專利名稱：基于wsn技術(shù)的室內(nèi)三維精確定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感網(wǎng)的精確定位方法。
背景技術(shù)：
全球定位系統(tǒng)GPS (global position system)是目前應(yīng)用得最廣泛最成熟的定位、導(dǎo)航方法。通過衛(wèi)星的授時(shí)和測距對用戶節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，具有定位精度高、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是GPS定位、導(dǎo)航僅適應(yīng)于無遮擋的室外環(huán)境，用戶節(jié)點(diǎn)通常能耗高體積大，成本也比較高，需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN (wireless sensor network)不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速展開，抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)?？梢酝ㄟ^網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間的相互測距和信息交換，形成一套全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，可以形成經(jīng)濟(jì)可行的定位方案。部署在三維空間的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比于二維空間中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有更豐富的位置信息。通過三維定位算法獲得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的三維位置信息。因此，在區(qū)域與建筑物內(nèi)以及地下坑道等應(yīng)用的導(dǎo)航中，采用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為基礎(chǔ)的虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)與無線傳感網(wǎng)(WSN)三維定位技術(shù)相結(jié)合的方法，可以解決在沒有外部設(shè)施(如基站和衛(wèi)星)的情況下確定傳感節(jié)點(diǎn)的三維位置定位與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)航問題。當(dāng)無線信號在大氣環(huán)境中傳播時(shí)，由于多種因素影響，信號強(qiáng)度會(huì)隨著其傳播距離的增加而衰減。這表明，信號強(qiáng)度變化與傳播距離間存在著某種函數(shù)關(guān)系，且通常情況下傳感節(jié)點(diǎn)均可很容易配置測定接收信號強(qiáng)度的模塊。因此研究人員將RSSI技術(shù)用于傳感器節(jié)點(diǎn)定位中=RSSI是指通過接收到的信號強(qiáng)弱測定信號點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離，進(jìn)而根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位計(jì)算的一種定位技術(shù)，如無線傳感的ZigBee網(wǎng)絡(luò)CCM31芯片的定位引擎就采用的這種技術(shù)、算法。近年來，國際上出現(xiàn)了很多抑制和消除非視距誤差的文獻(xiàn)，提出了很多非視距環(huán)境下的定位算法，主要可概括為三類第一類是視距重構(gòu)算法，即根據(jù)測量參數(shù)的某些特征，判斷是否為視距傳輸，如果不是視距傳輸，利用某種規(guī)則，重構(gòu)視距環(huán)境下的測量值。 第二類是非視距加權(quán)，即對測量值進(jìn)行非視距判別，然后對接收信號進(jìn)行加權(quán)，加權(quán)規(guī)則是對視距信號添加大的權(quán)值，對非視距信號添加小的權(quán)值，從而減小非視距誤差對定位精度的影響。第三類是對接收信號進(jìn)行判決，選出視距傳播信號，采用視距信號進(jìn)行定位。1992年AT&T Laboratories Cambridge開發(fā)出室內(nèi)定位系統(tǒng)Active Badge至今， 研究者們一直致力于這一領(lǐng)域的研究。2004年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的馬祖長和孫怡寧，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位問題進(jìn)行了研究，提出了一種新的節(jié)點(diǎn)定位算法，該算法不需要任何額外的硬件支持，節(jié)點(diǎn)間通信開銷少。其對節(jié)點(diǎn)每跳距離的計(jì)算有利于解決節(jié)點(diǎn)的故障問題，提高節(jié)點(diǎn)的探測性能。現(xiàn)有技術(shù)存在以下問題
1、現(xiàn)有技術(shù)的定位精度一般為3—5米范圍，不能滿足應(yīng)用要求。2、對于傳感器網(wǎng)絡(luò)中的低能耗要求，沒有得到很好的解決。因?yàn)槊看味ㄎ欢家M(jìn)行大量的重復(fù)計(jì)算，致使計(jì)算量較大，浪費(fèi)時(shí)間和資源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了以低成本的方法，解決GPS等定位方法所難以解決的室內(nèi)或區(qū)域的定位問題?？梢詰?yīng)用在大型商場導(dǎo)購、大型建筑群(尋找特定辦公場所)以及專題區(qū)域、旅游景點(diǎn)導(dǎo)航等。其他如地下坑道定位，軍事、醫(yī)療、娛樂、制造業(yè)、教育、航天、通信、災(zāi)害報(bào)警等領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用前景。本發(fā)明的技術(shù)方案是基于WSN技術(shù)的室內(nèi)三維精確定位方法，其特征是通過以下方法實(shí)現(xiàn)WSN三維精確定位問題
