TWI518351B

TWI518351B - 室內定位方法和設備

Info

Publication number: TWI518351B
Application number: TW103143665A
Authority: TW
Inventors: 桑媛
Original assignee: 英業達股份有限公司
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2016-01-21
Also published as: TW201621345A

Description

室內定位方法和設備

本發明涉及通信領域，尤其涉及一種室內定位方法和設備。

現有的室內定位技術，例如，基於Zigbee的室內定位技術，通常採用被定位節點到參考基站之間的接收信號強度指示(Received Signal Strength Indication,RSSI)數值計算來實現定位。通常需要使用3個以上的參考基站，並且需要參考當前的環境因數。目前的技術通常採用一個固定的經驗因數或者固定的環境參考因數來計算目標節點的位置資訊。然而，隨著環境因素不斷變化，這些固定的經驗因數或者固定的環境參考因數無法精確的表達即時的環境參數，導致計算出的目標節點的位置資訊存在很大誤差。

鑒於此，本發明提供了一種環境參考因數可調的室內定位方法和設備。

在下文中給出關於本發明的簡要概述，以便提供關於本發明的某些方面的基本理解。應當理解，這個概述並不是關於本發明的窮舉性概述。它並不是意圖確定本發明的關鍵或重要部分，也不是意圖限定本發明的範圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念，以此作為稍後論述的更詳細描述的前序。

根據本發明的一個方案，提供了一種室內定位方法，其特徵在於，包括：獲取目標節點相對於多個參考節點T_i的接收信號功率P_i，以及多個參考節點T_i之間的接收信號功率P_ij，其中i,j分別代表參考節點序列號，且有i≠j；根據P_im=P_ij-10n_ilg(d_im/d_ij)+X_i獲得目標節點與參考節點T_i之間的距離d_i，其中i,j,m分別代表參考節點序列號，且有i≠j≠m，d_ij為參考節點T_j與T_i之間的距離，X_i為參考節點T_i覆蓋區域內的接收功率對應的隨機變數，n_i為參考節點T_i覆蓋區域內的環境參考因數；以及根據至少三個不同的參考節點T_i對應的距離d_i確定目標節點的位置資訊。根據本發明的一個實施例，每個參考節點T_i覆蓋區域內X_i和n_i可以根據其他參考節點的接收信號功率以及參考節點之間的距離來即時調整。

在一個實施例中，參考節點T_i覆蓋區域內的X_i和n_i可以按如下方式調整：獲取參考節點T_i相對於至少三個其他參考節點T_j的接收信號功率P_ij，以及參考節點T_i與T_j之間的距離d_ij；在所獲取的至少三組P_ij和d_ij中選取三組P_ij和d_ij，作為(P_i、d_i)、(P_j、d_j)、(P_m、d_m)，並根據公式：X=P_i-P_j+(P_i-P_m)lg(d_i/d_j)/lg(d_m/d_i) 獲得參考節點T_i覆蓋區域內的X_i；並且根據公式：n=(P_i-P_m)/[10lg(d_m/d_i)]獲得參考節點T_i覆蓋區域內的n_i。

根據本發明的另一方面，提供了一種室內定位設備，其特徵在於，包括：一獲取模組，用於獲取目標節點相對於多個參考節點T_i的接收信號功率P_i，以及多個參考節點T_i之間的接收信號功率P_ij，其中i,j分別代表參考節點序列號，且有i≠j；一計算模組，用於根據P_im=P_ij-10n_ilg(d_im/d_ij)+X_i獲得目標節點與參考節點T_i之間的距離d_i，其中i,j,m分別代表參考節點序列號，且有i≠j≠m，P_ij為參考節點T_j與T_i之間的距離，X_i為參考節點T_i覆蓋區域內的接收功率對應的隨機變數，n_i為參考節點T_i覆蓋區域內的環境參考因數；一定位模組，用於根據至少三個不同的參考節點T_i對應的所述距離d_i確定目標節點的位置資訊；以及一環境因數調整模組，用於即時調整每個參考節點T_i覆蓋區域內X_i和n_i，其中參考節點T_i覆蓋區域內X_i和n_i根據其他參考節點的接收信號功率以及參考節點之間的距離來進行調整。

根據本發明，由於每個參考基站覆蓋區域內的環境參考因數(例如參考節點T_i覆蓋區域內的X_i和n_i)可以利用其他參考基站的接收信號功率和參考基站的距離來進行即時的調整，因此提高了定位精度，減少定位誤差。

31‧‧‧目標節點

321、322、323、324‧‧‧參考基站

401‧‧‧獲取模組

402‧‧‧計算模組

403‧‧‧定位模組

404‧‧‧環境因數調整模組

Pi、Pij

圖1為根據本發明的室內定位系統的應用場景的示意圖；圖2為根據本發明的室內定位方法的流程圖；圖3為在圖2所示的室內定位方法中用於調整環境參考因數的子步驟的流程圖；以及圖4為根據本發明的室內定位設備的框圖。

