一種基于無(wú)線信號(hào)數(shù)據(jù)融合的室內(nèi)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及室內(nèi)定位方法，屬于移動(dòng)計(jì)算和信號(hào)處理交叉技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉 及一種基于無(wú)線信號(hào)數(shù)據(jù)融合的室內(nèi)定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大規(guī)模室內(nèi)環(huán)境的定位方法力求通過(guò)不同的無(wú)線信號(hào)技術(shù)，利用相應(yīng)的距離計(jì)算 方法，在大規(guī)模室內(nèi)環(huán)境中，對(duì)待定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行快速、高效的精準(zhǔn)定位，從而得到精確的物 體坐標(biāo)。
[0003] 目前的室內(nèi)定位算法都是基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（WirelessFidelity,Wi-Fi)、 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork,WSN)、射頻識(shí)別（RadioFrequency Identification,RFID)、藍(lán)牙（Bluetooth)以及超寬帶（UltraWideBand,UWB)等無(wú)線技 術(shù)中的一種。利用一些典型的定位算法，諸如SPA(self-positioningalgorithm)相對(duì)定 位算法，凸規(guī)劃定位算法，DV-Hop定位算法、DV-distance定位算法，MDS-MAP定位算法等。 再根據(jù)算法要求，利用三邊測(cè)量，三角測(cè)量等坐標(biāo)測(cè)算方法計(jì)算得到待定坐標(biāo)。
[0004] 室內(nèi)定位算法的性能指標(biāo)有定位精度、時(shí)間開銷、定位實(shí)時(shí)性、算法復(fù)雜度等。其 中，定位精度是室內(nèi)定位算法的關(guān)鍵指標(biāo)。一些利用單一無(wú)線技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)定位的方法在 理論上可預(yù)見較高的定位精度，但這些算法大多都有使用前提條件：有的要求待定位節(jié)點(diǎn) 必須與已知節(jié)點(diǎn)直接相鄰，使得已知節(jié)點(diǎn)密度過(guò)高；有的過(guò)度依賴于網(wǎng)絡(luò)部署條件，例如 DV-Hop定位算法和DV-distance定位算法僅適用于密集部署的各向同性網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，這些 室內(nèi)定位方法的定位精度依賴于其應(yīng)用的定位技術(shù)，以Wi-Fi定位技術(shù)為例：當(dāng)所部署的 Wi-Fi設(shè)備都能夠正常運(yùn)行時(shí)，結(jié)合優(yōu)秀的定位方法能夠獲得較好的定位精度，不過(guò)一旦 Wi-Fi設(shè)備發(fā)生異常甚至無(wú)法工作時(shí)，將嚴(yán)重影響定位方法的定位效果，大大降低室內(nèi)定位 的定位精度，甚至出現(xiàn)無(wú)法進(jìn)行定位的情況，魯棒性較差。可見，僅僅考慮單一無(wú)線技術(shù)在 室內(nèi)環(huán)境的定位是不足的，特別是在諸如博物館，機(jī)場(chǎng)候機(jī)廳，商業(yè)中心等環(huán)境復(fù)雜的大型 室內(nèi)定位場(chǎng)景，其中人員眾多，人流量大，在需要較高定位精度的同時(shí)還需要提供實(shí)時(shí)的室 內(nèi)定位服務(wù)，這樣就不得不解決定位方法的魯棒性問題。
[0005][0006][0007] 現(xiàn)有技術(shù)大都沒有解決內(nèi)噪聲對(duì)定位精度的影響以及定位盲區(qū)問題，也不能給出 一個(gè)直觀的關(guān)于定位位置周圍環(huán)境的描述。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0009] 一種基于無(wú)線信號(hào)數(shù)據(jù)融合的室內(nèi)定位方法，將Wi-Fi信號(hào)和RFID信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù) 融合，再針對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行室內(nèi)定位，其步驟如下：
