CN116908781A - 基于定向天线的自适应锚点定位方法及装置 - Google Patents

基于定向天线的自适应锚点定位方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于定向天线的自适应锚点定位方法及装置，包括：接收设置在购物货架上每一个定向锚点天线的信号强度；确定出两个目标定向锚点天线；映射出每个目标定向锚点天线的实际覆盖距离；获取的两个目标定向锚点天线之间的目标路径；获取接收位置投影到目标路径上的坐标；将接收位置投影到目标路径上的坐标在地图上进行约束得到接收位置在地图中的坐标；采用定向锚点天线发射信号，减少山谷效应和增加信号强度，降低信号的噪声和干扰，提高无线电波的传输质量；比较容易的实现购物车在商超的室内定位，算法简单，计算量小，对终端设备的性能要求不高，算力较低的终端设备也能流畅的完成位置计算。

Description

基于定向天线的自适应锚点定位方法及装置
技术领域
本申请涉及室内商超购物车定位技术领域，尤其涉及基于定向天线的自适应锚点定位方法及装置。
背景技术
目前主流的商超购物车定位算法分为两类：基于测距（Range-based）的定位算法和无需测距（Range-free）的定位算法。
基于RSSI的测距方法需要利用信号传播损耗模型。该方法的定位过程中，信号接收基站首先采集来自定位终端发送的无线信号RSSI，然后利用信号传播损耗模型估算出基站和定位终端的实际距离，再根据三角定位原理，即可实现定位。但是无线网络信号在传输过程中往往会受到各种干扰导致信号弱或者失效，同时三角或者多角定位计算量大，所需的天线需要多方向天线，天线定位本身实时性要求高，一些配置较低的设备使用不了或使用不流畅。天线一般需要安装在墙壁高处或吊顶上，商超在安装调试维护时，需要使用扶梯登高，甚至需要打孔，商超营业时间无法操作，只能在闭店后完成，后期更换位置或更换电池都极为麻烦，安装调试维护成本高，同时部署在吊顶上时还可能有信标掉落伤人的风险。
非测距方法是另一种基于RSSI的定位方法，该方法的典型代表是位置指纹（Finger Print，FP）定位方法。该定位方法与上述测距方法不同，测距方法通过各种手段来获取定位终端与基站之间的距离，同时还需要有基站位置等先验知识，而位置指纹方法无需计算定位终端和基站的距离，也不需要了解基站的位置，因此具有很强的灵活性，但缺点是前期离线建立指纹库的工作量巨大，同时很难自适应于环境变化较大的场景。
发明内容
为解决上述的技术问题本申请提供一种通过接收设置在货架上的定向锚点天线发出的定向方向上的信号强度，来确定出接收位置（购物车）的位置，采用定点锚点天线能够减少山谷效应和增加信号强度，降低信号的噪声和干扰，提高无线电波的传输质量，从而提高通信的可靠性的基于定向天线的自适应锚点定位方法及装置：
本申请是通过以下技术方案实现的，基于定向天线的自适应锚点定位方法，包括：
接收设置在购物货架上每一个定向锚点天线的信号强度；
利用接收到的每个定向锚点天线的信号强度确定出两个目标定向锚点天线；
根据两个目标定向锚点天线的信号强度映射出每个目标定向锚点天线的实际覆盖距离；
利用每个目标定向锚点天线在地图中的位置获取的两个目标定向锚点天线之间的目标路径；
根据每个目标定向锚点天线在地图中的位置、实际覆盖距离及发射功率获取接收位置投影到目标路径上的坐标；
将接收位置投影到目标路径上的坐标在地图上进行约束得到接收位置在地图中的坐标。
进一步的，包括，当接收位置在设定时间内每次都能接收到大于信号强度阈值的信号强度，且该同一接收位置所在的、地图位置中并不存在定向锚点天线时；
将该接收位置所在地图中的位置更新为定向锚点天线的位置。
