基于rssi和慣性測(cè)量的室內(nèi)多目標(biāo)的定位系統(tǒng)和方法
【專利摘要】一種基于RSSI和慣性測(cè)量的室內(nèi)多目標(biāo)的定位系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)設(shè)有三個(gè)組成部件：定位服務(wù)器、定位錨節(jié)點(diǎn)和定位器，它將接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI與慣性測(cè)量?jī)煞N方法的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，再對(duì)定位錨節(jié)點(diǎn)和定位器的位置執(zhí)行動(dòng)態(tài)修正，能夠減小系統(tǒng)定位誤差、提高系統(tǒng)定位精度，增加系統(tǒng)定位的穩(wěn)定性。本發(fā)明利用遞增式定位過程中錨節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)固定的特點(diǎn)，通過增加測(cè)量時(shí)間和降低環(huán)境偶然因素對(duì)RSSI的影響，提高錨節(jié)點(diǎn)RSSI測(cè)量精度。在定位測(cè)量過程中，使用新的測(cè)距信號(hào)值對(duì)每一級(jí)錨節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行周期修正，增加定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。而且，使用RSSI傳播模型和慣性測(cè)量?jī)煞N方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合定位，能夠綜合兩者之長(zhǎng)，具有更好的定位精度。
【專利說明】基于RSSI和慣性測(cè)量的室內(nèi)多目標(biāo)的定位系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種解決室內(nèi)環(huán)境的定位技術(shù)，確切地說，涉及一種基于RSSI和慣性 測(cè)量的室內(nèi)多目標(biāo)的定位系統(tǒng)和方法，屬于室內(nèi)定位的【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 無線室內(nèi)定位技術(shù)因其在室內(nèi)導(dǎo)航、軌跡追蹤、移動(dòng)辦公、緊急事件位置通報(bào)等方 面都具有廣闊應(yīng)用的前景，成為Google、Foursquare等互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供商和中國(guó)移動(dòng)、中 國(guó)電信等移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的戰(zhàn)略發(fā)展重點(diǎn)，并成為如今移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中必不可少的一部分。 GPS因其成本高昂、搜星速度慢，以及受障礙物阻擋無法定位等問題，不適合直接用于室內(nèi) 定位，必需尋找其他替代方法。室內(nèi)定位的研究起源于1990s年代，目前的室內(nèi)定位的研究 包括GSM定位，紅外線定位（Active Badge),超聲波定位（Cricket System和Active Bat), 超寬帶（UWB)定位，無線射頻識(shí)別（RFID)定位（LANDMARK)等等。本發(fā)明使用的定位技術(shù) 包括：接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI (Receive Signal Strength Indicator)傳播模型定位技術(shù) 和慣性測(cè)量定位技術(shù)。下面，首先簡(jiǎn)介這兩種技術(shù)背景情況：
[0003] ( -）RSSI傳播模型定位是一種經(jīng)典的定位算法，因其計(jì)算簡(jiǎn)單，故在目前無線定 位系統(tǒng)中仍然有著廣泛應(yīng)用。該方法是通過傳播模型間接得到信號(hào)發(fā)送點(diǎn)和接收點(diǎn)之間的 距離，再利用幾何關(guān)系確定目標(biāo)的位置。
[0004] 無線信號(hào)的接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI和信號(hào)的傳輸距離的關(guān)系可以簡(jiǎn)略表示為：RSSI =-(A+10nlgd)+pt ;其中，A是信號(hào)傳播Im時(shí)的RSSI值，η是路徑衰減因子，d是發(fā)送端和 接收端之間距離，Pt是服從均值為0的高斯分布的影響因子。根據(jù)上述公式，忽略pt項(xiàng)， 由接收端的RSSI值可以計(jì)算得到接收端與發(fā)送端的距離d。
[0005] 下面說明RSSI傳播模型法的在三維空間的定位過程。
