專利名稱：基于信號強度的動態(tài)環(huán)境中多物體定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用信號強度測距技術(shù)的在動態(tài)環(huán)境中進行多物體定位的方法。該方法利用接收到的信號強度，建立視線路徑(Line-Of-Sight)的無線信號地圖(radiomap)，從而可以在動態(tài)環(huán)境中對多個物體進行分別定位。本發(fā)明屬于無線通信及計算機科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
基于接收信號強度的測距和定位技術(shù)在近幾年得到了廣泛的關(guān)注。其主要方法是基于信號強度的大小來得到相應(yīng)的距離信息?，F(xiàn)有的基于信號強度的定位技術(shù)主要就是基于接收到的信號強度和距離的關(guān)系。理論上來說，信號強度和距離是成一定比例關(guān)系的，一般隨著距離的增大，信號強度也隨之減小。通過對信號強度的測量可以得到發(fā)射信號源和接受信號源之間的距離。例如，如果 知道物體和三個已知位置的距離就可以用三角定位確定物體的位置，這種方法叫做三角定位。與其他定位技術(shù)相比，基于信號強度的定位技術(shù)有很多自己的優(yōu)勢。它需要很少的硬件支持，而且可以應(yīng)用在無線節(jié)點設(shè)備上。一般來說基于信號強度的方法可以分為兩大類第一類是依靠建立無線信號地圖(radio-map);第二類是不建立無線信號地圖的方法。在第一類方法中，其基本思想是先建立一種在接收到的信號強度和位置信息之間的一種對應(yīng)關(guān)系，該方法在實驗區(qū)域劃分一些小的子區(qū)域，然后在各個區(qū)域測量從不同發(fā)射裝置接收到的信號強度值，然后在定位的時候，目標(biāo)物體可以將自己接收到的信號強度在提前建立好的無線信號地圖中找到與之對應(yīng)的位置。我們將建無線信號地圖的部分稱為離線訓(xùn)練(off-line training),而尋找定位物體的位置對應(yīng)關(guān)系我們稱為在線定位(onlinelocalization)。然而，這種方法有其自身的局限性。首先，傳統(tǒng)的基于無線信號地圖的方法很難定位多個物體。因為在實際的室內(nèi)環(huán)境中，信號的傳輸會受到多徑現(xiàn)象的影響。多徑現(xiàn)象是指傳輸?shù)臒o線信號到達接收方經(jīng)過了兩條或者多條路徑，因為實際環(huán)境中(尤其是室內(nèi)環(huán)境中)有許多的物品，如樓房，桌子，墻壁，甚至空氣中的懸浮顆粒，都會使無線信號反射或折射。所有的路徑可以分為兩大類，一種是視線距離路徑，是傳送放到接收方的直線距離；另一種是非視線距離路徑。在實際環(huán)境中，傳統(tǒng)的接收信號強度實際上是多個路徑信號的一個組合疊加。根據(jù)不同路徑到達的信號通常會有不同的相位，因此在接收方會起到加強或者減弱信號的效果。當(dāng)有多個物體出現(xiàn)時，我們?nèi)詫⒃诓煌奈恢檬占盘枏姸鹊男畔⒉Υ嬖谛盘柕貓D中，但是由于多徑現(xiàn)象的影響，不同數(shù)量的目標(biāo)物體在不同的位置會產(chǎn)生不同的多徑信號。因此，接收到的信號總和經(jīng)常是不同的。所以，當(dāng)目標(biāo)物體個數(shù)是未知的時候，建立這樣一個基于多物體的無線信號地圖幾乎是不可能的。其次，大多數(shù)傳統(tǒng)的基于無線信號地圖的定位方法都假設(shè)一種靜態(tài)的環(huán)境。但是實際情況中環(huán)境會發(fā)生一定的改變，主要是由于多個物體的出現(xiàn)和內(nèi)部陳設(shè)的變化引起的，所以環(huán)境的改變也會產(chǎn)生不同的多徑信號信息并影響信號強度的值。因此，每當(dāng)環(huán)境改變的時候，傳統(tǒng)的方法就需要大量的在線訓(xùn)練經(jīng)行校準(zhǔn)。本發(fā)明的視線距離無線信號地圖可以有效的解決多物體的室內(nèi)定位方法。經(jīng)檢索，有以下發(fā)明專利申請具有與本發(fā)明相似特征