进一步的，包括，当接收位置在设定时间内每次都没有接收到大于信号强度阈值的信号强度，且该接收位置所在地图中的位置上具有定点锚点天线时；
将地图中的位置上的定点锚点天线从地图中删除。
进一步的，货架上的定向锚点天线按照如下方式设置；
利用定向锚点天线的信号辐射距离和每个货架的距离对定向锚点天线进行布局，且相邻两个定向锚点天线之间的任何位置都能够接收到相邻两个定向锚点天线发出的信号辐射。
进一步的，所述定向锚点天线的信号发射的弧度为160°。
进一步的，映射出每个目标定向锚点天线的实际覆盖距离的方法包括：
将信号强度进行分级，并将对每一级别的信号强度进行距离映射，得到每一级别信号强度的实际覆盖距离；
获取每个目标定向锚点天线的信号强度所在的级别，利用目标定向锚点天线的信号强度所在的级别匹配出目标定向锚点天线的实际覆盖距离。
进一步的，确定出两个目标定向锚点天线的方法包括：
获取每一个接收位置上接收的所有信号强度；
对接收到的所有信号强度进行阈值过滤得到目标信号强度；
根据目标信号强度确定出目标定向锚点天线。
基于定向天线的自适应锚点定位装置，包括：
定向锚点天线；
接收端，用于接收设置在购物货架上每一个定向锚点天线的信号强度；
处理端，利用接收端接收到的每一个定向锚点天线的信号强度获取出接收端的位置。
进一步的，所述处理端包括：
目标确定单元，利用接收端接收到的每个定向锚点天线的信号强度确定出两个目标定向锚点天线；
坐标确定单元，利用目标确定单元确定出的两个目标定向锚点天线的信号强度映射出每个目标定向锚点天线的实际覆盖距离；
利用每个目标定向锚点天线在地图中的位置获取的两个目标定向锚点天线之间的目标路径；
根据每个目标定向锚点天线在地图中的位置、实际覆盖距离及发射功率获取接收位置投影到目标路径上的坐标；
定位单元，将接收位置投影到目标路径上的坐标在地图上进行约束得到接收位置在地图中的坐标。
进一步的，还包括锚点更新单元，所述锚点更新单元包括：
当接收位置在设定时间内每次都能接收到大于信号强度阈值的信号强度，且该同一接收位置所在的、地图位置中并不存在定向锚点天线时；
将该接收位置所在地图中的位置更新为定向锚点天线的位置；
或当接收位置在设定时间内每次都没有接收到大于信号强度阈值的信号强度，且该接收位置所在地图中的位置上具有定点锚点天线时；
将地图中的位置上的定点锚点天线从地图中删除。
本申请的有益效果是：
1.采用定向锚点天线发射信号，减少山谷效应和增加信号强度，降低信号的噪声和干扰，提高无线电波的传输质量；比较容易的实现购物车在商超的室内定位，算法简单，计算量小，对终端设备的性能要求不高，算力较低的终端设备也能流畅的完成位置计算；
2.定向锚点天线设置在购物货架上，设备安装调试维护极为简单，可以满足室内商超无需施工、无需登高、无需闭店的要求；
3.可以根据锚点的变化自适应更新锚点的位置，无需人工参与，极大的减少商超由于锚点变更造成的定位不准，减轻商超锚点定位的运维成本；
4.采用定性锚点天线，功率很低，续航时间达6-8年，极大的减少维护成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例中提供的定位方法的流程示意图；
图2是本申请实施例中提供定位装置的结构示意图；
图3是本申请实施例中处理端的结构示意图；
图4是本申请实施例中定向锚点天线在购物货架发射信号的示意图；
图5是本申请实施例中购物车在行进的过程中定位的示意图。
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例方式作进一步地详细描述。
