一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)高精度定位方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)高精度定位方法，其特征在于，包括如下步驟：設(shè)置一組錨節(jié)點，并選擇適當(dāng)?shù)奈恢米鳛樽鴺?biāo)原點o，建立原點坐標(biāo)系xoz,計算各個錨節(jié)點相對于坐標(biāo)原點o的相對極坐標(biāo)(r,δ)，每個錨節(jié)點上設(shè)置有一組紅外攝像頭，計算各個紅外攝像頭的方向信息，將各個相對極坐標(biāo)和紅外攝像頭方向信息錄入對應(yīng)的錨節(jié)點主控模塊，被測節(jié)點上設(shè)置兩個紅外發(fā)光模塊。本方法對無線傳感網(wǎng)定位參考坐標(biāo)獲取這一核心為題提供低成本高精度的解決方案，對于無線傳感網(wǎng)機近距離無線通信高精度定位系統(tǒng)研究具有重要的參考價值。
【專利說明】
-種無線傳感網(wǎng)絡(luò)高精度定位方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位領(lǐng)域，具體地講，設(shè)及一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)高精度定 位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感網(wǎng)（WSN)中的節(jié)點定位是WSN眾多研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是一個研究熱 點。為了評價定位算法，我們需要獲取高精度的參考坐標(biāo)，采用普通的GPS定位方法定位精 度能夠達到2米W內(nèi)，對于一些高精度定位而言不能滿足需求;雖然通過差分GPS方法可W 達到非常高的精度，但是運種方法花費極大，更重要的是GPS技術(shù)室內(nèi)無法完成定位，而無 線定位的試驗環(huán)境很多時候是在室內(nèi)或半開放環(huán)境下，因此我們需要一種通用、廉價、便捷 的參考坐標(biāo)提供系統(tǒng)和方法，攝像定位系統(tǒng)可W實現(xiàn)高精度的物體定位，但是通常運些系 統(tǒng)需要非常復(fù)雜的圖像處理算法、圖像識別技術(shù)及強大的處理器來進行圖像分析處理，要 求很強的專業(yè)知識，開發(fā)難度大，我們設(shè)計了一種不同于傳統(tǒng)攝像定位方法的低復(fù)雜度攝 像實時定位系統(tǒng)，過濾掉無關(guān)的信息，能夠用簡單的算法實現(xiàn)較精度的實時定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)高精度定位方法，能夠用簡單 的算法實現(xiàn)較精度的實時定位。
[0004] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)發(fā)明目的：
[0005] -種無線傳感網(wǎng)絡(luò)高精度定位方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0006] (1)設(shè)置一組錯節(jié)點，并選擇適當(dāng)?shù)奈恢米鳛樽鴺?biāo)原點0,建立原點坐標(biāo)系XOZ，計 算各個錯節(jié)點相對于坐標(biāo)原點O的相對極坐標(biāo)(r，S)，每個錯節(jié)點上設(shè)置有一組紅外攝像 頭，計算各個紅外攝像頭的方向信息，將各個相對極坐標(biāo)和紅外攝像頭方向信息錄入對應(yīng) 的錯節(jié)點主控模塊，被測節(jié)點上設(shè)置兩個紅外發(fā)光模塊；
