位置预测模型。
本申请实施例中,位置预测模型采用监督学习方式训练得到。训练过程中,定位设备以样本脉冲信号为样本输入,将样本脉冲信号输入位置预测模型,得到位置预测模型输出的样本预测位置,从而以测量样本脉冲信号时目标对象所处的预设位置为样本目标位置,确定样本目标位置与样本预测位置之间的预测损失,从而根据该预测损失对位置预测模型进行训练。可选的,该位置预测模型经过预训练(pre-training),利用样本脉冲信号进行模型训练时,只需要对位置预测模型进行微调(fine-tuning)。
在一种可能的实施方式中,定位设备将同一时刻下各个定位基站测量得到的样本脉冲信号作为样本输入,确保不同定位基站测量得到的样本脉冲信号对应相同的位置。
关于位置预测模型的模型结构,可选的,该位置预测模型由输入层(inputlayer)、隐藏层(hidden layer)和输出层(output layer)构成。其中,定位设备从样本脉冲信号中提取预定数量的采样点,从而将预定数量的采样点作为样本输入。
为了提高训练样本质量,在一种可能的实施方式中,定位设备以样本脉冲信号中主径脉冲信号的接收时刻(即第一个信号上升沿位置)为采样基准点,获取主径脉冲信号之前第一数量的采样点,以及主径脉冲信号之后第二数量的采样点。比如,当第一数量为2,第二数量为17时,定位设备将20个采样点处的脉冲信号强度作为训练样本。
位置预测模型中的隐藏层为全连接隐藏层,用于对样本输入进行特征提取(采用卷积方式进行特征提取),从而将提取到的样本特征输入输出层,比如,位置预测模型的隐藏层为三层全连接的卷积层,尺寸分别为800、400和400。位置预测模型中的输出层为全连接层,用于对隐藏层输出的样本特征进行激活处理(ReLU)后进一步进行全连接处理,最终输出位置预测结果。
在一个示意性的例子中,位置预测模型的结构如图11所示。该位置预测模型包括输入层1101、第一隐藏层1102、第二隐藏层1103、第三隐藏层1104以及输出层1105。进行模型训练过程中,定位设备以样本脉冲信号1106中主径脉冲信号的采样时刻为基准点,从样本脉冲信号1106中提取20个样本脉冲信号(即图中的h1至h20)作为样本输入,得到位置预测模型输出的预测位置坐标1107。
由于模型训练质量与训练样本的质量直接相关,而实际测量得到的样本脉冲信号可能因多种原因导致信号质量较差,进而影响模型训练。因此为了进一步提高模型训练质量,可选的,定位设备基于样本脉冲信号的信号质量,为样本脉冲信号设置样本权重(sample weight),从而利用包含样本权重的样本脉冲信号进行模型训练。
在一种可能的实施方式中,本步骤可以包括如下子步骤。
一、根据样本脉冲信号的信号质量,确定样本输入的样本权重。
在一些实施例中,定位设备对获取到的样本脉冲信号进行信号质量分析,从而根据信号质量分析结果确定样本权重,其中,样本权重的范围为0至1,且信号质量越高,样本权重越高。
可选的,定位设备基于如下维度中的至少一种衡量样本脉冲信号的信号质量:信号强度、信号抖动程度、信号上升速度、信号幅值和基站间距。
其中,样本脉冲信号的信号强度越高,表明脉冲信号在传播过程中受到的遮挡或干扰越少,相应的,样本脉冲信号的信号质量越好;反之,样本脉冲信号的信号强度越低,表明脉冲信号在传播过程中受到的遮挡或干扰越多,相应的,样本脉冲信号的信号质量越差。因此定位设备基于样本脉冲信号的信号强度确定样本权重,且样本权重与信号强度呈正相关关系。
类似的,定位设备可以基于样本脉冲信号的信号幅值和/或信号上升速度确定样本权重,其中,样本权重与信号幅值呈正相关关系,样本权重与信号上升速度呈正相关关系。
当室内存在干扰时,会对定位基站的脉冲信号测量造成影响,导致测量得到的脉冲信号在时域上大幅波动,而利用大幅波动的样本脉冲信号进行模型训练将影响模型训练质量。因此,定位设备可以根据样本脉冲信号在时域上的信号抖动程度,确定样本输入的样本权重,且样本权重与信号抖动程度呈负相关关系。
定位基站之间的间距较大时,意味着脉冲信号在传输过程中受到影响的概率越大,因此定位设备根据基站间距确定样本脉冲信号对应的样本权重,且样本权重与基站间距呈负相关关系。