下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种基于定向天线的自适应锚点定位方法，包括：设置在购物货架上的定向锚点天线，该定向锚点天线是一种定向发射信号的天线，具体的是该定向锚点天线在向前发射及接收电磁波特别强，在向后及侧向上发射及接收电磁波的信号为零或极小，该定向锚点天线和本领域中其它定位方法中的无线锚点天线的信号覆盖广不同的是，本实施例中的定向锚点天线的信号覆盖不能过广，过广的话之间会发生干扰，在购物货架上布局定向锚点天线时，是利用定向锚点天线的信号辐射距离和每个货架的距离对定向锚点天线进行布局，并且满足相邻两个定向锚点天线之间的任何位置都能够接收到相邻两个定向锚点天线发出的信号来进行布局；如定向锚点天线的信号覆盖半径为1.5米，则相邻两个定向锚点天线之间的距离为3米，具体的如图4所示，在设计该定向天线时，为了确保能够其向前覆盖，该定向锚点体现的有效发射方向160°的弧度；本实施例采用的定向锚点天线的信号范围只满足本货架通道的定位即可，且信号覆盖范围小而稳定，具有了明显的抗干扰性，解决了其它无线锚点天线（多方向）易受同信道干扰、多址干扰与多径衰落干扰的问题，同时该定向锚点天线由于其覆盖面积小，采用定向设置因此无需将其设在商超的屋顶上，安装维护方便，无需专门的施工和登高及闭店工作。
本实施例在购物货架上设置定向锚点天线时，按照地图规划，在商超的购物货架上约每3米间隔部署一个定向锚点天线，每个购物通道上不少于2个定向锚点天线，定向锚点天线的高度尽可能和购物车保持等高，每个购物货架布置的定向锚点天线的信号发射方向统一同一朝向，每个货架通道只需部署一组锚点，即货架通道中只需要在其一侧的购物货架上布置定向锚点天线即可，另一侧的购物货架上不进行定向锚点天线的部署，用于保证定向天线信号不混乱，且锚点背向信号无法有效穿透货架，锚点的信号范围只满足本货架通道的定位即可；同时在将定向锚点天线全部步骤完毕后，打开定向锚点天线，将其加载到商超的地图中，完成商超中定向锚点天线的部署。
购物车在启动时，购物车获取地图及所有定向锚点天线在地图中的坐标位置，购物车在购物货架之间的通道中进行移动时，当购物车进入到定向锚点天线信号覆盖的范围之内时，设在购物车上的接收装置（无线接收装置）就能够感应到定向锚点天线发送的信号，并接收到周围所有定向锚点天线发射的信号；并根据接收到信号的信号强度使用最小阈值法进行过滤（该阈值过滤为设置一个信号强度阈值，将小于该阈值的信号强度对应的定向锚点天线进行过滤），保留大于最小阈值的信号强度对应的信号作为有效信号。
对得到的有效信号的信号强度使用极限阈值进行过滤，即将大于极限阈值的信号强度所对应的有效信号筛选出来，该大于极限阈值的有效信号所对应的定向锚点天线认为与购物车之间的距离为极近距离，代表此时购物车位于该大于极限阈值的信号强度所对应的定向锚点天线的附近，由于本实施例采用的是定向锚点天线来发射信号，因此当购物车进入到任何一个区域中，基本都是位于两个定向锚点天线之间的位置或定向锚点天线所在的位置；因此只要筛选出两个接收到最大信号强度所对应的定向锚点天线；有效的较少了计算量，提高了计算效率；
由于采用定向锚点天线计算购物车的位置时，购物车的位置和定向锚点天线的铺设密度、发射功率、购物车接收到的信号强度有密切关系，本实施例采用两点非线性等分法根据接收到的两个目标定向锚点天线的信号强度值计算出购物车的实际位置；