[0006] 在三維空間中，未知節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)其與4個(gè)不共面鄰居參考節(jié)點(diǎn)之 間的距離信息確定自身的坐標(biāo)。假設(shè)未知節(jié)點(diǎn)E(x，y，z)根據(jù)與4個(gè)不共 面的鄰居參考節(jié)點(diǎn)六(1 1，71，21)、8(12,72,2 2)、（^3,73,23)和0(14,7 4,24)之間 的距離分別為屯，d2, d3, d4。即：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于接收信號(hào)強(qiáng)度指不RSSI (Receive Signal Strength Indicator)和慣性 測(cè)量的室內(nèi)多目標(biāo)的定位系統(tǒng)，其特征在于：所述系統(tǒng)是融合RSSI和慣性測(cè)量?jī)煞N測(cè)量方 法的定位數(shù)據(jù)，并對(duì)定位錨節(jié)點(diǎn)和定位器的位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，使得系統(tǒng)定位誤差減小和 增加系統(tǒng)定位的穩(wěn)定性；該系統(tǒng)設(shè)有三個(gè)組成部件：定位服務(wù)器、定位錨節(jié)點(diǎn)和定位器，其 中： 定位服務(wù)器，負(fù)責(zé)根據(jù)定位錨節(jié)點(diǎn)和定位器發(fā)來的定位測(cè)量信息，計(jì)算定位錨節(jié)點(diǎn)和 定位器的位置，并把定位結(jié)果通過定位錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送給定位器；設(shè)有四個(gè)組成模塊：通信接 口、系統(tǒng)定位模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊； 定位錨節(jié)點(diǎn)，作為定位服務(wù)器與定位器的雙向通信路徑的中繼節(jié)點(diǎn)，既負(fù)責(zé)將定位服 務(wù)器的操作指令發(fā)送給定位器；同時(shí)還用于為定位器定位時(shí)提供位置參考數(shù)據(jù)，執(zhí)行測(cè)量 操作，并向定位服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)定位結(jié)果數(shù)據(jù)；定位錨節(jié)點(diǎn)根據(jù)其放置的先后順序區(qū)分為多種 等級(jí)的錨節(jié)點(diǎn)：位置已知的定位錨節(jié)點(diǎn)是初始錨節(jié)點(diǎn)，一級(jí)錨節(jié)點(diǎn)、二級(jí)錨節(jié)點(diǎn)和后續(xù)相應(yīng) 等級(jí)的錨節(jié)點(diǎn)；該定位系統(tǒng)是根據(jù)上一級(jí)錨節(jié)點(diǎn)的位置計(jì)算確定下一級(jí)錨節(jié)點(diǎn)的位置：先 根據(jù)初始錨節(jié)點(diǎn)的位置計(jì)算得到一級(jí)錨節(jié)點(diǎn)的位置，再根據(jù)一級(jí)錨節(jié)點(diǎn)的位置計(jì)算得到二 級(jí)錨節(jié)點(diǎn)的位置，依次類推，組成多級(jí)錨節(jié)點(diǎn)；每個(gè)定位錨節(jié)點(diǎn)分別設(shè)有三個(gè)組成模塊：通 信接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和RSSI測(cè)量模塊； 定位器，負(fù)責(zé)采集RSSI數(shù)據(jù)和慣性測(cè)量數(shù)據(jù)，并發(fā)送給定位服務(wù)器，以及接收和顯示 定位服務(wù)器的定位結(jié)果；設(shè)有四個(gè)組成模塊：通信接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、傳感器模塊和顯示 模塊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于：所述定位服務(wù)器各個(gè)組成部件功能如 下： 通信接口，作為定位服務(wù)器的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的通信接口，使用WLAN通信協(xié)議保持與 定位器和定位錨節(jié)點(diǎn)的交互通信，完成定位數(shù)據(jù)的收發(fā)功能；定位服務(wù)器與定位器的雙向 通信路徑都是以定位錨節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)； 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信模塊接收到的定位信息和系統(tǒng)定位模塊計(jì)算生成的 各節(jié)點(diǎn)的位置信息，以供其他模塊調(diào)用； 系統(tǒng)定位模塊，用于根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的定位信息，運(yùn)行定位算法，計(jì)算得到各個(gè)節(jié)點(diǎn) 的位置信息，然后傳遞給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊； 信息顯示模塊，負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中讀取定位信息，并向用戶顯示。