当然,本实施例仅以上述维度为例对确定样本权重的过程进行说明,在实际应用过程中,定位设备还可以从其它维度确定样本输入的样本权重,本申请实施例并不对此构成限定。
二、以样本脉冲信号为样本输入,以预设位置为监督,基于样本权重训练位置预测模型。
进一步的,定位设备将样本脉冲信号输入位置预测模型,以预设位置为模型输出的监督,对位置预测模型的网络权重参数进行调整。其中,定位设备基于样本权重对网络权重参数进行调整,且网络权重参数的调整幅度与样本权重呈正相关关系。
可选的,当位置预测模型的输出满足收敛条件时,定位设备停止模型训练。该收敛条件包括模型预测损失收敛,或,模型预测损失小于损失阈值,其中,该模型预测损失可以是预测位置与标注位置(即预设位置)之间的距离。
步骤1003,获取至少三个定位基站上报的测量脉冲信号。
通过上述步骤完成模型训练后,在实际应用过程中,定位设备获取定位基站上报的测量脉冲信号后,对测量脉冲信号进行预处理,使测量脉冲信号符合位置预测模型的模型输入要求,以便后续利用模型进行位置预测。
在一种可能的实施方式中,与模型训练过程类似的,对于获取到的测量脉冲信号,定位设备以测量脉冲信号中主径脉冲信号的接收时刻(即第一个信号上升沿位置)为采样基准点,获取主径脉冲信号之前第一数量的采样点,以及主径脉冲信号之后第二数量的采样点,从而将采样点处的脉冲信号强度构成的信号强度序列作为位置预测模型的模型输入。
在一个示意性的例子中,定位设备获取主径脉冲信号、主径脉冲信号之前2个采样点,以及主径脉冲信号之后17个的采样点,共计20个采样点处的脉冲信号强度,从而将20个脉冲信号强度构成的信号强度序列(按照时间先后顺序排序)作为位置预测模型的模型输入。
步骤1004,将测量脉冲信号输入位置预测模型,得到位置预测模型输出的预测位置,位置预测模型是基于样本训练得到的神经网络模型。
进一步的,定位设备将测量脉冲信号(经过预处理)输入位置预测模型,由位置预测模型中的隐藏层对测量脉冲信号进行特征提取,从而基于提取到的特征,输出待定位对象的预测位置。其中,该预测位置可以采用坐标表示。
在一个示意性的例子中,当获取到三个定位设备上报的测量脉冲信号时,定位设备将三路测量脉冲信号作为模型输入,一同输入位置预测模型,得到模型输出的室内坐标。
需要说明的是,位置预测模型的预测准确度还与测量脉冲信号的路数相关,且输入的测量脉冲信号的路数越多,预测准确度越高,但是位置预测模型的运算量将会增加,进而影响预测速度。
步骤1005,将预测位置确定为待定位对象的位置。
进一步的,定位设备将位置预测模型输出的预测位置确定为待定位对象所处的位置。
需要说明的是,采用上述实施例提供的位置预测模型进行位置预测时,当室内布局发生变化时,比如定位基站测量得到的背景噪声脉冲信号发生变化时,需要重新执行上述获取样本脉冲信号以及训练位置预测模型的过程,本实施例在此不再赘述。
本实施例中,定位设备通过预先训练位置预测模型,从而以各个定位基站上报的测量脉冲信号为模型输入,利用位置预测模型对待定位对象进行位置预测,实现对象定位;采用上述方案,以定位基站之间的多径信息作为输入,在仅设置少量定位基站的情况下,即能够实现任意区域内对象定位,降低了定位的实现成本,并提高了定位的准确度。
在一种可能的天线设计中,当定位基站设置有至少两个天线时,定位基站可以通过不同天线对同一定位基站发射的脉冲信号进行测量,相应的,定位基站得到的测量脉冲信号中包括同一定位基站上不同天线测量得到的信号。由于不同天线与同一定位基站之间的距离不同,且天线之间可能存在相互遮挡,因此通过不同天线测量得到的测量脉冲信号也不同。
示意性的,如图12所示,当第一定位基站1200设置有两根天线,且第一天线1201位于第二天线1202左侧时,若第一定位基站1200的左前方存在第二定位基站1210,第一天线1201和第二天线1202测量得到的脉冲信号如图13所示。从图13可以看出,第一天线1201先于第二天线1202测量得到脉冲信号,且第一天线1201测量得到的脉冲信号的强度高于第二天线1202(第一天线1201在脉冲方向上可能对第二天线1202造成遮挡),因此可以确定第二定位基站1210位于第一定位基站1200的左侧。