1)在特定區(qū)域(或建筑物內(nèi)部、坑道內(nèi)部)按照一定規(guī)則部署已知位置的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)；
2)將已知位置的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃在一個(gè)三維相對坐標(biāo)系內(nèi)；
3)預(yù)先建立信號強(qiáng)度和坐標(biāo)值對應(yīng)的三維哈希表，生成查表用KEY值；
4)將特定區(qū)域(或建筑物內(nèi)部、坑道內(nèi)部)地圖按照可能的行走路線生成簡易三維路線
5)應(yīng)用無線傳感網(wǎng)時(shí)間同步算法使各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步；
6)通過不斷移動(dòng)的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與已部署的固定傳感網(wǎng)錨節(jié)點(diǎn)之間不斷交換信息，確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的三維位置；
7)多次接受錨節(jié)點(diǎn)信號并查三維哈希表后得到坐標(biāo)值后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；
8)通過已知位置的傳感網(wǎng)錨節(jié)點(diǎn)在三維相對坐標(biāo)系的位置與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的三維位置的計(jì)算得出計(jì)算結(jié)果的誤差；
9)對于所測出的三維位置結(jié)果，通過已知節(jié)點(diǎn)多次定標(biāo)修正、數(shù)據(jù)融合以及路徑回歸等方法來提高定位精度。10)根據(jù)簡易三維路線圖將定位結(jié)果修正到三維路線圖中的路線上； 11)記錄移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值。通過不斷循環(huán)測定，以及不斷將三維定位結(jié)果修正到三維路線圖上，即可以得出比較精確的位置坐標(biāo)，從而達(dá)到精確定位的結(jié)果。本發(fā)明也是通過接收到的信號強(qiáng)弱測定信號點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離，進(jìn)而根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位計(jì)算的一種定位技術(shù)。本發(fā)明方法避免了大量的重復(fù)性計(jì)算，減少了無線傳感器定位的能耗，同時(shí)提高了定位精度。本發(fā)明方法通過研究無線傳感器三維精確定位方案，采用了基于RSSI的三維哈希表和數(shù)據(jù)融合法、路徑回歸以及地圖修正來減小誤差，以提高定位精度并進(jìn)行驗(yàn)證。由于無線傳感器室內(nèi)定位的路線固定，范圍有限，所以采用事先生成簡易三維地圖，能夠很大程度上提高定位精度。本發(fā)明的有益效果是由于避免了很多次重復(fù)計(jì)算，而通過預(yù)先建立三維hash表查詢，大大減少了計(jì)算量，即節(jié)約了能源消耗。同時(shí)在多次測量得到多組三維坐標(biāo)后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和三維地圖路線修正，提高了整體的精度，可以使三維定位精度達(dá)到一米左右。


圖1是本發(fā)明流程示意圖。
具體實(shí)施例方式舉出一些實(shí)施例解釋實(shí)施本發(fā)明創(chuàng)造的具體技術(shù)方案和一些要求。在技術(shù)方案的基礎(chǔ)上對發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說明，盡量提出一些可能存在的技術(shù)方案，比如說筆可能有鋼筆、毛筆等技術(shù)存在。另外可以描述工作原理、怎么進(jìn)行使用操作等，如有附圖，請結(jié)合附圖詳細(xì)說明。如在政府行政中心辦公建筑群中的各部門、科室內(nèi)設(shè)置無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)； 手持附有無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的終端行走于政府行政中心辦公建筑群(的某建筑物)中，應(yīng)用下列方式，即可實(shí)現(xiàn)所在三維位置的定位。前期工作
1.按照一定規(guī)則部署已知位置的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，實(shí)地測量某特定室內(nèi)中無線傳感器移動(dòng)節(jié)點(diǎn)收到定節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度值(三維分布的，相對均勻)，建立基于RSSI的三維定位查詢表，該查詢表為信號強(qiáng)度與坐標(biāo)值對應(yīng)的三維hash表；
2.將已知位置的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃在一個(gè)三維相對坐標(biāo)系內(nèi)；
3.預(yù)先建立信號強(qiáng)度和坐標(biāo)值對應(yīng)的三維哈希表，生成查表用KEY值；
4.將特定區(qū)域(或建筑物內(nèi)部、坑道內(nèi)部)地圖按照可能的行走路線生成簡易三維路線
5.應(yīng)用無線傳感網(wǎng)時(shí)間同步算法使各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步；
