CN115314838A - 基于几何约束的定位误差修正、训练方法及装置 - Google Patents

基于几何约束的定位误差修正、训练方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于几何约束的定位误差修正、训练方法及装置，在通过定位模型预测数据收发模块位置的原有定位方案基础上，设置定位参考目标，并改进其上数据收发模块的布置方式，构建几何图形以形成几何约束的方法来修正定位误差，经多轮修正得到的最佳修正轮数，应用在具有相同布置的待定位目标上，从而更精确的定位待定位目标。本发明适用于所有基于数据收发模块实现定位的定位方案，通用性强，通过添加几何约束的方法，用较为简单的几何约束修正误差，避免了改进复杂的定位算法，提高了定位的精度。

Description

基于几何约束的定位误差修正、训练方法及装置
技术领域
本发明涉及室内定位技术领域，尤其是涉及基于几何约束的定位误差修正、训练方法及装置。
背景技术
物联网的发展对获取室内目标位置提出了更高的要求，室内定位领域往往与超声波、超宽带、蓝牙、WiFi、RFID等技术紧密联系。目前大多数室内定位技术往往是通过传感器或信号接收模块，将所得数据传入一个定位算法中来判断模块所在的位置，但是，在定位的过程中，多少都产生一定的误差，减少这种误差的影响对提高目标位置估计精度有极大的作用。
发明内容
为解决现有技术的不足，实现提高室内目标位置估计的精度的目的，本发明采用如下的技术方案：
基于几何约束的定位误差修正训练方法，包括如下步骤：
步骤S1：在定位参考目标上设置一组数据收发模块，并构建各数据收发模块之间的几何约束条件；
步骤S2：通过定位模型依次预测数据收发模块位置，得到预测位置，并通过几何约束条件依次修正预测位置，得到修正位置，重复进行多轮修正；
步骤S3：当达到修正停止条件后，停止修正，并将当前修正轮数作为最佳修正轮数。
进一步地，所述数据收发模块有两个以上；所述步骤S2中的修正，是基于步骤S1中当前数据收发模块与前一数据收发模块间的距离约束，和/或当前数据收发模块与前一数据收发模块之间的连线和前一数据收发模块与再前一数据收发模块之间的连线形成的角度约束，对当前数据收发模块的位置进行修正。
进一步地，所述修正是通过前两个数据收发模块的位置，根据几何约束条件得到当前数据收发模块的唯一理论位置，将唯一理论位置和预测位置连线的中点，作为当前数据收发模块的修正位置。
进一步地，在定位参考目标上设置四个数据收发模块，构成矩形，依次标记为tag1，tag2，tag3，tag4，将tag1和tag2之间的距离记为a，tag2和tag3之间的距离记为b。由矩形的性质，得到这四个标签之间的8个约束：
①tag1和tag2之间距离为a；
②tag3和tag4之间距离为a；
③tag2和tag3之间距离为b；
④tag1和tag4之间距离为b；
⑤tag1和tag2所在直线与tag2和tag3所在直线夹角为90°；
⑥tag2和tag3所在直线与tag3和tag4所在直线夹角为90°；
⑦tag3和tag4所在直线与tag1和tag4所在直线夹角为90°；
⑧tag1和tag4所在直线与tag1和tag2所在直线夹角为90°。
所述步骤S2包括如下步骤：
步骤S2.1：先对四个数据收发模块进行第一轮位置估计与修正，Pi,j表示第i轮tag j的预测位置，PFi,j表示第i轮tag j的修正位置，包括如下步骤：
步骤S2.1.1：利用定位算法得出tag1的预测位置P1,1，作为第一个被预测出的位置，不对其进行修正；
步骤S2.1.2：利用定位算法得出tag2的预测位置P1,2，根据约束条件①，对tag2的预测位置进行修正；修正方法为：在P1,1和P1,2的连线上沿着P1,1P1,2方向取一点，满足该点到P1,1的距离为a，取该点和P1,2的连线中点作为修正后的tag2位置，记修正位置为PF1,2；
步骤S2.1.3：利用定位算法得出tag3的预测位置P1,3，根据约束条件③和约束条件⑤，对tag3的预测位置进行修正；修正方法为：在经过点PF1,2的P1,1PF1,2的垂线上沿靠近P1,3的方向取一点，满足该点到PF1,2的距离为b，取该点和P1,3的连线中点作为修正后的tag3位置，记修正位置为PF1,3；
步骤S2.1.4：利用定位算法得出tag4的预测位置P1,4，根据约束条件②和约束条件⑥，对tag4的预测位置进行修正；修正方法为：在经过PF1,3的PF1,2PF1,3的垂线上沿靠近P1,4的方向取一点，满足该点到PF1,3的距离为a，取该点和P1,4的连线中点作为修正后的tag4位置，记修正位置为PF1,4；结束第一轮的四个标签位置估计。