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于：所述定位錨節(jié)點(diǎn)的三個(gè)組成部件功能如 下： 通信接口，用作定位錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的通信接口，使用WLAN通信協(xié)議分別保 持與定位服務(wù)器和定位器的通信交互，完成定位信息的收發(fā)功能； 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信模塊接收到的定位信息和RSSI測(cè)量模塊計(jì)算生成 的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的RSSI測(cè)量位置信息，以供其他模塊調(diào)用； RSSI測(cè)量模塊，負(fù)責(zé)采集統(tǒng)計(jì)接收到的來自其他定位錨節(jié)點(diǎn)RSSI信息。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于：所述定位器的四個(gè)組成部件功能如下： 通信接口，用作定位器的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的通信接口，使用WLAN通信協(xié)議分別與定位 服務(wù)器器和定位錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互通信，完成定位信息的收發(fā)功能； 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信模塊接收到的定位信息和RSSI測(cè)量模塊計(jì)算生成 的各節(jié)點(diǎn)的RSSI測(cè)量信息； 傳感器，設(shè)有兩個(gè)組件：RSSI測(cè)量單元和慣性測(cè)量單元，分別采集定位器的相應(yīng)位置 信息：RSSI測(cè)量單元負(fù)責(zé)采集與統(tǒng)計(jì)接收到的來自其他定位錨節(jié)點(diǎn)RSSI信息；慣性測(cè)量 模塊負(fù)責(zé)采集定位器自身測(cè)量得到的包括：移動(dòng)步長(zhǎng)、移動(dòng)步數(shù)、移動(dòng)方向角的多種運(yùn)動(dòng)信 息； 信息顯示模塊，用于從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中讀取定位信息，并向用戶顯示定位器的當(dāng)前位 置和運(yùn)動(dòng)軌跡。
5. -種采用權(quán)利要求1所述室內(nèi)多目標(biāo)的定位系統(tǒng)的多目標(biāo)定位方法，其特征在于： 將接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI與慣性測(cè)量的兩種測(cè)量方法的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，再對(duì)定位錨 節(jié)點(diǎn)和定位器的位置執(zhí)行動(dòng)態(tài)修正，以提高系統(tǒng)的定位精度和增加系統(tǒng)定位的穩(wěn)定性；所 述方法包括下列操作步驟： 步驟1，設(shè)置定位錨節(jié)點(diǎn)的初始位置：開始定位時(shí)，首先在定位服務(wù)器中設(shè)置定位錨節(jié) 點(diǎn)的初始位置，再在定位開始前，先將已知的起始錨節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)輸入到定位服務(wù)器中， 并根據(jù)初始錨節(jié)點(diǎn)的位置逐級(jí)計(jì)算得到后面各級(jí)的定位錨節(jié)點(diǎn)的位置； 步驟2,定位移動(dòng)的目標(biāo)：當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)一段距離后，放置在該目標(biāo)上的定位器把接收到 的RSSI值和本身的慣性測(cè)量參數(shù)發(fā)送給定位服務(wù)器，定位服務(wù)器以定位器接收到的RSSI 數(shù)值中最大的前k個(gè)錨節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，結(jié)合慣性測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)定位器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合定 位；其中，自然數(shù)k應(yīng)大于等于4。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于：所述步驟2中，利用定位器接收到的RSSI 數(shù)值中最大的前k個(gè)錨節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，結(jié)合慣性測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)定位器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合定 位的方法是通過系數(shù)加權(quán)，按照下述公式： (X，y, z) = X Q(Xl，yD zj + Q-X Q) (xK, yK, zK)計(jì)算得到未知節(jié)點(diǎn)的三維空間的位置坐標(biāo) (x，y，z);其中，（Xl，yi，Zl)為根據(jù)慣導(dǎo)測(cè)量通過行人航跡推算算法計(jì)算的節(jié)點(diǎn)三維空間位 