下面參照附圖來說明本發明的實施例。在本發明的一個附圖或一種實施方式中描述的元素和特徵可以與一個或更多個其他附圖或實施方式中示出的元素和特徵相結合。應當注意，為了清楚的目的，附圖和說明中省略了與本發明無關的以及本領域普通技術人員已知的部件和處理的表示和描述。

圖1為根據本發明的室內定位系統的應用場景的示意圖。如圖1所示，該應用場景包括：目標節點31和多個(圖1中例如顯示出4個)參考基站(參考節點)321、322、323、324。該定位系統例如可以使用Zigbee室內定位技術來定位目標節點的位置資訊，也就是說，採用目標節點到每個參考基站之間的RSSI計算來實現定位。例如，可以根據如下公式(1)來確定目標節點的位置：P_d=P_d0-10nlg(d/d₀)+X (1)

例如，在該系統中，發射端為目標節點31，接收端為參考基站321，並任意選取另一參考基站(例如參考基站322)作為參考節點。

其中：P_d是接收端的接收信號功率；P_d0是參考距離d₀點對應的接收信號功率；d是接收端與發射端的距離；d₀是參考節點到接收端的距離；n是路徑損耗指數，與環境有關；X反映出當距離一定時，接收信號功率的變化；以及X為平均值為0的高斯隨機變數。

如在背景技術部分所述，在傳統Zigbee定位技術中，環境因數n和X都是不隨時間與空間變化的固定值。由於固定的環境參考因數無法精確的表達即時的環境參數變化，因此造成定位誤差。

在本發明中，環境因數n和X不是固定參數，而是取決於每個參考基站的覆蓋範圍有所不同，並且每個參考基站的環境因數n和X可以根據其他參考基站的接收信號功率和參考基站之間的距離來即時調整。在隨後的部分中，將對環境參考因數的即時調整方法做更詳細的描述。

圖2為根據本發明的室內定位方法的流程圖。

在步驟S201處，獲取目標節點(例如圖1所示目標節點31)相對於多個參考節點T_i(例如圖1所示參考基站321、322、323、324)的接收信號功率P_i，以及多個參考節點T_i之間的接收信號功率P_ij，其中i,j分別代表參考節點的序列號，且有i≠j。獲取多個參考節點T_i之間的接收信號功率P_ij可隨後被用於更新環境參考因數。

在步驟S202處，即時調整每個參考節點T_i覆蓋範圍內的環境因數n_i和X_i。例如，可以根據與其他參考節點之間的接收信號功率P_ij和距離d_ij來進行調整。具體調整環境參考因數的方法隨後將詳細描述。

然後，在步驟S203處，根據如下公式(2)獲得目標節點與所述參考節點T_i之間的距離d_i：P_i=P_d0-10n_ilg(d_i/d₀)+X_i (2)

其中，P_i是接收端參考節點T_i的接收信號功率，P_d0是參考距離d₀點對應的接收信號功率，d_i是參考節點T_i與目標節點的距離，d₀是參考節點(例如另一參考基站T_j,i≠j)到接收端的距離，n_i是參考節點T_i對應的路徑損耗指數，X_i是參考節點T_i對應的反應接收信號功率變化的環境因數。

在步驟S204處，根據至少三個不同的參考節點T_i對應的距離d_i確定目標節點的位置資訊。

例如，根據“三點定位”原理，從得到的多個距離d_i中提取出至少三個d_i，即可以確定一個或多個目標節點相對於被提取的三個T_i之間的相對位置；再根據這三個不同的T_i對應的位置資訊，如全球定位系統(Global Positioning System,GPS)座標或預先設定的參考座標來確定目標節點的位置資訊。當上述確定的相對位置為多個時，可將這多個相對位置的中心位置確定為目標節點的所在的位置。當然，定位方法並不局限於此。本領域技術人員容易設想其他已知的定位方法用於實現目標節點的位置確定。

然後，流程結束。

如圖2所示，在本發明中，每個參考節點T_i覆蓋區域內的環境參考因數X_i和n_i可以根據其他參考節點的接收信號功率P_ij以及參考節點之間的距離d_ij來即時調整，以提高定位精度，減小定位誤差。