步骤S2.2：后续轮次的位置估计与修正，包括如下步骤：
步骤S2.2.1：利用定位算法得出tag1的预测位置Pi,1，根据约束条件④和约束条件⑦，对tag1的预测位置进行修正；修正方法为：在经过PFi-1,4的PFi-1,3 PFi-1,4的垂线上沿靠近Pi,1的方向取一点，满足该点到PFi-1,4的距离为b，取该点和Pi,1的连线中点作为修正后的tag1位置，记修正位置为PFi,1；
步骤S2.2.2：利用定位算法得出tag2的预测位置Pi,2，根据约束条件①和约束条件⑧，对tag2的预测位置进行修正；修正方法为：在经过PFi,1的PFi-1,4 PFi,1的垂线上沿靠近Pi,2的方向取一点，满足该点到PFi,1的距离为a，取该点和Pi,2的连线中点作为修正后的tag2位置，记修正位置为PFi,2；
步骤S2.2.3：利用定位算法得出tag3的预测位置Pi,3，根据约束条件③和约束条件⑤，对tag3的预测位置进行修正；修正方法为：在经过PFi,2的PFi,1 PFi,2的垂线上沿靠近Pi,3的方向取一点，满足该点到PFi,2的距离为b，取该点和Pi,3的连线中点作为修正后的tag3位置，记修正位置为PFi,3；
步骤S2.2.4：利用定位算法得出tag4的预测位置Pi,4，根据约束条件②和约束条件⑥，对tag4的预测位置进行修正；修正方法为：在经过PFi,3的PFi,2 PFi,3的垂线上沿靠近Pi,4的方向取一点，满足该点到PFi,3的距离为a，取该点和Pi,4的连线中点作为修正后的tag4位置，记修正位置为PFi,4。
进一步地，所述步骤S2中，以每轮修正位置所形成的图形的质点作为最终的定位位置。
进一步地，所述步骤S2中，当误差小于允许值和/或轮次达到预设的最大修正轮数时，停止修正。
基于几何约束的定位误差修正训练装置，包括几何约束条件生成模块、修正模块、最佳修正轮数生成模块；
所述几何约束条件生成模块，根据在定位参考目标上设置一组数据收发模块，构建各数据收发模块之间的几何约束条件；
所述修正模块，通过定位模型依次预测数据收发模块位置，得到预测位置，并通过几何约束条件依次修正预测位置，得到修正位置，重复进行多轮修正；
所述最佳修正轮数生成模块，当达到修正停止条件后，停止修正，并将当前修正轮数作为最佳修正轮数。
基于几何约束的定位误差修正方法，在待定位目标上设置与所述定位参考目标相同的布置的一组数据收发模块，根据所述的基于几何约束的定位误差修正训练方法，得到最佳修正轮数，作为待定位目标进行位置修正的轮数，通过相应的数据收发模块修正后的位置，得到待定位目标的位置。
基于几何约束的定位误差修正装置，包括布置与定位参考目标相同的一组数据收发模块的待定位目标，根据所述的基于几何约束的定位误差修正训练装置得到最佳修正轮数，作为待定位目标进行位置修正的轮数，以使待定位目标通过相应的数据收发模块修正后的位置，得到待定位目标的位置。
基于几何约束的定位误差修正设备，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现所述的基于几何约束的定位误差修正方法。
本发明的优势和有益效果在于：
本发明的基于几何约束的定位误差修正、训练方法及装置，在原有定位方法的基础上，只对数据收发模块的布置进行改进，对原方案的变动小。可对所有基于数据收发模块实现定位的定位方法进行定位误差修正，方法通用性强。通过添加几何约束的方法，用较为简单的几何约束修正误差，避免了改进复杂的定位算法，提高了定位的精度。
附图说明
图1是本发明实施例中原有定位方案设备布置图。
图2是本发明实施例中方法的流程图。
图3是本发明实施例中本发明改进后的数据收发模块布置图。
图4是本发明实施例中模块位置修正示意图。
图5是本发明实施例中设备的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
原有定位方案依托于RFID技术，数据收发模块为RFID标签，几何图形可以是三角形、四边形、五边形等形状固定的图形，模块布置的数量视节点的数量而定，本发明实施例中的几何图形为矩形。
原有定位方案：设备布置如图1所示，在定位范围内的地面上等间距地布置RFID标签，用作训练标签，RFID天线布置在标签上方，采集RFID训练标签的数据训练出一个定位模型。在待定位目标上附着一个RFID标签，用定位模型判断该RFID标签的位置，完成对目标的定位。
如图2所示，基于几何约束的定位误差修正方法，包括如下步骤：
步骤S1：在定位参考目标上设置一组数据收发模块，并构建各数据收发模块之间的几何约束条件；
本发明的实施例中，改进后的数据收发模块布置如图3所示。
