一種基于交點(diǎn)判定的三邊定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于傳感器節(jié)點(diǎn)對標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于交點(diǎn)判定的 三邊定位方法，該方法能應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、商業(yè)以及室內(nèi)定位領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的普及，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless sensor network, WSN)和無線局域網(wǎng)（Wireless Local Network, WLAN)等面向區(qū)域的定位技術(shù)越 來越被工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、商業(yè)等領(lǐng)域的研宄者關(guān)注。WSN的目標(biāo)是通過無線方式使分散而 獨(dú)立的傳感器節(jié)點(diǎn)互聯(lián)，組成分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而針對實(shí)時(shí)采集的環(huán)境信息進(jìn)行 處理，以實(shí)現(xiàn)用戶和環(huán)境的交互。環(huán)境信息中很重要的一點(diǎn)就是空間位置信息，基于位置的 估計(jì)，即定位技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中的方方面面，如醫(yī)院病人無線監(jiān)控系統(tǒng)、博物館智能導(dǎo) 航系統(tǒng)等。此外，室內(nèi)定位技術(shù)也有著十分廣闊的發(fā)展前景，目前提出的無線家庭自動(dòng)網(wǎng) 絡(luò)（Wireless Home Automation Networks, WHANs)就是專門為智能家居提供的無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)，現(xiàn)有的基于IEEE 802. 15. 4相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的Zigbee、Z-wave、INSTE0N、 Wavenis和IP的技術(shù)都圍繞相關(guān)硬件標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議提供了技術(shù)支持。
[0003] 超寬帶（Ultra wideband, UWB)技術(shù)自2006年由美國聯(lián)邦通訊委員會正式通過 了將其用于民用的議案后，大大應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位領(lǐng)域。它通過從時(shí)間上分割信 號代替從波段或頻率來分割信號，避免了無限細(xì)分頻譜遇到物理實(shí)現(xiàn)上不可逾越的技術(shù)瓶 頸。超寬帶工作頻率為3. 1~10. 6GHz，系統(tǒng)帶寬與系統(tǒng)中心頻率之比大于20%或系統(tǒng)帶 寬至少為500MHz，與傳統(tǒng)無限電探測系統(tǒng)相比，無需載波信號，能夠直接產(chǎn)生窄脈沖去激勵(lì) 天線。超寬帶技術(shù)具有低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、對信道衰減不敏感、隱蔽性好、穿透能力強(qiáng)、 定位精度高的特點(diǎn)。近年來，利用亞納秒級超窄脈沖做近距離精確定位技術(shù)大大發(fā)展，如 MultispectralSolutions公司和美國海軍設(shè)施工程服務(wù)中心聯(lián)合開發(fā)的UWB精確定位系 統(tǒng)、清華大學(xué)研發(fā)的LocalSense無線定位系統(tǒng)和唐恩科技有限公司的iLocate?系統(tǒng)。
[0004] 根據(jù)定位過程是否測量實(shí)際節(jié)點(diǎn)的距離，把定位算法分為：基于測距 (range-based)定位算法和無需測距（range-free)的定位算法?；跍y距算法通過測量節(jié) 點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)距離或角度信息，使用三邊測量（trilateration)、三角測量（triangulation) 或最大似然估計(jì)等估計(jì)算法減小測距誤差對定位測量的影響；無需測距算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通 性等信息即可實(shí)現(xiàn)定位。相比于無需測距算法，基于測距算法更易于硬件實(shí)現(xiàn)，而且得到廣 泛應(yīng)用。
[0005] 基于測距定位算法常用測距技術(shù)有TOA、TDOA、TOF和AOA等等。TOA (Time of Arrival)算法需要節(jié)點(diǎn)精確地時(shí)間同步，無法用于松散親合定位系統(tǒng)；TDOA(Time difference of Arrival)技術(shù)受限于超聲波傳播距離有限和NLOS問題對超聲波等信號的 傳播影響，超聲波通常傳播距離為6-9米；AOA(Angle of Arrival)也受外界環(huán)境影響，而 且需要額外硬件，在硬件尺寸和功耗上可能無法用于傳感器節(jié)點(diǎn)；T0F(Time of Flight)技 術(shù)是指通過測量單一節(jié)點(diǎn)對目標(biāo)的信號發(fā)送和接收時(shí)間差，計(jì)算出與目標(biāo)的距離。該算法 無需精確時(shí)間同步，且實(shí)現(xiàn)簡單，消耗硬件資源較少，適用于能量優(yōu)先的傳感器網(wǎng)絡(luò)，本發(fā) 明采用TOF技術(shù)進(jìn)行測距。
[0006] 三邊定位法是通過測量目標(biāo)點(diǎn)和三個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)之間的距離確定目標(biāo)點(diǎn)的絕對 或相對位置的過程。如圖1-2所示，目前常用的方法是最小二乘估計(jì)和基于幾何重心的方 法?；谧钚《斯烙?jì)的思想是使位置的聯(lián)合估計(jì)均方差最小，通過對其偏導(dǎo)，確定目標(biāo)的 估計(jì)值，然而在實(shí)際定位中，由于給定距離存在誤差，并不能真正讓三個(gè)圓交于一點(diǎn)，因此 在一些情況下存在較大的誤差?；趲缀沃匦牡姆椒ㄊ侵竿ㄟ^求解三個(gè)圓兩兩相交的交 點(diǎn)，對其連線構(gòu)建一個(gè)幾何多邊形，然后求其幾何多邊形的幾何重心即為目標(biāo)空間坐標(biāo)估 計(jì)值。該方法能夠減少由于測距不準(zhǔn)造成的誤差，且實(shí)現(xiàn)簡單，易于計(jì)算。然而，由于選取 的兩圓交點(diǎn)很可能與目標(biāo)點(diǎn)相差太遠(yuǎn)，從而增大了誤差。對這一問題，本發(fā)明提出了交點(diǎn)判 定算法的解決方案。