圖3為在圖2所示的室內定位方法中用於調整環境參考因數的子步驟的流程圖。

在步驟S301中，獲取參考節點T_i相對於至少三個其他參考節點T_j的接收信號功率P_ij，以及參考節點T_i與T_j之間的距離d_ij。

在步驟S302中，在所獲取的至少三組P_ij和d_ij中選取三組P_ij和d_ij，作為(P₁、d₁)、(P₂、d₂)、(P₃、d₃)。

然後，在步驟S303中，例如可以根據如下公式(3)來計算參考基站T_i覆蓋範圍內的環境因數n_i：n_i=(P₃-P₂)/[10lg(d₂/d₃)] (3)

在步驟S304中，例如可以根據如下公式(4)來計算參考基站T_i覆蓋範圍內的環境因數X_i：X_i=P₃-P₁+(P₃-P₂)lg(d₃/d₁)/lg(d₂/d₃)或X_i=P₂-P₁+(P₃-P₂)lg(d₂/d₁)/lg(d₂/d₃) (4)

然後，流程結束。

值得注意的是，即時更新參考節點所對應的環境參考因數的方法並不局限使用以上公開的公式(3)和(4)。本領域技術人員可以設想其他已知方法，用來對環境參考因數執行即時調整，以實現更精確的定位。

圖4為根據本發明的室內定位設備的框圖。

如圖4所示，該定位設備例如包括獲取模組401、計算模組402、定位模組403和環境因數調整模組404。

獲取模組401用於獲取目標節點相對於多個參考節點T_i的接收信號功率P_i，多個參考節點T_i之間的接收信號功率P_ij，以及參考節點之間的距離d_ij，其中i,j分別代表參考節點序列號，且有i≠j。

計算模組402用於根據以上公式(1)，利用目標節點相對於參考節點T_i的接收信號功率P_i來計算目標節點與參考節點T_i之間的距離d_i。如上所述，在利用公式(1)計算目標節點與參考節點之間的距離的過程中，環境因數n和X是參考節點T_i覆蓋範圍內的參考節點，並可以即時更新。

環境因數調整模組404從獲取模組401接收到參考節點之間的接收信號功率P_ij以及參考節點之間的距離d_ij，用於對環境參考因數的即時更新，並把更新後的環境因數n和X定期發送到計算模組403，用於定位計算。

定位模組403根據至少三個不同的參考節點T_i對應的距離d_i確定目標節點的位置資訊。

舉例說明，在圖1所示定位系統中，假設目標節點31為發射端，參考基站321為接收端，其他參考基站322、323、324配合進行參考基站321覆蓋範圍內環境因數n和X的即時更新。

獲取模組401獲取參考基站321相對於目標節點31的接收信號功率P1，以及與其他參考節點322、323、324之間的接收信號功率P₁₂、P₁₃、P₁₄，作為(P₂、P₃、P₄)以及距離d₁₂、d₁₃、d₁₄，作為(d₂、d₃、d₄)。接收信號功率P₁被提供到計算模組402，用於計算目標節點0與參考節點1的距離。接收信號功率(P₂、P₃、P₄)以及距離(d₂、d₃、d₄)被提供到環境因數調整模組404，用於即時更新環境參考因數n和X。

計算模組402根據以上公式(1)計算目標節點0與參考節點1的距離d1。值得注意的是，在本發明中，公式(1)中的環境因數n_i和X_i都是經過環境因數調整模組404即時更新的環境參考因數。環境因數調整模組404更新環境因數n_i和X_i的方法例如參考以上公式(2)和(3)。

然後，定位模組403根據至少三個不同的參考節點T_i對應的距離d_i確定目標節點的位置資訊。

值得注意的是，雖然圖1所示的系統中示出4個參考基站，但是參考基站的數目並不局限於此。只要在參考基站的數目滿足n3的情況下即可以實現目標節點的定位。並且，在滿足參考基站的數目n4的情況下，可以實現對於環境參考因數的即時更新。

本領域技術人員可以明瞭，圖4所示室內定位設備可以通過軟體、硬體或軟硬體結合的方式來實現，該設備可以集成到目標節點或參考基站中，也可以集成到單獨的控制設備或伺服器端，以實現目標定位。

根據本發明，通過即時更新環境參考因數，可以對定位方程進行即時調整，從而得到更準確的定位資訊，提高定位精度並減小定位誤差。

上面對本發明的一些實施方式進行了詳細的描述。如本領域的普通技術人員所能理解的，本發明的方法和裝置的全部或者任何步驟或者部件，可以在任何計算設備(包括處理器、存儲介質等)或者計算設備的網路中，以硬體、韌體、軟體或者它們的組合加以實現，這是本領域普通技術人員在瞭解本發明的內容的情況下運用他們的基本編程技能就能實現的，因此不需在此具體說明。

此外，顯而易見的是，在上面的說明中涉及到可能的外部操作的時候，無疑要使用與任何計算設備相連的任何顯示設備和任何輸入設備、相應的介面和控制程式。總而言之，電腦、電腦系統或者電腦網路中的相關硬體、軟體和實現本發明的前述方法中的各種操作的硬體、固件、軟體或者它們的組合，即構成本發明的設備及其各組成部件。