[0007] (2)首先進行預(yù)測量操作，將兩個間距為d紅外發(fā)光模塊豎直放置，其中位置較低 的紅外發(fā)光模塊與錯節(jié)點的紅外攝像頭同高的位置，分別用紅外攝像頭拍攝距離紅外發(fā)光 模塊不同設(shè)定距離時的紅外圖像，并求得每個紅外圖像的兩個紅外發(fā)光模塊間的像素點數(shù) 存入距離參考緩沖區(qū)DisRef [i]，緩沖區(qū)格式如下：Dref [i]、nref[i]，其中，Dref [i]表示不 同設(shè)定距離，nref[i]表示不同設(shè)定距離對應(yīng)的兩個紅外發(fā)光模塊之間的像素點數(shù)，距離參 考緩沖區(qū)DisRefti]按照由大到小的順序進行存儲；
[000引（3)其中一個錯節(jié)點自動成為主節(jié)點，每5秒鐘在發(fā)送時隙TO發(fā)送一次系統(tǒng)同步指 令SYSSYNC，其他錯節(jié)點在自己對應(yīng)的錯節(jié)點時隙化發(fā)送應(yīng)答無線數(shù)據(jù)包ACKSYSSYNC，被測 節(jié)點在終端節(jié)點時隙Tt發(fā)送應(yīng)答無線數(shù)據(jù)包TACKSYSSYNC，如果主節(jié)點收到應(yīng)答無線數(shù)據(jù) 包ACKSYSSYNC和TACKSYSSYNC，則轉(zhuǎn)步驟(4)，否則重復(fù)步驟(3);
[0009] (4)被測試節(jié)點按鍵在Tt時隙發(fā)送請求測試無線數(shù)據(jù)包Appl^est,每個錯節(jié)點接 收到請求數(shù)據(jù)包后在對應(yīng)的化時隙發(fā)送ACKA卵IyTest數(shù)據(jù)包，被測節(jié)點接受到全部錯節(jié)點 應(yīng)答后開始測試進入步驟(5);
[0010] (5)被測節(jié)點按鍵打開紅外發(fā)射模塊，然后發(fā)送定位測試數(shù)據(jù)包LocTest,等待2秒 后關(guān)閉紅外發(fā)射模塊，每個錯節(jié)點接收到無線數(shù)據(jù)包后通知對應(yīng)的圖像處理模塊進行拍 照，并對采集的圖像信息進行處理，獲取被測節(jié)點的全局坐標(biāo)：
[0011] (6)各個錯節(jié)點將獲取的原始數(shù)據(jù)和最終計算的被測節(jié)點全局坐標(biāo)發(fā)送至主節(jié) 點，主節(jié)點將接收的所有被測節(jié)點全局坐標(biāo)取平均后得到最終的被測節(jié)點坐標(biāo)，同時將坐 標(biāo)信息存入TF卡，然后將被測節(jié)點坐標(biāo)信息發(fā)送至被測節(jié)點，被測節(jié)點接收到坐標(biāo)信息后 再顯示模塊上顯示，至此完成一次定位。
[0012] 作為對本技術(shù)方案的進一步限定，所述步驟(5)包括如下步驟：
[0013] (5.1)被測節(jié)點打開紅外發(fā)射模塊，然后發(fā)送定位測試數(shù)據(jù)包LocTest,錯節(jié)點接 收到無線數(shù)據(jù)包后通知圖像處理模塊進行拍照，每個錯節(jié)點拍攝的圖像不存在重疊現(xiàn)象， 圖像處理模塊對采集的圖像信息進行處理；
[0014] (5.2)將圖像處理模塊的處理信息發(fā)送到錯節(jié)點主控模塊計算被測節(jié)點的相對坐 標(biāo)；
[0015] (5.3)通過極坐標(biāo)運算就可W得到被測節(jié)點的全局坐標(biāo)。
[0016] 作為對本技術(shù)方案的進一步限定，所述步驟(5.1)的圖像信息處理包括如下步驟：
[0017] (5.1.1)圖像處理模塊首先將N個發(fā)光區(qū)域的存儲緩沖區(qū)化S陽]清空，每個存儲緩 沖區(qū)有7個參數(shù)，分別為最小X坐標(biāo)Xmin，最大X坐標(biāo)Xmax，最小Y坐標(biāo)化in，最大Y坐標(biāo)Ymax，X 坐標(biāo)平均值Xavg，Y坐標(biāo)平均值化Vg，像素點數(shù)量Num，上述參數(shù)的初始值均為0;