6.通過不斷移動(dòng)的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與已部署的固定傳感網(wǎng)錨節(jié)點(diǎn)之間不斷交換信息，確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的三維位置；
7.多次接受錨節(jié)點(diǎn)信號并查三維哈希表后得到坐標(biāo)值后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，哈希表是根據(jù)關(guān)鍵碼值(Key value)而直接進(jìn)行訪問的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過把關(guān)鍵碼值映射到表中一個(gè)位置來訪問記錄，以加快查找的速度。這個(gè)映射函數(shù)叫做散列函數(shù)，存放記錄的數(shù)組叫做哈希表；
8.通過已知位置的傳感網(wǎng)錨節(jié)點(diǎn)在三維相對坐標(biāo)系的位置與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的三維位置的計(jì)算得出計(jì)算結(jié)果的誤差；
9.對于所測出的三維位置結(jié)果，通過已知節(jié)點(diǎn)多次定標(biāo)修正、數(shù)據(jù)融合以及路徑回歸等方法來提高定位精度；
10.根據(jù)簡易三維路線圖將定位結(jié)果修正到三維路線圖中的路線上；
11.記錄移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值。通過不斷循環(huán)測定，從而達(dá)到精確定位的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.基于WSN技術(shù)的室內(nèi)三維精確定位方法，其特征是通過以下方法實(shí)現(xiàn)WSN室內(nèi)三維精確定位1)、在特定區(qū)域部署已知位置的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)；2)、將已知位置的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃在一個(gè)三維相對坐標(biāo)系內(nèi)；3)、預(yù)先建立信號強(qiáng)度和坐標(biāo)值對應(yīng)的三維哈希表，生成查表用KEY值；4)、將特定區(qū)域地圖按照可能的行走路線生成簡易三維路線圖；5)、應(yīng)用無線傳感網(wǎng)時(shí)間同步算法使各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步；6)、通過不斷移動(dòng)的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與已部署的固定傳感網(wǎng)錨節(jié)點(diǎn)之間不斷交換信息， 確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的三維位置；7)、多次接受錨節(jié)點(diǎn)信號并查三維哈希表后得到坐標(biāo)值后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；8)、通過已知位置的傳感網(wǎng)錨節(jié)點(diǎn)在三維相對坐標(biāo)系的位置與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的三維位置的計(jì)算得出計(jì)算結(jié)果的誤差；9)、對于所測出的三維位置結(jié)果，通過已知節(jié)點(diǎn)多次定標(biāo)修正、數(shù)據(jù)融合以及路徑回歸等方法來提高定位精度；10)、根據(jù)簡易三維路線圖將定位結(jié)果修正到三維路線圖中的路線上；11)、記錄移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值；通過不斷循環(huán)測定，以及不斷將三維定位結(jié)果修正到三維路線圖上，即得出精確的位置坐標(biāo)。
全文摘要
基于WSN技術(shù)的室內(nèi)三維精確定位方法，以下方法實(shí)現(xiàn)WSN室內(nèi)三維精確定位1)、在特定區(qū)域部署已知位置的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)；2)、將已知位置的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃在一個(gè)三維相對坐標(biāo)系內(nèi)；3)、預(yù)先建立信號強(qiáng)度和坐標(biāo)值對應(yīng)的三維哈希表，生成查表用KEY值；4)、將特定區(qū)域地圖按照可能的行走路線生成簡易三維路線圖；5)、應(yīng)用無線傳感網(wǎng)時(shí)間同步算法使各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步；6)、通過不斷移動(dòng)的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與已部署的固定傳感網(wǎng)錨節(jié)點(diǎn)之間不斷交換信息，確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的三維位置；7)、多次接受錨節(jié)點(diǎn)信號并查三維哈希表后得到坐標(biāo)值后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；通過不斷循環(huán)測定，不斷將三維定位結(jié)果修正到三維路線圖上，得出精確位置坐標(biāo)。
文檔編號H04W84/18GK102215565SQ201110157488
公開日2011年10月12日 申請日期2011年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月13日
發(fā)明者陳國慶, 陳逸宇 申請人:蘇州兩江科技有限公司