申請?zhí)枮?01110373217. 3，申請日為2011年11月22日的國內(nèi)發(fā)明專利公開了一種基于物理層的無線網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位的實現(xiàn)方法及其裝置，該方法基于物理層的正交頻分復(fù)用平臺獲取目標(biāo)節(jié)點的多個子載波的信道狀態(tài)信息，計算各個目標(biāo)節(jié)點和參考節(jié)點的距離進而得到具體的位置。本發(fā)明是基于傳感器進行定位，并且結(jié)合無線電波地圖得到目標(biāo)物體的位置，可以同時確定多個物體的位置。申請?zhí)枮?01110350390. I申請日為2011年11月09日的國內(nèi)發(fā)明專利公開了 一種基于無線網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)信息的室內(nèi)定位方法，該技術(shù)基于正交頻分復(fù)用技術(shù)，收集精細的物理層的各個子載波信道信息并進行預(yù)處理。其次，將處理后的信道信息作為參考位置點的指紋標(biāo)識信息，從而幫助搭建包括各個參考位置點的指紋信息的無線電波地圖。本發(fā)明在收集指紋標(biāo)識信息的時候進行預(yù)處理，只存儲視線距離的指紋標(biāo)識信息，這樣可以有效的在動態(tài)環(huán)境中保證不缺失大量的精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，在多徑效應(yīng)存在的室內(nèi)情況下，只利用接收信號強度的信息，建立一種無線信號地圖，使之可以用來同時確定多個目標(biāo)物體的位置，并且在環(huán)境改變的時候不用重復(fù)建立地圖。本發(fā)明從兩個方面解決了利用無線信號地圖經(jīng)行室內(nèi)定位所存在的問題。首先，本發(fā)明在環(huán)境改變的情況下(比如室內(nèi)陳設(shè)的改變)，不用通過重復(fù)收集指紋標(biāo)識信息建立新的地圖。其次，當(dāng)室內(nèi)有多個物體存在的時候本發(fā)明所設(shè)計的方法也可以同時將多個目標(biāo)物體精準(zhǔn)定位出來。為了解決上述問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下
首先，室內(nèi)多徑的變化主要是由環(huán)境的改變和室內(nèi)的陳設(shè)變化造成的，一些原本存在的非視線路徑消失的同時也有一些新的非視線路徑出現(xiàn)。同理，當(dāng)室內(nèi)有多個物出現(xiàn)的時候，新增加的物體對非視線路徑也產(chǎn)生了很大的影響。在本發(fā)明中，我們將參考節(jié)點放在適當(dāng)?shù)奈恢茫梢员ＷC陳設(shè)變化和多物體的出現(xiàn)不會阻礙視線路徑。本發(fā)明通過分離視線距離信號強度，并建立相應(yīng)的地圖可以達到對多物體的定位。第一步是建立視線距離信號地圖。在本發(fā)明中，整個定位的區(qū)域被分成若干個子區(qū)域，如大小為Im *lm的子區(qū)域，每個區(qū)域在屋頂有參考節(jié)點作為接收端，而目標(biāo)節(jié)點作為發(fā)射端。本發(fā)明可以通過兩種方法進行視線距離無線信號地圖的建立第一種是通過理論模型來建立相應(yīng)的地圖，第二種是通過在線實驗訓(xùn)練的結(jié)果。通過兩種方法都可以得到視線距離信號地圖。第二步就是進行多物體的定位，每一個目標(biāo)物體都是發(fā)射端，參考節(jié)點作為接收端。發(fā)射端每次發(fā)送數(shù)據(jù)包的時候在每一個信道上面都發(fā)送一定量的數(shù)據(jù)包到參考節(jié)點，例如，Telosb節(jié)點一共可以轉(zhuǎn)換16個不同的信道。不同的目標(biāo)物體在數(shù)據(jù)包中傳送對應(yīng)于自己的編號便于接收端的區(qū)分，然后在接收端對收到的信號進行處理，從而可以根據(jù)不同的節(jié)點編號分別給出目標(biāo)物體的具體位置。