由于本实施例中的定向天线锚点的特殊设计，定向天线锚点只需满足本货架通道的定位即可，因此需要对信号强度进行分级，并将对每一级别的信号强度进行距离映射，得到每一级别信号强度的实际覆盖距离，具体的是将定向天线锚点的信号强度值（RSSI）转换成距离值时，只需使用最有效的2个目标定向锚点天线。将RSSI按照每3db等分为10个强度等级，S1：大于或等于-50db； S2：-51~-53db； S3：-54~-56db；S4：-57~-59db；S5：-60~-62db；S6：-63~-65db；S7：-66~-68db；S8：-69~-71db；S9：-72db~-74db；S10：小于或等于-75db；
为每个RSSI强度等级设置一个标准映射距离，用于表示定向锚点天线标准发射功率（Power5）情况下，购物车检测到定向锚点天线的RSSI强度时，购物车距离定向锚点天线的映射平均实际距离，假设设定映射距离为：S1→0；S2→R2；S3→R3；S4→R4；S5→R5；S6→R6；S7→R7；S8→R8；S9→R9。同等级内RSSI的在距离计算时认为映射距离是一样的；利用映射的距离匹配出两个目标定向锚点天线对应的信号强度所对应的每个目标定向锚点天线的实际覆盖距离；
在映射出不同RSSI随对应的映射距离后，如图4所示采用两点非线性等分法计算出目标定向锚点天线A和目标锚点定向天线B之间的距离，具体的是智能购物车接收到目标定向锚点天线A的RSSI对应强度等级为Sa，Sa的实际距离映射为Ra米，目标锚点定向天线B的RSSI对应的强度等级为Sb，Sb的实际距离映射为Rb米，通过获取目标定向锚点天线A(x,y）和目标定向锚点天线B(x,y）的地图上坐标，可以计算目标定向锚点天线A和目标定向锚点天线B的距离为：Dab =；
式中：Dab为目标定向锚点天线A和目标定向锚点天线B在地图坐标中的距离；分别代表目标定向锚点天线A在地图上X轴和Y轴上的坐标值，/>分别代表目标定向锚点天线B在地图上X轴和Y轴上的坐标值；
将目标定向锚点天线A(x,y）和目标定向锚点天线B(x,y）的RSSI线性分配在这两个锚点的距离Dab上；得到两个目标定向锚点天线之间的目标路径；
根据每个目标定向锚点天线在地图中的位置、实际覆盖距离及发射功率获取接收位置（购物车）在目标路径上的坐标；
如图5所示计算接收位置C点在目标路径上的坐标的表达式为： ；
式中：和/>分别表示接收位置在目标路径上的坐标值；/>表示目标定向锚点天线A的发射功率；/>表示目标定向锚点天线B的发射功率，/>和/>分别表示标定向锚点天线A和标定向锚点天线B的实际覆盖距离（映射距离）；/>分别代表目标定向锚点天线A在地图上X轴和Y轴上的坐标值，/>分别代表目标定向锚点天线B在地图上X轴和Y轴上的坐标值。
在获得接收位置（购物车）在目标路径上的坐标后，如图5使用地图功能的功能约束，即将接收位置（购物车）在目标路径上的坐标C约束投影到地图上得到接收位置（购物车）S在地图上的坐标，实现了对购物车的定位，本实施例采用大量在购物货架上部署成本较低的无线定向锚点天线，采用两点非线性等分法来获取购物车的位置，计算简单高效，同时有效的避免了设置锚点时需要登高，打孔，闭店等情况，降低了调试维护成本。
实施例2
随着业务应用的变化，定向天线锚点在使用的过程中可能会随着货架变动，比如定向锚点天线的新增、位置变化或者移除；正常情况下，如果定向天线锚点信息有变化（含锚点位置），应及时在地图上刷新锚点的变化，这样才能保证定位的准确性，如果不能及时刷新，短期局部定位会受影响，长期则整个商超定位将会变的不准确了。如果由人工在地图中进行刷新定向天线锚点的变化信息，一方面增加商超的维护量，另一方面还需要商超具有一定的技术能力，费时费力。
由于定向锚点天线在设计时具备推荐商品的功能，即当购物车运动到定向锚点天线附近时，会在购物车上显示推荐定向锚点天线绑定的营销商品信息，本实施例采用锚点位置和购物商品货架位置具有强相关性来自动对地图中的定位天线锚点进行更新；解决商超定向锚点天线经常变更的问题。