[0010] 步驟一：在室內(nèi)定位前，將Wi-Fi路由器呈近似正三角的形式分布在室內(nèi)環(huán)境中， 將RFID按需部署在室內(nèi)固定物上；
[0011] 步驟二：在室內(nèi)定位過(guò)程中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)不同的無(wú)線信號(hào)覆蓋情況，可分為只能 接收到Wi-Fi信號(hào)，只能接收到RFID信號(hào)以及Wi-Fi和RFID信號(hào)均能接收到這三種不同 的定位情況進(jìn)行定位；
[0012] 步驟三：根據(jù)這三種不同的定位情況，利用卡爾曼濾波器對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到的無(wú) 線信號(hào)進(jìn)行自循環(huán)迭代處理，分別得到相應(yīng)的接收信號(hào)強(qiáng)度（ReceivedSignalStrength Indication,RSSI)值；
[0013] 步驟四：最終，根據(jù)得到的RSSI值，結(jié)合三邊測(cè)量的方法得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的室內(nèi)定 位坐標(biāo)，其中，當(dāng)針對(duì)Wi-Fi信號(hào)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行三邊測(cè)量時(shí)，選取能夠形成近似正三角形 的Wi-Fi路由器組進(jìn)行三邊測(cè)量計(jì)算。
[0014] 所述的定位前已知節(jié)點(diǎn)的部署情況，將Wi-Fi節(jié)點(diǎn)呈近似等邊三角形的方式進(jìn) 行部署，而不采用規(guī)則的、均勻的網(wǎng)格狀節(jié)點(diǎn)部署方式，將RFID標(biāo)簽按需部署在室內(nèi)固定 物上，并在室內(nèi)場(chǎng)景的角落，距離Wi-Fi節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置，以及人流量較大的地方額外部署 RFID標(biāo)簽；
[0015] 所述的定位情況，即此時(shí)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)只能接收到Wi-Fi信號(hào)；假設(shè)一共能接收n個(gè) Wi-Fi節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，以3個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能接收到信號(hào)的Wi-Fi節(jié)點(diǎn)為一組，篩選出所有能組成 近似等邊三角形的Wi-Fi節(jié)點(diǎn)組，共有n'組。對(duì)所有Wi-Fi信號(hào)的RSSI值用卡爾曼濾波 器進(jìn)行處理，用三邊測(cè)量的方法，分別根據(jù)符合等邊三角形分布的n'組Wi-Fi節(jié)點(diǎn)和其他 '組Wi-Fi節(jié)點(diǎn)計(jì)算出估計(jì)坐標(biāo)（x/，y/)和（Xi,yj，然后對(duì)所有坐標(biāo)求均值，得到定 位坐標(biāo)（X，y);
[0016] 所述的定位情況，即此時(shí)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)只能接收到RFID信號(hào)；不妨設(shè)接收到m個(gè)RFID 信號(hào)，則根據(jù)卡爾曼濾波器處理過(guò)的RSSI值，應(yīng)用三邊測(cè)量定位的方法對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位 置計(jì)算，得到坐標(biāo)值UpyP，最后對(duì)求得的坐標(biāo)值取平均值，得到定位坐標(biāo)（x，y);