置，（? yK，zK)為采用RSSI傳播模型定位計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)三維空間位置，入^是慣導(dǎo)測(cè)量位 置坐標(biāo)（XiJdZi)的固定權(quán)重系數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于：所述步驟2中的結(jié)合慣性測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)定 位器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合定位的方法包括下列操作內(nèi)容： (21)因三維空間中，未知節(jié)點(diǎn)E(x，y，z)根據(jù)其與4個(gè)不共面的鄰居參考節(jié)點(diǎn) A(X1, Y1, Z1)、B (x2, y2, z2)、C(x3, y3, Z3)和D (x4, y4, Z4)之間的距離信息確定自身三維空間坐 標(biāo)的公式為：設(shè)該四個(gè)不共面的鄰居節(jié)點(diǎn)分別O^ypzi)到未知節(jié)點(diǎn)E(x，y，z)的距離為
共面的四個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)序號(hào)，故其取值分別為：1、2、3和4 ;
可轉(zhuǎn)換為：Q 9 = b，得到最小二乘解j = 切/);其中，ri、Q、b都是公式計(jì)算推導(dǎo)過 程的中間變量，4是用最小二乘法計(jì)算得到的未知節(jié)點(diǎn)E (x，y，z)的位置坐標(biāo)；且當(dāng)RSSI測(cè) 量準(zhǔn)確度越高時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間的距離計(jì)算就會(huì)越精確，傳播模型法的定位精度也越高； (23) 增加和記錄新錨節(jié)點(diǎn)的位置：若錨節(jié)點(diǎn)的總數(shù)量小于系統(tǒng)允許的最大值S時(shí)，則 在測(cè)量目標(biāo)的當(dāng)前所在位置設(shè)置新的錨節(jié)點(diǎn)，并記錄新增的錨節(jié)點(diǎn)位置，錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目加1 ; (24) 修正錨節(jié)點(diǎn)RSSI測(cè)量值：從一級(jí)錨節(jié)點(diǎn)開始，采用中位值濾波算法逐級(jí)對(duì)每一級(jí) 定位錨節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)RSSI值進(jìn)行修正； (25) 修正錨節(jié)點(diǎn)位置：使用步驟（24)修正后的RSSI值，根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)位置修正算法逐 級(jí)對(duì)各級(jí)錨節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行修正； (26) 定位服務(wù)器判斷是否接收到終止定位測(cè)量的指令，若接收到，則退出定位，結(jié)束定 位全部流程；否則，返回步驟2,繼續(xù)執(zhí)行下一輪定位操作。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于：所述步驟（24)中，中位算法濾波算法是 采集N個(gè)有效的RSSI值后，將該N個(gè)RSSI值按照數(shù)值大小順序排列，選取其中位于正中間 的RSSI值作為濾波輸出，S卩：錨節(jié)點(diǎn)的第n次RSSI修正時(shí)獲得的中位值RSSImedn = MecKRS SI1, RSSI2, RSSI3, ....，RSSIn);其中，自然數(shù)N為奇數(shù)；若采集的樣本數(shù)量越大，中位值濾波 方法就越能有效克服偶然因素引起的波動(dòng)干擾。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于：所述步驟（25)中，錨節(jié)點(diǎn)位置修正算 法的計(jì)算公式為：通過系數(shù)加權(quán)，第n次修正后錨節(jié)點(diǎn)Zn的位置三維空間坐標(biāo)（xn，yn，z n) =〇。+￡ (n)) (X1, Z1) +(1-入。-e (n)) (Xsn, ;式中，（XiJdZ i)是使用航跡計(jì)算 得到的錨節(jié)點(diǎn)的三維空間位置坐標(biāo)，（xKn，yKn，Z1J為根據(jù)第n次修正后的信號(hào)接收強(qiáng)度 值RSSIni6dn和傳播模型法計(jì)算得到的錨節(jié)點(diǎn)的三維空間位置坐標(biāo)，A ^是慣導(dǎo)測(cè)量坐標(biāo) (Xl，yi，Z1)的固定權(quán)重系數(shù)，附加權(quán)重系數(shù)函數(shù)e (n)是關(guān)于RSSI測(cè)量次數(shù)n為變量的減 函數(shù)，且e (n)〈l_入
【文檔編號(hào)】H04W64/00GK104333903SQ201410474704
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】冉靜, 袁東明, 胡鶴飛, 高錦春, 謝剛, 劉元安, 劉宇杰, 田亮亮, 尚穎, 周赟 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)