[0018] (5.1.2)然后將紅外攝像頭采集的灰度圖像按照行列的順序依次將各像素點發(fā)送 至圖像處理模塊，圖像處理模塊判斷每個像素點的亮度是否大于預(yù)設(shè)的強度闊值A(chǔ)th,如果 亮度大于Ath，則判斷該像素點為發(fā)光點，然后將該像素點的坐標(biāo)依次與每個存儲緩沖區(qū)的 參數(shù)進行比對：
[0019] 如果像素點X坐標(biāo)<Xmin-2或像素 X坐標(biāo)〉Xmax+2，
[0020] 同時
[0021 ] 像素 Y坐標(biāo)別min-2或像素 Y坐標(biāo)〉Ymax+2，
[0022] 則判斷該像素點不在該發(fā)光區(qū)域內(nèi)，查找下一個存儲緩沖區(qū)；
[0023] 否則判斷該發(fā)光點在該發(fā)光區(qū)域內(nèi)，更新存儲緩沖區(qū)參數(shù)：
[0024] 如果乂坐標(biāo)。111；[]1，貝化111；[]1=乂坐標(biāo)，
[0025] 否則如果X坐標(biāo)〉Xmax，則Xmax=X坐標(biāo)，
[0026] 如果Y坐標(biāo) <化;[]1，則化;[]1 = ￥坐標(biāo)，
[0027] 否則如果Y坐標(biāo)〉Ymax，則Ymax = Y坐標(biāo)；
[002引 Xavg= (Xavg*Num 巧坐標(biāo)）/Num;
[0029] 化 Vg= (Yavg*Num 巧坐標(biāo)）/Num;
[0030] Num = Num+!；
[0031] (5.1.3)如果該像素點不在所有的發(fā)光區(qū)域中，則判斷為新的發(fā)光區(qū)域，新的發(fā)光 區(qū)域的存儲緩沖區(qū)P〇s[m]的參數(shù)設(shè)置如下：
[0032] Xmin=X 坐標(biāo)；
[003；3] Xmax=X 坐標(biāo)；
[0034] %iin = Y 坐標(biāo)；
[0035] Ymax = Y 坐標(biāo)；
[0036] Xavg=X 坐標(biāo)；
[0037] 化 Vg = Y 坐標(biāo)；
[00；3 引 Num=I;
[0039] (5.1.4)當(dāng)所有的像素點傳輸完畢后圖像處理模塊將所有存儲緩沖區(qū)信息處理， 首先選擇滿足如下條件的發(fā)光區(qū)域W降低誤差：
[0040] Xavg-Xmin〉Rxth 同時 Xmax-Xavg〉Rxth 同時化 vg-%iin〉R}fth 同時 Ymax-化 vg〉RYth， Rxth, Ryth為系統(tǒng)設(shè)置的發(fā)光區(qū)域最小有效半徑;然后選出所有發(fā)光區(qū)域Xavg相差5W內(nèi)的 發(fā)光區(qū)域，如有2個發(fā)光區(qū)域滿足條件則表明成功拍攝到被測節(jié)點，否則表明未拍攝到被測 節(jié)點。
[0041] 作為對本技術(shù)方案的進一步限定，所述步驟(5.2)包括如下步驟：
[0042] 化9 1')巧巧獻畑Il巧占的鳥底；
[0043]
[0044] 其中，nt為拍攝圖像中兩個發(fā)光區(qū)域中屯、點間的像素點數(shù)，假設(shè)較高的發(fā)光區(qū)域 中屯、點Y坐標(biāo)為Yavgl,較低的發(fā)光區(qū)域中屯、點Y坐標(biāo)為Yavg2,則nt=(Yavgl-Yavg2); Yimagemax表示拍攝圖像的高度，d表示兩個紅外發(fā)光模塊的實際間距；
[0045] (5.2.2)計算紅外攝像頭與被測節(jié)點的距離Dis,具體步驟如下：
[0046] 首先在距離參考緩沖區(qū)DisRef [ i ]中查找nt，當(dāng)nref [i ]<nt或者nref [ i ] = nt時停 止查找，