[0017] 所述的定位情況，即此時(shí)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)既能接收到Wi-Fi信號(hào)又能接收到RFID信號(hào)； 根據(jù)經(jīng)由卡爾曼濾波器處理的RFID信號(hào)的RSSI值，用三邊測(cè)量定位的方法對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn) 行位置估算，得到基于RFID信號(hào)的位置估算坐標(biāo)（x"，y")，再篩選出所有近似正三角 形的Wi-Fi節(jié)點(diǎn)組，用卡爾曼濾波器處理后的RSSI值進(jìn)行三邊測(cè)量計(jì)算，得到基于Wi-Fi 信號(hào)的位置估算坐標(biāo)（X'，y'），然后將上述兩個(gè)坐標(biāo)取平均值，得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位坐標(biāo) (x,y)；
[0018] 對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到的無(wú)線信號(hào)均要利用卡爾曼濾波器進(jìn)行處理，將接收到的RSSI 初始值代入卡爾曼濾波器的自循環(huán)迭代過(guò)程，然后根據(jù)處理過(guò)的RSSI值，利用三邊測(cè)量方 法計(jì)算得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位坐標(biāo)。
[0019] 對(duì)于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的室內(nèi)定位結(jié)果包含了兩個(gè)部分，一個(gè)是具體的坐標(biāo)值，另一個(gè)是 具體的位置描述信息。
[0020] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0021] 1、在利用Wi-Fi和RFID的數(shù)據(jù)融合進(jìn)行位置定位前，首先利用濾波優(yōu)化算法對(duì) 接收得到的無(wú)線信號(hào)RSSI值進(jìn)行降噪處理，再根據(jù)三邊測(cè)量計(jì)算方法，采用經(jīng)降噪處理的 RSSI值計(jì)算出位置坐標(biāo)，從而提高室內(nèi)定位精度。并且，由于無(wú)線信號(hào)經(jīng)由濾波優(yōu)化算法處 理，即使Wi-Fi和RFID兩種無(wú)線技術(shù)中的一種因設(shè)備原因無(wú)法正常工作，另外一種無(wú)線技 術(shù)仍可以提供實(shí)時(shí)的室內(nèi)定位服務(wù)，魯棒性較強(qiáng)。
[0022] 2、Wi-Fi路由器以近似正三角形的方式部署在整個(gè)定位環(huán)境中，RFID標(biāo)簽按需部 署，在有更高的定位精度要求或者室內(nèi)噪聲較高的區(qū)域進(jìn)行RFID標(biāo)簽的密集部署，靈活性 高，能夠根據(jù)定位要求有針對(duì)性地快速提高局域定位精度。另外，在室內(nèi)定位環(huán)境的邊角 處，如墻角、室內(nèi)拐角、窗口等以及距離Wi-Fi路由器的遠(yuǎn)端位置也部署RFID標(biāo)簽，避免因 Wi-Fi通信距離限制或室內(nèi)噪聲變化所引起的定位盲區(qū)的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)定位環(huán)境中定位網(wǎng)絡(luò) 的全覆蓋。
[0023] 3、利用RFID標(biāo)簽可存儲(chǔ)少量數(shù)據(jù)的特性，在定位前分別將用于部署在不同物體 上的RFID標(biāo)簽中的存儲(chǔ)信息錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，將RFID標(biāo)簽的位置信息和相應(yīng)的被部署物體的 基本信息有機(jī)結(jié)合，進(jìn)行具象化定位。在進(jìn)行室內(nèi)定位時(shí)，不但可以得到待定位物體的室內(nèi) 定位坐標(biāo)，還可以得到直觀的室內(nèi)物品的位置信息，如：待定位者M(jìn)的定位坐標(biāo)為（5,21)，M 位于在唐三彩展柜旁。
[0024] 4、本發(fā)明的基于無(wú)線信號(hào)數(shù)據(jù)融合的室內(nèi)定位思想可以拓展到其他的有效通信 距離相差較大的兩個(gè)或幾個(gè)室內(nèi)定位技術(shù)的融合應(yīng)用中去（如Zigbee和RFID融合定位， Wi-Fi和低功耗藍(lán)牙技術(shù)融合定位等），具有一定的普適性。并且本發(fā)明減少了Wi-Fi接入 設(shè)備的使用，加入了廉價(jià)的RFID標(biāo)簽，進(jìn)而在保持定位精度的同時(shí)降低了設(shè)備成本。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為卡爾曼濾波器預(yù)測(cè)方塊圖
[0026] 圖2為本發(fā)明適用的大型博物館的定位場(chǎng)景圖。