为了进一步提高定位的效率和准确度,在一种可能的实施方式中,定位设备根据同一定位基站上不同天线测量得到的测量脉冲信号,确定待定位对象与定位基站之间的相对方位,从而在确定基于所述测量脉冲信号确定待定位对象的位置时,以相对方位作为一个定位维度,基于相对方位和测量脉冲信号确定待定位对象的位置。
在一些实施例中,定位设备可以根据测量脉冲信号的接收时刻(比如反射脉冲信号的接收时刻),或脉冲信号强度,确定待定位对象与定位基站的相对方向,甚至待定位对象与定位基站之间的到达角(Angle Of Arrival,AOA),本实施例对此不作限定。
可选的,基于相对方位,定位设备可以过滤部分待定位对象的方位,或者,对定位结果进行校验,从而提高定位效率和准确性。
本实施例中,定位设备基于同一定位基站上不同天线测量得到的脉冲信号,确定待定位对象与定位基站的相对方位,从而将相对方位作为一个定位维度进行后续对象定位,有助于提高定位准确性和定位效率。
请参考图14,其示出了本申请一个实施例提供的定位装置的结构框图。该装置可以通过软件、硬件或者两者的结合实现成为定位设备的全部或一部分。该装置包括:
信号获取模块1401,用于获取至少三个定位基站上报的测量脉冲信号,所述测量脉冲信号由一个定位基站对另一个定位基站发射的脉冲信号进行测量得到,且所述测量脉冲信号包括所述脉冲信号经由待定位对象处反射形成的反射脉冲信号;
定位模块1402,用于基于所述测量脉冲信号确定所述待定位对象的位置。
可选的,所述定位模块1402,包括:
距离确定单元,用于基于任意两个定位基站之间的所述测量脉冲信号以及所述两个定位基站之间的背景噪声脉冲信号,确定所述待定位对象到所述两个定位基站之间距离的距离和,所述背景噪声脉冲信号为所述脉冲信号经过固定路径时测量得到的信号;
轨迹确定单元,用于根据所述距离和确定所述待定位对象的候选位置轨迹,所述候选位置轨迹是由候选位置的集合所形成的轨迹;
第一定位单元,用于根据至少三条所述候选位置轨迹确定所述待定位对象的位置。
可选的,所述距离确定单元,用于:
从所述测量脉冲信号中去除所述背景噪声脉冲信号,得到去除背景噪声后的目标脉冲信号;
根据所述目标脉冲信号中信号上升沿或下降沿的位置,确定所述反射脉冲信号的信号接收时刻;
基于所述信号接收时刻和信号传播速度确定所述距离和。
可选的,所述轨迹确定单元,用于:
将以所述两个定位基站为椭圆焦点,以所述距离和为常量形成的椭圆轨迹确定为所述待定位对象的所述候选位置轨迹;
所述根据至少三条所述候选位置轨迹确定所述待定位对象的位置,包括:
根据至少三条所述候选位置轨迹的轨迹交点,确定所述待定位对象的位置。
可选的,所述距离确定单元,还用于:
自适应调整所述测量脉冲信号的增益参数和时延参数;
从自适应调整后的所述测量脉冲信号中去除所述背景噪声脉冲信号,得到去除背景噪声后的所述目标脉冲信号;
其中,自适应调整所述测量脉冲信号以最大化所述目标脉冲信号的信噪比为目标。
可选的,所述定位模块1402,包括:
模型预测单元,用于将所述测量脉冲信号输入位置预测模型,得到所述位置预测模型输出的预测位置,所述位置预测模型是基于样本训练得到的神经网络模型;
第二定位单元,用于将所述预测位置确定为所述待定位对象的位置。
可选的,所述装置还包括:
样本获取模块,用于获取样本脉冲信号,所述样本脉冲信号是目标对象位于预设位置时,由一个定位基站对另一个定位基站发射的脉冲信号进行测量得到;
模型训练模块,用于以所述样本脉冲信号为样本输入,以所述预设位置为监督,训练所述位置预测模型。
可选的,所述模型训练模块,包括:
权重确定单元,用于根据所述样本脉冲信号的信号质量,确定所述样本输入的样本权重;
模型训练单元,用于以所述样本脉冲信号为所述样本输入,以所述预设位置为监督,基于所述样本权重训练所述位置预测模型。
可选的,所述信号质量包括信号强度、信号抖动程度、信号上升速度、信号幅值和基站间距中的至少一种;
其中,所述样本权重与所述信号强度呈正相关关系;
所述样本权重与所述信号抖动程度呈负相关关系;
所述样本权重与所述信号上升速度呈正相关关系;
所述样本权重与所述信号幅值呈正相关关系;
所述样本权重与所述基站间距呈负相关关系。
可选的,所述定位基站设置有至少两根天线,所述测量脉冲信号中包括同一定位基站上不同天线测量得到的信号;
所述装置还包括:
方位确定模块,用于根据同一定位基站上不同天线测量得到所述测量脉冲信号,确定所述待定位对象与所述定位基站之间的相对方位;
所述定位模块1402,还用于:
基于所述相对方位和所述测量脉冲信号确定所述待定位对象的位置。
综上所述,本申请实施例中,基于脉冲信号在传播过程中遇到待定位对象时会形成反射脉冲信号,导致定位基站处测量得到的测量脉冲信号发生变化,且信号变化情况与待定位对象所处位置相关这一特点,通过设置至少三个定位基站,并利用定位基站其它定位基站发射的脉冲信号进行测量,从而将测量得到的测量脉冲信号上报至定位设备,由定位设备基于测量脉冲信号确定出待定位对象的位置,实现定位;相较于相关技术中仅能够对基站之间主径上的对象进行定位,本申请实施例提供的方案中,定位设备利用脉冲信号的多径(包括基站之间的主径以及脉冲信号的反射路径)信息实现定位,在仅设置少量定位基站的情况下,提高了定位准确度,减少了定位死角。
本实施例中,定位设备基于背景噪声脉冲信号和测量脉冲信号识别出反射脉冲信号的信号接收时刻,从而根据信号接收时刻确定出待定位对象与任意两个定位基站之间的距离和,进而根据距离和确定出至少三条候选位置轨迹,最终基于轨迹交点实现定位。采用上述方案,在仅设置三个定位基站的情况下,即可实现任意区域内对象定位,降低了定位的实现成本。
本实施例中,定位设备通过预先训练位置预测模型,从而以各个定位基站上报的测量脉冲信号为模型输入,利用位置预测模型对待定位对象进行位置预测,实现对象定位;采用上述方案,以定位基站之间的多径信息作为输入,在仅设置少量定位基站的情况下,即能够实现任意区域内对象定位,降低了定位的实现成本,并提高了定位的准确度。
本实施例中,定位设备基于同一定位基站上不同天线测量得到的脉冲信号,确定待定位对象与定位基站的相对方位,从而将相对方位作为一个定位维度进行后续对象定位,有助于提高定位准确性和定位效率。
请参考图15,其示出了本申请一个示例性实施例提供的定位设备的结构方框图。本申请中的定位设备可以包括一个或多个如下部件:处理器1510和存储器1520。
处理器1510可以包括一个或者多个处理核心。处理器1510利用各种接口和线路连接整个设备内的各个部分,通过运行或执行存储在存储器1520内的指令、程序、代码集或指令集,以及调用存储在存储器1520内的数据,执行定位设备的各种功能和处理数据。可选地,处理器1510可以采用数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)、可编程逻辑阵列(Programmable LogicArray,PLA)中的至少一种硬件形式来实现。处理器1510可集成中央处理器(CentralProcessing Unit,CPU)、图像处理器(Graphics Processing Unit,GPU)、神经网络处理器(Neural-network Processing Unit,NPU)和调制解调器等中的一种或几种的组合。其中,CPU主要处理操作系统、用户界面和应用程序等;GPU用于负责触摸显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制;NPU用于实现人工智能(Artificial Intelligence,AI)功能;调制解调器用于处理无线通信。可以理解的是,上述调制解调器也可以不集成到处理器1510中,单独通过一块芯片进行实现。
存储器1520可以包括随机存储器(Random Access Memory,RAM),也可以包括只读存储器(Read-Only Memory,ROM)。可选地,该存储器1520包括非瞬时性计算机可读介质(non-transitory computer-readable storage medium)。存储器1520可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令集。存储器1520可包括存储程序区和存储数据区,其中,存储程序区可存储用于实现操作系统的指令、用于至少一个功能的指令、用于实现下述各个方法实施例的指令等;存储数据区可存储根据定位设备的使用所创建的数据等。
本申请实施例中的定位设备还包括通信组件1530。其中,通信组件1530可以为蓝牙组件、WiFi组件、NFC组件等等,用于通过有线或无线网络与定位基站进行通信。