應該強調，術語“包括/包含”在本文使用時指特徵、要素、步驟或元件的存在，但並不排除一個或更多個其他特徵、要素、步驟或元件的存在或附加。

雖然已經詳細說明了本發明及其優點，但是應當理解在不超出由所附的權利要求所限定的本發明的精神和範圍的情況下可以進行各種改變、替代和變換。而且，本發明的範圍不僅限於說明書所描述的過程、設備、手段、方法和步驟的具體實施例。本領域內的普通技術人員從本發明的公開內容將容易理解，根據本發明可以使用執行與在此所述的相應實施例基本相同的功能或者獲得與其基本相同的結果的、現有和將來要被開發的過程、設備、手段、方法或者步驟。因此，所附的權利要求旨在在它們的範圍內包括這樣的過程、設備、手段、方法或者步驟。

Claims

一種室內定位方法，其特徵在於，包括：獲取一目標節點相對於多個參考節點T_i的接收信號功率P_i，以及所述多個參考節點T_i之間的接收信號功率P_ij，其中i,j分別代表參考節點序列號，且有i≠j；根據P_im=P_ij-10n_i lg(d_im/d_ij)+X_i獲得所述目標節點與所述參考節點T_i之間的距離d_i，其中i,j,m分別代表參考節點序列號，且有i≠j≠m，d_ij為所述參考節點T_j與T_i之間的距離，X_i為所述參考節點T_i覆蓋區域內的接收功率對應的隨機變數，n_i為所述參考節點T_i覆蓋區域內的環境參考因數；以及根據至少三個不同的所述參考節點T_i對應的所述距離d_i確定所述目標節點的位置資訊；其中，所述每個參考節點T_i覆蓋區域內X_i和n_i根據其他參考節點的接收信號功率以及參考節點之間的距離來即時調整。
如申請專利範圍第1項所述之室內定位方法，其特徵在於，所述參考節點T_i覆蓋區域內的X_i和n_i以如下方式調整：獲取所述參考節點T_i相對於至少三個其他參考節點T_j的接收信號功率P_ij，以及所述參考節點T_i與T_j之間的距離d_ij；以及在所獲取的至少三組P_ij和d_ij中選取三組P_ij和d_ij，作為(P_i、d_i)、(P_i、d_j)、(P_m、d_m)，並根據公式： X=P_i-P_j+(P_i-P_m)lg(d_i/d_j)/lg(d_m/d_i)獲得所述參考節點T_i覆蓋區域內的X_i；並且根據公式：n=(P_i-P_m)/[10lg(d_m/d_i)]獲得所述參考節點T_i覆蓋區域內的n_i。
一種室內定位設備，其特徵在於，包括：一獲取模組，用於獲取目標節點相對於多個參考節點T_i的接收信號功率P_i，以及所述多個參考節點T_i之間的接收信號功率P_ij，其中i,j分別代表參考節點序列號，且有i≠j；一計算模組，用於根據P_im=P_ij-10n_ilg(d_im/d_ij)+X_i獲得所述目標節點與所述參考節點T_i之間的距離d_i，其中i,j,m分別代表參考節點序列號，且有i≠j≠m，d_ij為所述參考節點T_j與T_i之間的距離，X_i為所述參考節點T_i覆蓋區域內的接收功率對應的隨機變數，n_i為所述參考節點T_i覆蓋區域內的環境參考因數；一定位模組，用於根據至少三個不同的所述參考節點T_i對應的所述距離d_i確定所述目標節點的位置資訊；以及一環境因數調整模組，用於即時調整每個參考節點T_i覆蓋區域內X_i和n_i，其中參考節點T_i覆蓋區域內X_i和n_i根據其他參考節點的接收信號功率以及參考節點之間的距離來進行調整。
如申請專利範圍第3項所述之室內定位設備，其特徵在於，所述環境因數調整模組包括：一獲取單元，用於獲取所述參考節點T_i相對於至少三個其他參考節點T_i的接收信號功率P_ij，以及所述參考節點T_i與T_i之間的距離d_ij；一選取單元，用於在所獲取的至少三組P_ij和d_ij中選取三組P_ij和d_ij，作為(P_i、d_i)、(P_j、d_j)、(P_m、d_m)；一第一計算單元，用於根據公式：X=P_i-P_j+(P_i-P_m)lg(d_i/d_j)/lg(d_m/d_i)獲得所述參考節點T_i覆蓋區域內的X_i；以及一第二計算單元，用於根據公式：n=(P_i-P_m)/[10lg(d_m/d_i)]獲得所述參考節點T_i覆蓋區域內的n_i。