在定位参考目标上以矩形的方式布置四个RFID标签，以顺时针方向分别记为tag1，tag2，tag3，tag4，将tag1和tag2之间的距离记为a，tag2和tag3之间的距离记为b。由矩形的性质，得到这四个标签之间的8个约束：
①tag1和tag2之间距离为a；
②tag3和tag4之间距离为a；
③tag2和tag3之间距离为b；
④tag1和tag4之间距离为b；
⑤tag1和tag2所在直线与tag2和tag3所在直线夹角为90°；
⑥tag2和tag3所在直线与tag3和tag4所在直线夹角为90°；
⑦tag3和tag4所在直线与tag1和tag4所在直线夹角为90°；
⑧tag1和tag4所在直线与tag1和tag2所在直线夹角为90°。
步骤S2：通过定位模型依次预测数据收发模块位置，得到预测位置，并通过几何约束条件依次修正预测位置，得到修正位置，重复进行多轮修正；
步骤S2.1：先对四个数据收发模块进行第一轮位置估计与修正，Pi,j表示第i轮tag j的预测位置，PFi,j表示第i轮tag j的修正位置，该轮中存在标签无法同时应用两个约束来修正位置，如图4所示，包括如下步骤：
步骤S2.1.1：利用定位算法得出tag1的预测位置P1,1，作为第一个被预测出的位置，不对其进行修正；
步骤S2.1.2：利用定位算法得出tag2的预测位置P1,2，根据约束①，对tag2的预测位置进行修正。修正方法为：在P1,1和P1,2的连线上沿着P1,1P1,2方向取一点，满足该点到P1,1的距离为a，取该点和P1,2的连线中点作为修正后的tag2位置，记修正位置为PF1,2；
步骤S2.1.3：利用定位算法得出tag3的预测位置P1,3，根据约束③和约束⑤，对tag3的预测位置进行修正。修正方法为：在经过点PF1,2的P1,1PF1,2的垂线上沿靠近P1,3的方向取一点，满足该点到PF1,2的距离为b，取该点和P1,3的连线中点作为修正后的tag3位置，记修正位置为PF1,3；
步骤S2.1.4：利用定位算法得出tag4的预测位置P1,4，根据约束②和约束⑥，对tag4的预测位置进行修正。修正方法为：在经过PF1,3的PF1,2PF1,3的垂线上沿靠近P1,4的方向取一点，满足该点到PF1,3的距离为a，取该点和P1,4的连线中点作为修正后的tag4位置，记修正位置为PF1,4；结束第一轮的四个标签位置估计。
步骤S2.2：后续轮次的位置估计与修正，之后的所有位置估计都同时满足两个约束，可进行循环修正，包括如下步骤：
步骤S2.2.1：利用定位算法得出tag1的预测位置Pi,1，根据约束④和约束⑦，对tag1的预测位置进行修正。修正方法为：在经过PFi-1,4的PFi-1,3 PFi-1,4的垂线上沿靠近Pi,1的方向取一点，满足该点到PFi-1,4的距离为b，取该点和Pi,1的连线中点作为修正后的tag1位置，记修正位置为PFi,1；
步骤S2.2.2：利用定位算法得出tag2的预测位置Pi,2，根据约束①和约束⑧，对tag2的预测位置进行修正。修正方法为：在经过PFi,1的PFi-1,4 PFi,1的垂线上沿靠近Pi,2的方向取一点，满足该点到PFi,1的距离为a，取该点和Pi,2的连线中点作为修正后的tag2位置，记修正位置为PFi,2；
步骤S2.2.3：利用定位算法得出tag3的预测位置Pi,3，根据约束③和约束⑤，对tag3的预测位置进行修正。修正方法为：在经过PFi,2的PFi,1 PFi,2的垂线上沿靠近Pi,3的方向取一点，满足该点到PFi,2的距离为b，取该点和Pi,3的连线中点作为修正后的tag3位置，记修正位置为PFi,3；
步骤S2.2.4：利用定位算法得出tag4的预测位置Pi,4，根据约束②和约束⑥，对tag4的预测位置进行修正。修正方法为：在经过PFi,3的PFi,2 PFi,3的垂线上沿靠近Pi,4的方向取一点，满足该点到PFi,3的距离为a，取该点和Pi,4的连线中点作为修正后的tag4位置，记修正位置为PFi,4；
重复步骤S2.2。
以每轮修正位置所形成的图形的质点作为最终的定位位置。
步骤S3：当达到修正停止条件后，停止修正，并将当前修正轮数作为最佳修正轮数；
本发明的实施例中，设定一个误差允许值和最大修正轮数，当误差小于允许值或循环次数达到预设的最大修正轮数时，停止修正，记录当前修正的轮数为最佳修正轮数。
步骤S4：将最佳修正轮数作为待定位目标进行位置修正的轮数，通过相应的数据收发模块修正后的位置，得到待定位目标的位置
本发明的实施例中，根据步骤S3中记录的最佳修正轮数，对待定位目标进行位置修正，获取最终修正后图形的质点作为目标的位置。
与前述基于几何约束的定位误差修正方法的实施例相对应，本发明还提供了基于几何约束的定位误差修正设备的实施例。