除此之外,本领域技术人员可以理解,上述附图所示出的定位设备的结构并不构成对定位设备的限定,定位设备可以包括比图示更多或更少的部件,或者组合某些部件,或者不同的部件布置,本实施例在此不再赘述。
本申请实施例还提供了一种定位系统,所述定位系统包括:至少三个定位基站以及定位设备,各个所述定位基站与所述定位设备之间建立有数据通信连接;
所述定位基站用于发射脉冲信号,对其它定位基站发射的脉冲信号进行测量,并将测量得到的测量脉冲信号上报至所述定位设备,所述测量脉冲信号包括所述脉冲信号经由待定位对象处反射形成的反射脉冲信号;所述定位设备用于实现上述各个实施例提供的定位方法。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质,该存储介质存储有至少一条指令,至少一条指令用于被处理器执行以实现如上述实施例所述的定位方法。
本申请实施例提供了一种计算机程序产品或计算机程序,该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令,该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令,处理器执行该计算机指令,使得该计算机设备执行上述实施例提供的定位方法。
本领域技术人员应该可以意识到,在上述一个或多个示例中,本申请实施例所描述的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时,可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质,其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。
以上所述仅为本申请的可选实施例,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种定位方法,其特征在于,所述方法包括:
获取至少三个定位基站上报的测量脉冲信号,所述测量脉冲信号由一个定位基站对另一个定位基站发射的脉冲信号进行测量得到,且所述测量脉冲信号包括所述脉冲信号经由待定位对象处反射形成的反射脉冲信号;
基于所述测量脉冲信号确定所述待定位对象的位置。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述基于所述测量脉冲信号确定所述待定位对象的位置,包括:
基于任意两个定位基站之间的所述测量脉冲信号以及所述两个定位基站之间的背景噪声脉冲信号,确定所述待定位对象到所述两个定位基站之间距离的距离和,所述背景噪声脉冲信号为所述脉冲信号经过固定路径时测量得到的信号;
根据所述距离和确定所述待定位对象的候选位置轨迹,所述候选位置轨迹是由候选位置的集合所形成的轨迹;
根据至少三条所述候选位置轨迹确定所述待定位对象的位置。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述基于任意两个定位基站之间的所述测量脉冲信号以及所述两个定位基站之间的背景噪声脉冲信号,确定所述待定位对象到所述两个定位基站之间距离的距离和,包括:
从所述测量脉冲信号中去除所述背景噪声脉冲信号,得到去除背景噪声后的目标脉冲信号;
根据所述目标脉冲信号中信号上升沿或下降沿的位置,确定所述反射脉冲信号的信号接收时刻;
基于所述信号接收时刻和信号传播速度确定所述距离和。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述根据所述距离和确定所述待定位对象的候选位置轨迹,包括:
将以所述两个定位基站为椭圆焦点,以所述距离和为常量形成的椭圆轨迹确定为所述待定位对象的所述候选位置轨迹;
所述根据至少三条所述候选位置轨迹确定所述待定位对象的位置,包括:
根据至少三条所述候选位置轨迹的轨迹交点,确定所述待定位对象的位置。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述从所述测量脉冲信号中去除所述背景噪声脉冲信号,得到去除背景噪声后的目标脉冲信号,包括:
自适应调整所述测量脉冲信号的增益参数和时延参数;
从自适应调整后的所述测量脉冲信号中去除所述背景噪声脉冲信号,得到去除背景噪声后的所述目标脉冲信号;
其中,自适应调整所述测量脉冲信号以最大化所述目标脉冲信号的信噪比为目标。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述基于所述测量脉冲信号确定所述待定位对象的位置,包括:
将所述测量脉冲信号输入位置预测模型,得到所述位置预测模型输出的预测位置,所述位置预测模型是基于样本训练得到的神经网络模型;
将所述预测位置确定为所述待定位对象的位置。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述将所述测量脉冲信号输入位置预测模型,得到所述位置预测模型输出的预测位置之前,所述方法包括:
获取样本脉冲信号,所述样本脉冲信号是目标对象位于预设位置时,由一个定位基站对另一个定位基站发射的脉冲信号进行测量得到;
以所述样本脉冲信号为样本输入,以所述预设位置为监督,训练所述位置预测模型。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述以所述样本脉冲信号为样本输入,以所述预设位置为监督,训练所述位置预测模型,包括:
根据所述样本脉冲信号的信号质量,确定所述样本输入的样本权重;
以所述样本脉冲信号为所述样本输入,以所述预设位置为监督,基于所述样本权重训练所述位置预测模型。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述信号质量包括信号强度、信号抖动程度、信号上升速度、信号幅值和基站间距中的至少一种;
其中,所述样本权重与所述信号强度呈正相关关系;
所述样本权重与所述信号抖动程度呈负相关关系;
所述样本权重与所述信号上升速度呈正相关关系;
所述样本权重与所述信号幅值呈正相关关系;
所述样本权重与所述基站间距呈负相关关系。
10.根据权利要求1至9任一所述的方法,其特征在于,所述定位基站设置有至少两根天线,所述测量脉冲信号中包括同一定位基站上不同天线测量得到的信号;
所述获取至少三个定位基站上报的测量脉冲信号之后,所述方法还包括:
根据同一定位基站上不同天线测量得到所述测量脉冲信号,确定所述待定位对象与所述定位基站之间的相对方位;
所述基于所述测量脉冲信号确定所述待定位对象的位置,包括:
基于所述相对方位和所述测量脉冲信号确定所述待定位对象的位置。
11.一种定位装置,其特征在于,所述装置包括:
信号获取模块,用于获取至少三个定位基站上报的测量脉冲信号,所述测量脉冲信号由一个定位基站对另一个定位基站发射的脉冲信号进行测量得到,且所述测量脉冲信号包括所述脉冲信号经由待定位对象处反射形成的反射脉冲信号;
定位模块,用于基于所述测量脉冲信号确定所述待定位对象的位置。
12.一种定位设备,其特征在于,所述定位设备包括处理器和存储器;所述存储器存储有至少一条指令,所述至少一条指令用于被所述处理器执行以实现以下步骤:
获取至少三个定位基站上报的测量脉冲信号,所述测量脉冲信号由一个定位基站对另一个定位基站发射的脉冲信号进行测量得到,且所述测量脉冲信号包括所述脉冲信号经由待定位对象处反射形成的反射脉冲信号;
基于所述测量脉冲信号确定所述待定位对象的位置。
13.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质存储有至少一条指令,所述至少一条指令用于被处理器执行以实现如权利要求1至10任一所述的定位方法。
14.一种定位系统,其特征在于,所述定位系统包括:至少三个定位基站以及定位设备,各个所述定位基站与所述定位设备之间建立有数据通信连接;
所述定位基站用于发射脉冲信号,对其它定位基站发射的脉冲信号进行测量,并将测量得到的测量脉冲信号上报至所述定位设备,所述测量脉冲信号包括所述脉冲信号经由待定位对象处反射形成的反射脉冲信号;
所述定位设备用于获取所述至少三个定位基站上报的测量脉冲信号,并基于所述测量脉冲信号确定所述待定位对象的位置。
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