具体的是用户推动智能购物车在商超运动时，智能购物车会实时接收到各定向锚点天线的RSSI（信号强度），同时用户会通过智能购物车上的扫码装置进行扫码购物（所有商品所在的货架编号，以及已知货架在地图中都有位置坐标）；通常情况下，用户购买商品时会拿取购物车附近货架上的商品扫码购物，根据在一段时间内在定向锚点天线附近的购物商品货架位置得到定向锚点天线的位置，本实施例采用定向锚点天线附近的购物情况来对其位置进行会更新；
接收位置在设定时间内每次都能接收到大于信号强度阈值的信号强度，此时认为购物车位于定向锚点天线的附近，统计在设定时间内，购物车在定向锚点天线处购买货物的货架在地图中的位置，如果该地图中货架位置附近有定向锚点天线，则不更新，如果该地图中货架位置附近有无定向锚点天线，将该货架所在的位置更新为定向锚点天线的位置。
如果地图附近有定向锚点天线，且定向锚点天线在地图中的位置与购买货物货架的位置之间的距离大于设定的阈值时，认为定向锚点天线的位置发生改变，此时将定向锚点天线在地图中的位置更新为货架所在的位置；
当接收位置在设定时间内每次都没有接收到大于信号强度阈值的信号强度，即购物车在购物的过程中在地图上有定位锚点天线的位置上一直没有接收到该位置上定向锚点天线发射的信号，则认为该位置的定向锚点天线被移除或有故障，将地图上该位置显示的定向锚点天线从地图中删除；可自适应锚点变化，无需人工参与，极大的减少商超由于锚点变更造成的定位不准，减轻商超锚点定位的运维成本。
实施例3
如图2所示基于定向天线的自适应锚点定位装置，包括：
定向锚点天线3；该定向锚点天线布置在购物货架上，用于发射信号；
接收端1和处理端2分别设在购物车上，接收端与定向锚点天线无线3连接，接收定向锚点天线3发出的信号强度，处理端2与接收端1通讯连接，处理接收端接1收到的定点锚点天线3，且该处理端2内设置有商超内的地图，该地图中可以加载定向锚点天线3和货架的位置及购物车运行的通道，处理端2处理接收到购物车在运行过程中接收到的各定向锚点天线3发出信号的强度计算出购物车目前在相邻两个定向锚点天线3之间的位置，并将其加载到地图的通道中得到购物车的位置。
如图3所示处理端2包括：
目标确定单元201，利用接收端接收到的每个定向锚点天线3的信号强度确定出两个目标定向锚点天线；
坐标确定单元202，利用目标确定单元301确定出的两个目标定向锚点天线的信号强度映射出每个目标定向锚点天线的实际覆盖距离；
利用每个目标定向锚点天线在地图中的位置获取的两个目标定向锚点天线之间的目标路径；
根据每个目标定向锚点天线在地图中的位置、实际覆盖距离及发射功率获取接收位置投影到目标路径上的坐标；
定位单元203，将接收位置投影到目标路径上的坐标在地图上进行约束得到接收位置在地图中的坐标。
还包括锚点更新单元4，所述锚点更新单元包括：
当接收位置在设定时间内每次都能接收到大于信号强度阈值的信号强度，且该同一接收位置所在的、地图位置中并不存在定向锚点天线时；
将该接收位置所在地图中的位置更新为定向锚点天线的位置；
或当接收位置在设定时间内每次都没有接收到大于信号强度阈值的信号强度，且该接收位置所在地图中的位置上具有定点锚点天线时；
将地图中的位置上的定点锚点天线从地图中删除。
以上所揭露的仅为本申请较佳实施例而已，当然不能以此来限定本申请之权利范围，因此依本申请权利要求所作的等同变化，仍属本申请所涵盖的范围。

Claims (10)

1.基于定向天线的自适应锚点定位方法，其特征在于，包括：
接收设置在购物货架上每一个定向锚点天线的信号强度；
利用接收到的每个定向锚点天线的信号强度确定出两个目标定向锚点天线；