本發(fā)明在得到視線距離地圖以后，將所得的數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)庫中，然后在需要得到目標(biāo)節(jié)點位置的時候我們將收到的視線距離信號和數(shù)據(jù)庫中的值進行對比。在本發(fā)明的視線距離無線信號地圖中，每一個矩陣中存儲了三個參考節(jié)點的視線距離信號值。本發(fā)明采用k個最近鄰居的方法來確定目標(biāo)節(jié)點的具體位置。在定位過程中，目標(biāo)節(jié)點都作為無線信號的發(fā)射方，參考節(jié)點都作為信號的接收方。我們把需要定位的區(qū)域分為t個子區(qū)域，參考節(jié)點的數(shù)目為q。并且對于每一個目標(biāo)節(jié)點來講，它的信號強度向量可以表示為
S= (S1^riS9)，其中4表示第i個參考節(jié)點收到目標(biāo)節(jié)點的信號強度，i的范圍是I到
q。在每一個子區(qū)域j中，我們的無線信號地圖向量表不為，其中&表
示在子區(qū)域j中參考節(jié)點i收到的視線距離的無線信號強度的大小。最后我們計算歐幾里得距離得到最終的結(jié)果。 本發(fā)明是一種基于信號強度的動態(tài)環(huán)境中多物體定位方法，能達到的有益效果如下
(O實現(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境下的，對多個物體的同時精準(zhǔn)定位；
(2)在環(huán)境改變時不用重復(fù)建立無線信號地圖，提高定位效率。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。圖I為基本原理不意圖。圖2為多徑示意圖。圖3系統(tǒng)定位流程示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。如圖I所示，本發(fā)明區(qū)別于傳統(tǒng)無線信號地圖的定位方法主要是在于數(shù)據(jù)庫里面存儲的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的無線信號地直接在無線信號地圖中存儲收集來自各個參考節(jié)點的信號強度。本發(fā)明將收到的信號強度進行處理，利用頻率的多樣性從多徑中分離出視線距離信號存儲到數(shù)據(jù)庫中建立視線距離無線信號地圖。如圖2所示，。在多物體定位中，多個物體之間互相影響，造成利用傳統(tǒng)的無線信號地圖來進行定位十分困難，主要在于羅列出各個不同數(shù)目物體的組合是不現(xiàn)實的。這種影響主要是來自于物體之間改變了原有的非視線距離的信號傳輸路徑。同理，當(dāng)環(huán)境發(fā)生了變化，特別是室內(nèi)陳設(shè)發(fā)生變化的時候，主要也是對非視線距離信號的傳輸路徑造成了影響。如圖3所示，本發(fā)明提出的在動態(tài)環(huán)境下室內(nèi)定位多物體的方法主要流程如下首先確定建立無線信號地圖的方法，可以通過理論值或者通過在線訓(xùn)練兩種方法得到。第一種方法利用了 Friis自由空間模型，該模型表述了在自由空間中接收方和發(fā)送方的數(shù)學(xué)描述如下
權(quán)利要求
1.基于信號強度的動態(tài)環(huán)境中多物體定位方法，其特征是將定位區(qū)域分成若干個子區(qū)域，每個區(qū)域放置相應(yīng)參考點，該參考點放置在能保證陳設(shè)變化和多物體的出現(xiàn)不會阻礙視線路徑的適的位置，并收集指紋標(biāo)識信息，然后對收集的數(shù)據(jù)進行處理，分離視線距離信號強度，然后將該值存儲到數(shù)據(jù)庫中，建立相應(yīng)的無線信號地圖；基于該無線信號地圖作為發(fā)射端的目標(biāo)物體與作為接收端的參考節(jié)點之間進行通信，在需要得到目標(biāo)節(jié)點位置的時候收到的視線距離信號和無線信號地圖數(shù)據(jù)庫中的值進行對比，采用k個最近鄰居的方法來確定目標(biāo)節(jié)點的具體位置，計算歐幾里得距離得到最終的結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于信號強度的動態(tài)環(huán)境中多物體定位方法，其特征是:參考點的放置位置能保證室內(nèi)陳設(shè)變化和多物體的出現(xiàn)不會影響視線路徑，因此陳設(shè)變化后，無須重新建立無線信號地圖。