参见图5，本发明实施例提供的基于几何约束的定位误差修正设备，包括存储器和一个或多个处理器，存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现上述实施例中的基于几何约束的定位误差修正方法。
本发明基于几何约束的定位误差修正设备的实施例可以应用在任意具备数据处理能力的设备上，该任意具备数据处理能力的设备可以为诸如计算机等设备或装置。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在任意具备数据处理能力的设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。从硬件层面而言，如图5所示，为本发明基于几何约束的定位误差修正设备所在任意具备数据处理能力的设备的一种硬件结构图，除了图5所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的任意具备数据处理能力的设备通常根据该任意具备数据处理能力的设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。
上述装置中各个单元的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。
对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现上述实施例中的基于几何约束的定位误差修正方法。
所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是任意具备数据处理能力的设备的外部存储设备，例如所述设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡（Smart Media Card，SMC）、SD卡、闪存卡（Flash Card）等。进一步的，所述计算机可读存储介质还可以既包括任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述计算机可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述任意具备数据处理能力的设备所需的其他程序和数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.基于几何约束的定位误差修正训练方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤S1：在定位参考目标上设置一组数据收发模块，并构建各数据收发模块之间的几何约束条件；
步骤S2：通过定位模型依次预测数据收发模块位置，得到预测位置，并通过几何约束条件依次修正预测位置，得到修正位置，重复进行多轮修正；
步骤S3：当达到修正停止条件后，停止修正，并将当前修正轮数作为最佳修正轮数。
2.根据权利要求1所述的基于几何约束的定位误差修正训练方法，其特征在于：所述数据收发模块有两个以上；所述步骤S2中的修正，是基于步骤S1中当前数据收发模块与前一数据收发模块间的距离约束，和/或当前数据收发模块与前一数据收发模块之间的连线和前一数据收发模块与再前一数据收发模块之间的连线形成的角度约束，对当前数据收发模块的位置进行修正。
3.根据权利要求2所述的基于几何约束的定位误差修正训练方法，其特征在于：所述修正是通过前两个数据收发模块的位置，根据几何约束条件得到当前数据收发模块的唯一理论位置，将唯一理论位置和预测位置连线的中点，作为当前数据收发模块的修正位置。
4.根据权利要求3所述的基于几何约束的定位误差修正训练方法，其特征在于：在定位参考目标上设置四个数据收发模块，构成矩形，依次标记为tag1，tag2，tag3，tag4，将tag1和tag2之间的距离记为a，tag2和tag3之间的距离记为b；由矩形的性质，得到这四个标签之间的8个约束：
①tag1和tag2之间距离为a；
②tag3和tag4之间距离为a；
③tag2和tag3之间距离为b；
④tag1和tag4之间距离为b；
⑤tag1和tag2所在直线与tag2和tag3所在直线夹角为90°；
⑥tag2和tag3所在直线与tag3和tag4所在直线夹角为90°；
⑦tag3和tag4所在直线与tag1和tag4所在直线夹角为90°；
⑧tag1和tag4所在直线与tag1和tag2所在直线夹角为90°；
所述步骤S2包括如下步骤：
步骤S2.1：先对四个数据收发模块进行第一轮位置估计与修正，Pi,j表示第i轮tag j的预测位置，PFi,j表示第i轮tag j的修正位置，包括如下步骤：