[0047] 如果nref [i]=nt，則被測節(jié)點與攝像頭距離Dis = Drefti];
[004引 否則Dis = nt*( Dref [ i ]-Dref[ i_l ])/(nref [ i ]-nref[ i_l ])
[0049] 如果沒有找到則：
[0050] Dis = nt*(Dref [Nmax-l ]-Dref [Nmax-2] )/(nref [Nmax-l ]-nref [Nmax-2]) ,Nmax 表示化ef和nref數(shù)組的最大數(shù)量；
[0051 ] (5.2.3)計算被測節(jié)點的相對坐標(biāo)，具體步驟如下：
[0052]首先建立垂直于拍攝圖像XY平面的XZ平面，)(Z平面穿過紅外攝像頭且與兩個被測 節(jié)點連線垂直，拍攝圖像平面為XY平面，紅外攝像頭在XY平面的投影位于拍攝圖像中屯、化 (nx/2，ny/2)，在XY平面上穿過拍攝圖像中屯、化且與兩個被測節(jié)點連線垂直的直線為拍攝 圖像X軸，在XY平面上穿過拍攝圖像中屯、化且與拍攝圖像X軸垂直的為拍攝圖像Y軸，在XZ平 面上穿過拍攝圖像中屯、化和紅外攝像頭的直線為拍攝圖像Z軸，nx為拍攝圖像的寬度，ny為 拍攝圖俊的高底.巧揚圖像的中,|、地1距離兩個被測節(jié)點連線的距離化為：
[0化3]
[0054]紅外攝像頭與被測節(jié)點的距離Dis在XZ平面映射距離Diszx為：
[0化5]
[0056]紅外攝像頭與拍攝圖像中屯、化的距離化為
[0化7]
[005引 i角丫計算如下：
[0化9]
[0060] 被測節(jié)點相對攝像頭在XZ平面上的相對坐標(biāo)為(Diszx，丫）。
[0061] 作為對本技術(shù)方案的進一步限定，所述紅外攝像頭的方向信息是指紅外攝像頭與 原點坐標(biāo)系XO Z的X軸在XZ平面的夾角0。
[0062] 作為對本技術(shù)方案的進一步限定，所述步驟(5.3)包括如下步驟：
[0063] 被測節(jié)點在XZ平面上與紅外攝像頭的夾角為丫；
[0064] 被測節(jié)點相對錯節(jié)點的高度Dy,也就是被測節(jié)點距離XZ平面的高度，即被測節(jié)點 的實際的Y向坐標(biāo)為：
[0065] 所W可W得到被測節(jié)點相對錯節(jié)點X軸坐標(biāo)：
[0066] 被測節(jié)點相對紅外攝像頭在XZ平面上映射距離為Diszx,又已知紅外攝像頭與原 點坐標(biāo)系的X軸在XZ平面夾角為0，因此被測節(jié)點相對紅外攝像頭在XZ平面上與原點坐標(biāo)系 的X軸的夾角為e+y ;
[0067] 最后利用各錯節(jié)點的相對極坐標(biāo)(r，S)計算得到被測節(jié)點相對于原點O的坐標(biāo)，被 測節(jié)點的全局X向坐標(biāo)為? cos(S)+Diszx ? cos(0+ 丫）；被測節(jié)點的全局Z向坐標(biāo)為:1'? sin(5)+Diszx ? sin(0+ 丫）。
[0068] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是:本測試方法通過在被測節(jié)點安裝 紅外發(fā)光模塊，定位錯節(jié)點上安裝多臺單通道紅外攝像頭采集圖像信息，得到被測節(jié)點紅 外發(fā)光區(qū)域大小和位置計算得到被測節(jié)點的=維坐標(biāo)，通過多錯節(jié)點協(xié)同得到精確的位置 信息，為無線傳感網(wǎng)定位提供高精度的參考位置信息。本方法對無線傳感網(wǎng)定位參考坐標(biāo) 獲取運一核屯、為題提供低成本高精度的解決方案，對于無線傳感網(wǎng)機近距離無線通信高精 度定位系統(tǒng)研究具有重要的參考價值。
【附圖說明】
[0069] 圖1為本發(fā)明的被測節(jié)點控制裝置的原理方框圖。