根据两个目标定向锚点天线的信号强度映射出每个目标定向锚点天线的实际覆盖距离；
利用每个目标定向锚点天线在地图中的位置获取的两个目标定向锚点天线之间的目标路径；
根据每个目标定向锚点天线在地图中的位置、实际覆盖距离及发射功率获取接收位置投影到目标路径上的坐标；
将接收位置投影到目标路径上的坐标在地图上进行约束得到接收位置在地图中的坐标。
2.根据权利要求1所述的基于定向天线的自适应锚点定位方法，其特征在于，包括，当接收位置在设定时间内每次都能接收到大于信号强度阈值的信号强度，且该同一接收位置所在的、地图位置中并不存在定向锚点天线时；
将该接收位置所在地图中的位置更新为定向锚点天线的位置。
3.根据权利要求1或2所述的基于定向天线的自适应锚点定位方法，其特征在于，包括，当接收位置在设定时间内每次都没有接收到大于信号强度阈值的信号强度，且该接收位置所在地图中的位置上具有定点锚点天线时；
将地图中的位置上的定点锚点天线从地图中删除。
4.根据权利要求1所述的基于定向天线的自适应锚点定位方法，其特征在于，货架上的定向锚点天线按照如下方式设置；
利用定向锚点天线的信号辐射距离和每个货架的距离对定向锚点天线进行布局，且相邻两个定向锚点天线之间的任何位置都能够接收到相邻两个定向锚点天线发出的信号辐射。
5.根据权利要求1所述的基于定向天线的自适应锚点定位方法，其特征在于，所述定向锚点天线的信号发射的弧度为160°。
6.根据权利要求1所述的基于定向天线的自适应锚点定位方法，其特征在于，映射出每个目标定向锚点天线的实际覆盖距离的方法包括：
将信号强度进行分级，并将对每一级别的信号强度进行距离映射，得到每一级别信号强度的实际覆盖距离；
获取每个目标定向锚点天线的信号强度所在的级别，利用目标定向锚点天线的信号强度所在的级别匹配出目标定向锚点天线的实际覆盖距离。
7.根据权利要求1所述的基于定向天线的自适应锚点定位方法，其特征在于，确定出两个目标定向锚点天线的方法包括：
获取每一个接收位置上接收的所有信号强度；
对接收到的所有信号强度进行阈值过滤得到目标信号强度；
根据目标信号强度确定出目标定向锚点天线。
8.基于定向天线的自适应锚点定位装置，其特征在于，包括：
定向锚点天线；
接收端，用于接收设置在购物货架上每一个定向锚点天线的信号强度；
处理端，利用接收端接收到的每一个定向锚点天线的信号强度获取出接收端的位置。
9.根据权利要求8所述的基于定向天线的自适应锚点定位装置，其特征在于，所述处理端包括：
目标确定单元，利用接收端接收到的每个定向锚点天线的信号强度确定出两个目标定向锚点天线；
坐标确定单元，利用目标确定单元确定出的两个目标定向锚点天线的信号强度映射出每个目标定向锚点天线的实际覆盖距离；
利用每个目标定向锚点天线在地图中的位置获取的两个目标定向锚点天线之间的目标路径；
根据每个目标定向锚点天线在地图中的位置、实际覆盖距离及发射功率获取接收位置投影到目标路径上的坐标；
定位单元，将接收位置投影到目标路径上的坐标在地图上进行约束得到接收位置在地图中的坐标。
10.根据权利要求9所述的基于定向天线的自适应锚点定位装置，其特征在于，还包括锚点更新单元，所述锚点更新单元包括：
当接收位置在设定时间内每次都能接收到大于信号强度阈值的信号强度，且该同一接收位置所在的、地图位置中并不存在定向锚点天线时；
将该接收位置所在地图中的位置更新为定向锚点天线的位置；
或当接收位置在设定时间内每次都没有接收到大于信号强度阈值的信号强度，且该接收位置所在地图中的位置上具有定点锚点天线时；
将地图中的位置上的定点锚点天线从地图中删除。
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