[0007] 綜上所述，目前定位主要問題還是基于現(xiàn)有硬件基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)廉價(jià)的高精度低功耗 的定位算法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 有鑒于此，本發(fā)明針對的問題是受限于信號的多徑傳播、視距等因素造成測距不 準(zhǔn)而帶來的兩圓交點(diǎn)很可能與目標(biāo)點(diǎn)相差太遠(yuǎn)，從而利用傳統(tǒng)三邊定位法帶來較大的定位 誤差，以至于無法滿足現(xiàn)實(shí)生活中定位精度需求；本發(fā)明提出一種基于交點(diǎn)判定的三邊定 位方法，該方法在確定兩圓交點(diǎn)的過程中，采用了交點(diǎn)判定準(zhǔn)則，利用該準(zhǔn)則能選取離目標(biāo) 較近的交點(diǎn)，該準(zhǔn)則操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)，能夠在不造成計(jì)算負(fù)擔(dān)的情況下，很好達(dá)到提高 定位精度的目的。
[0009] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0010] -種基于交點(diǎn)判定的三邊定位方法，具體過程為：
[0011] (一）從空間布設(shè)的N個(gè)錨節(jié)點(diǎn)中選擇3個(gè)作為參考節(jié)點(diǎn)；
[0012] (二）針對每一參考節(jié)點(diǎn)，以其所處位置為圓心，以其與所需定位的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)之間 的距離為半徑設(shè)圓；計(jì)算3個(gè)圓中任意兩圓之間的交點(diǎn)；
[0013] (三）從每一相交兩圓的交點(diǎn)中選定一交點(diǎn)作為三角形的頂點(diǎn)，選定準(zhǔn)則為：當(dāng)兩 圓之間只存在一個(gè)交點(diǎn)時(shí)，將該交點(diǎn)作為三角形的頂點(diǎn)，當(dāng)兩圓之間交點(diǎn)存在兩個(gè)時(shí)，判定 離第三個(gè)圓的圓周最近的交點(diǎn)為三角形的一個(gè)頂點(diǎn)；
[0014] (四）將由步驟（三）確定的三個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)成的三角形重心作為標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的位置估 計(jì)值；
[0015] (五）重新選擇3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，按照步驟（二）_(四）的方式計(jì)算標(biāo)簽 節(jié)點(diǎn)的位置估計(jì)值，直至所有參考節(jié)點(diǎn)的組合形式均被遍歷為止；
[0016] (六）計(jì)算所有標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)位置估計(jì)值的均值，并將其作為標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的最終位置，實(shí) 現(xiàn)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的定位。
[0017] 有益效果
[0018] 本發(fā)明提供的方法，以第三個(gè)圓為參考，通過對兩圓之間的兩交點(diǎn)進(jìn)行選取，使得 確定的三角形有更好的容錯(cuò)性，三角形重心更接近標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，從而可提高目標(biāo)坐標(biāo)的估計(jì) 精度，該選取方法計(jì)算簡單，易于實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0019] 圖1為理想情況下三邊定位法示意圖。
[0020] 圖2為基于重心法的三邊定位法示意圖。
[0021] 圖3為本發(fā)明基于交點(diǎn)判定的三邊定位方法的流程圖。
[0022] 圖4為錨節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)布局示意圖。
[0023] 圖5為本發(fā)明提出的三邊定位法和傳統(tǒng)的三邊定位法在不同錨節(jié)點(diǎn)數(shù)的定位結(jié) 果。
[0024] 圖6為本發(fā)明提出的三邊定位法和基于質(zhì)心穿透三邊定位法在不同錨節(jié)點(diǎn)數(shù)的 定位誤差。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合具體實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0026] 在標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)（目標(biāo)）定位功能啟動(dòng)時(shí)，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)向外發(fā)送請求；空間布設(shè)的銷節(jié)點(diǎn) 接收到來自標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)請求后，立即發(fā)送超寬帶脈沖信號給標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)；標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)接收到來自 錨節(jié)點(diǎn)的超寬帶脈沖信號后，立即將該超寬帶脈沖信號傳回給錨節(jié)點(diǎn)；錨節(jié)點(diǎn)計(jì)算信號的 飛行時(shí)間ToF，從而計(jì)算出與標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的距離Cl i，并儲存到硬件寄存器中；錨節(jié)點(diǎn)將分配給 自身的ID號i、距離Cli和位置信息（X i，yi) (i = 1，2,…）發(fā)送給網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)將收到的信息， 采用本發(fā)明提出的三邊定位法計(jì)算標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的位置，具體過程為，如圖3所示：