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于信號強度的動態(tài)環(huán)境中多物體定位方法，其特征是接收信號的強度是由無線電波在多徑傳播后的一個組合，從而帶來的額外的無線電波相位信息，本發(fā)明利用它分離出視線距離路徑的無線信號，因此無線信號地圖中存儲的不是原始信號強度信息，而是視線距離信號強度的值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于信號強度的動態(tài)環(huán)境中多物體定位方法，其特征是在視線距離無線信號地圖中，每一個矩陣中存儲了三個參考節(jié)點的視線距離信號值。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于信號強度的動態(tài)環(huán)境中多物體定位方法，其特征是可以通過兩種方法進行視線距離無線信號地圖的建立，第一種是通過理論模型來建立相應(yīng)的地圖，第二種是通過在線實驗訓(xùn)練的結(jié)果。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于信號強度的動態(tài)環(huán)境中多物體定位方法，其特征是可以通過理論模型，利用Friis自由空間模型建立視線距離無線信號地圖。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于信號強度的動態(tài)環(huán)境中多物體定位方法，其特征是通過訓(xùn)練可得到視線距離無線信號地圖，利用傳統(tǒng)方法建立無線信號地圖，并在此基礎(chǔ)上利用頻率多樣性建立視線距離無線信號地圖，即在各個信號頻段上面測量接收到的信號強度值，然后利用頻率的多樣性得到視線距離的信號強度。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于信號強度的動態(tài)環(huán)境中多物體定位方法，其特征是發(fā)射端每次發(fā)送數(shù)據(jù)包的時候在每一個信道上面都發(fā)送一定量的數(shù)據(jù)包到參考節(jié)點，不同的目標(biāo)物體在數(shù)據(jù)包中傳送對應(yīng)于自己的編號便于接收端的區(qū)分。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于信號強度的動態(tài)環(huán)境中多物體定位方法，其特征是在多物體情況下，各個物體通過收到的信號強度值和視線距離無線信號地圖中的值進行對t匕，得到各自的位置信息，即采用k個最近鄰居的方法來確定目標(biāo)節(jié)點的具體位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于信號強度的動態(tài)環(huán)境中多物體定位方法。本發(fā)明在多徑效應(yīng)存在的室內(nèi)情況下，只利用接收信號強度的信息,建立一種無線信號地圖，使之可以用來同時確定多個目標(biāo)物體的位置，并且在環(huán)境改變的時候不用重復(fù)建立地圖。本發(fā)明先進行指紋識別信息的收集，在數(shù)據(jù)庫中存儲對應(yīng)視線距離的信號強度值，然后在目標(biāo)物體定位階段進行對比，通過在多條路徑中區(qū)分出視線路徑，使得到的視線信號強度可以直接運用到定位當(dāng)中，提高定位的準(zhǔn)確性，并在動態(tài)的室內(nèi)環(huán)境中進行精準(zhǔn)的定位。
文檔編號G01S5/02GK102707259SQ20121019817
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者倪明選, 張滇, 郭小楠 申請人:廣州市香港科大霍英東研究院