步骤S2.1.1：利用定位算法得出tag1的预测位置P1,1，作为第一个被预测出的位置，不对其进行修正；
步骤S2.1.2：利用定位算法得出tag2的预测位置P1,2，根据约束条件①，对tag2的预测位置进行修正；修正方法为：在P1,1和P1,2的连线上沿着P1,1P1,2方向取一点，满足该点到P1,1的距离为a，取该点和P1,2的连线中点作为修正后的tag2位置，记修正位置为PF1,2；
步骤S2.1.3：利用定位算法得出tag3的预测位置P1,3，根据约束条件③和约束条件⑤，对tag3的预测位置进行修正；修正方法为：在经过点PF1,2的P1,1PF1,2的垂线上沿靠近P1,3的方向取一点，满足该点到PF1,2的距离为b，取该点和P1,3的连线中点作为修正后的tag3位置，记修正位置为PF1,3；
步骤S2.1.4：利用定位算法得出tag4的预测位置P1,4，根据约束条件②和约束条件⑥，对tag4的预测位置进行修正；修正方法为：在经过PF1,3的PF1,2PF1,3的垂线上沿靠近P1,4的方向取一点，满足该点到PF1,3的距离为a，取该点和P1,4的连线中点作为修正后的tag4位置，记修正位置为PF1,4；结束第一轮的四个标签位置估计；
步骤S2.2：后续轮次的位置估计与修正，包括如下步骤：
步骤S2.2.1：利用定位算法得出tag1的预测位置Pi,1，根据约束条件④和约束条件⑦，对tag1的预测位置进行修正；修正方法为：在经过PFi-1,4的PFi-1,3 PFi-1,4的垂线上沿靠近Pi,1的方向取一点，满足该点到PFi-1,4的距离为b，取该点和Pi,1的连线中点作为修正后的tag1位置，记修正位置为PFi,1；
步骤S2.2.2：利用定位算法得出tag2的预测位置Pi,2，根据约束条件①和约束条件⑧，对tag2的预测位置进行修正；修正方法为：在经过PFi,1的PFi-1,4 PFi,1的垂线上沿靠近Pi,2的方向取一点，满足该点到PFi,1的距离为a，取该点和Pi,2的连线中点作为修正后的tag2位置，记修正位置为PFi,2；
步骤S2.2.3：利用定位算法得出tag3的预测位置Pi,3，根据约束条件③和约束条件⑤，对tag3的预测位置进行修正；修正方法为：在经过PFi,2的PFi,1 PFi,2的垂线上沿靠近Pi,3的方向取一点，满足该点到PFi,2的距离为b，取该点和Pi,3的连线中点作为修正后的tag3位置，记修正位置为PFi,3；
步骤S2.2.4：利用定位算法得出tag4的预测位置Pi,4，根据约束条件②和约束条件⑥，对tag4的预测位置进行修正；修正方法为：在经过PFi,3的PFi,2 PFi,3的垂线上沿靠近Pi,4的方向取一点，满足该点到PFi,3的距离为a，取该点和Pi,4的连线中点作为修正后的tag4位置，记修正位置为PFi,4。
5.根据权利要求1所述的基于几何约束的定位误差修正训练方法，其特征在于：所述步骤S2中，以每轮修正位置所形成的图形的质点作为最终的定位位置。
6.根据权利要求1所述的基于几何约束的定位误差修正训练方法，其特征在于：所述步骤S2中，当误差小于允许值和/或轮次达到预设的最大修正轮数时，停止修正。
7.基于几何约束的定位误差修正训练装置，包括几何约束条件生成模块、修正模块、最佳修正轮数生成模块，其特征在于：
所述几何约束条件生成模块，根据在定位参考目标上设置一组数据收发模块，构建各数据收发模块之间的几何约束条件；
所述修正模块，通过定位模型依次预测数据收发模块位置，得到预测位置，并通过几何约束条件依次修正预测位置，得到修正位置，重复进行多轮修正；
所述最佳修正轮数生成模块，当达到修正停止条件后，停止修正，并将当前修正轮数作为最佳修正轮数。
8.基于几何约束的定位误差修正方法，其特征在于：在待定位目标上设置与所述定位参考目标相同的布置的一组数据收发模块，根据权利要求1所述的基于几何约束的定位误差修正训练方法，得到最佳修正轮数，作为待定位目标进行位置修正的轮数，通过相应的数据收发模块修正后的位置，得到待定位目标的位置。
9.基于几何约束的定位误差修正装置，其特征在于：包括布置与定位参考目标相同的一组数据收发模块的待定位目标，根据权利要求7所述的基于几何约束的定位误差修正训练装置得到最佳修正轮数，作为待定位目标进行位置修正的轮数，以使待定位目标通过相应的数据收发模块修正后的位置，得到待定位目标的位置。
10.基于几何约束的定位误差修正设备，其特征在于，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现权利要求8所述的基于几何约束的定位误差修正方法。
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