[0027] ( -）從空間布設(shè)的N個(gè)錨節(jié)點(diǎn)信息中選擇其中3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)。
[0028] (二）針對每一參考節(jié)點(diǎn)，以其所處位置為圓心，以其與標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)之間的距離為半 徑設(shè)圓；計(jì)算3個(gè)圓中任意兩圓之間的交點(diǎn)；具體過程為：
[0029] 設(shè)3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)與標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)之間的距離為(Ii，3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的位置為（Xi, y)，i = 1，2, 3 ;假設(shè)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（xt，yt)，則滿足如下方程。
[0030] (Xi-Xt)^(Yi-Y t)2= d /
[0031] 聯(lián)立其中兩個(gè)參考節(jié)點(diǎn)對應(yīng)（例如1，2)的方程，通過求解方程組，得到這兩個(gè)節(jié) 點(diǎn)對應(yīng)圓的交點(diǎn)（x 12，y12)和（Xi2'，yi,)。
[0032] (三）從每一相交兩圓的交點(diǎn)中選定一交點(diǎn)作為三角形的頂點(diǎn)，選定準(zhǔn)則為：當(dāng)兩 圓之間只存在一個(gè)交點(diǎn)時(shí)，將該交點(diǎn)作為三角形的頂點(diǎn)，當(dāng)兩圓之間交點(diǎn)存在兩個(gè)時(shí)，判定 離第三個(gè)圓的圓周最近的交點(diǎn)為三角形的一個(gè)頂點(diǎn)；
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于交點(diǎn)判定的三邊定位方法，其特征在于，具體過程為： (一） 從空間布設(shè)的N個(gè)錨節(jié)點(diǎn)中選擇3個(gè)作為參考節(jié)點(diǎn)； (二） 針對每一參考節(jié)點(diǎn)，以其所處位置為圓心，以其與所需定位的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)之間的距 離為半徑設(shè)圓；計(jì)算3個(gè)圓中任意兩圓之間的交點(diǎn)； (三） 從每一相交兩圓的交點(diǎn)中選定一交點(diǎn)作為三角形的頂點(diǎn)，選定準(zhǔn)則為：當(dāng)兩圓之 間只存在一個(gè)交點(diǎn)時(shí)，將該交點(diǎn)作為三角形的頂點(diǎn)，當(dāng)兩圓之間交點(diǎn)存在兩個(gè)時(shí)，判定離第 三個(gè)圓的圓周最近的交點(diǎn)為三角形的一個(gè)頂點(diǎn)； (四） 將由步驟（三）確定的三個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)成的三角形重心作為標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的位置估計(jì)值； (五） 重新選擇3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，按照步驟（二）-(四）的方式計(jì)算標(biāo)簽節(jié)點(diǎn) 的位置估計(jì)值，直至所有參考節(jié)點(diǎn)的組合形式均被遍歷為止； (六） 計(jì)算所有標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)位置估計(jì)值的均值，并將其作為標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的最終位置，實(shí)現(xiàn)標(biāo) 簽節(jié)點(diǎn)的定位。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于交點(diǎn)判定的三邊定位方法，具體過程為：選擇3參考節(jié)點(diǎn)；針對每一參考節(jié)點(diǎn)設(shè)圓，計(jì)算3個(gè)圓中任意兩圓之間的交點(diǎn)；從每一相交兩圓的交點(diǎn)中選定一交點(diǎn)作為三角形的頂點(diǎn)，選定準(zhǔn)則為：當(dāng)兩圓之間交點(diǎn)存在兩個(gè)時(shí)，判定離第三個(gè)圓的圓周最近的交點(diǎn)為三角形的一個(gè)頂點(diǎn)；三個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)成的三角形重心作為標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的位置估計(jì)值；計(jì)算每一參考節(jié)點(diǎn)組合情況的位置估計(jì)值；計(jì)算所有標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)位置估計(jì)值的均值，并將其作為標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的最終位置，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的定位。本發(fā)明以第三個(gè)圓為參考，通過對兩圓之間的兩交點(diǎn)進(jìn)行選取，使得確定的三角形有更好的容錯(cuò)性，三角形重心更接近標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，選取方法計(jì)算簡單，易于實(shí)現(xiàn)。
【IPC分類】G01S5-30, G01S5-14
【公開號】CN104793183
【申請?zhí)枴緾N201510194225
【發(fā)明人】鄧方, 李佳洪, 陳杰, 竇麗華, 關(guān)勝盤, 陳文頡, 白永強(qiáng)
【申請人】北京理工大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月22日