[0070] 圖2為本發(fā)明的錯節(jié)點控制裝置的原理方框圖。
[0071] 圖3為本發(fā)明的被測節(jié)點所處的無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0072] 圖4為本發(fā)明的原點坐標(biāo)系和紅外攝像頭關(guān)系的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0073] 圖5為本發(fā)明的拍攝圖像的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0074] 圖6為本發(fā)明的XY平面和XZ平面的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0075] 下面結(jié)合附圖和優(yōu)選實施例對本發(fā)明作更進一步的詳細說明。
[0076] 參見圖1-圖6,本發(fā)明的硬件部分包括被測節(jié)點控制裝置和錯節(jié)點控制裝置，所述 被測節(jié)點控制裝置包括被測節(jié)點主控模塊1，所述被測節(jié)點主控模塊1分別連接被測節(jié)點無 線模塊2和兩個紅外發(fā)射模塊3,所述錯節(jié)點控制裝置包括錯節(jié)點主控模塊7,所述錯節(jié)點主 控模塊7分別連接錯節(jié)點無線模塊8和圖像處理模塊9,每個所述圖像處理模塊9分別連接紅 外攝像頭10,所述被測節(jié)點無線模塊和錯節(jié)點無線模塊分別連接有天線6。
[0077] 所述被測節(jié)點主控模塊1還連接被測節(jié)點顯示模塊4和被測節(jié)點鍵盤模塊5。所述 錯節(jié)點主控模塊7還連接錯節(jié)點顯示模塊11和錯節(jié)點鍵盤模塊12,被測節(jié)點顯示模塊4和錯 節(jié)點顯示模塊11采用OL邸模塊。
[0078] 兩個所述紅外發(fā)射模塊3豎直放置，兩個所述紅外攝像頭10的夾角為90-120度。
[0079] 所述被測節(jié)點控制裝置和所述錯節(jié)點控制裝置都設(shè)置于支架13上，所述被測節(jié)點 控制裝置和所述錯節(jié)點控制裝置都設(shè)置有電源模塊14。
[0080] 本發(fā)明包括如下步驟：
[0081] (1)設(shè)置一組錯節(jié)點，并選擇適當(dāng)?shù)奈恢米鳛樽鴺?biāo)原點0,建立原點坐標(biāo)系XOZ，計 算各個錯節(jié)點相對于坐標(biāo)原點O的相對極坐標(biāo)(r，S)，每個錯節(jié)點上設(shè)置有一組紅外攝像 頭，計算各個紅外攝像頭的方向信息，將各個相對極坐標(biāo)和紅外攝像頭方向信息錄入對應(yīng) 的錯節(jié)點主控模塊，被測節(jié)點上設(shè)置兩個紅外發(fā)光模塊；
[0082] (2)首先進行預(yù)測量操作，將兩個間距為d紅外發(fā)光模塊豎直放置，其中位置較低 的紅外發(fā)光模塊與錯節(jié)點的紅外攝像頭同高的位置，分別用紅外攝像頭拍攝距離紅外發(fā)光 模塊不同設(shè)定距離時的紅外圖像，并求得每個紅外圖像的兩個紅外發(fā)光模塊間的像素點數(shù) 存入距離參考緩沖區(qū)DisRef [ i ]，緩沖區(qū)格式如下：
[0083] Dref [i]、nref[i]，其中，Dref [i]表示不同設(shè)定距離，nref[i]表示不同設(shè)定距離 對應(yīng)的兩個紅外發(fā)光模塊之間的像素點數(shù)，距離參考緩沖區(qū)DisRef [i]按照由大到小的順 序進行存儲；
[0084] (3)其中一個錯節(jié)點自動成為主節(jié)點，每5秒鐘在發(fā)送時隙TO發(fā)送一次系統(tǒng)同步指 令SYSSYNC，其他錯節(jié)點在自己對應(yīng)的錯節(jié)點時隙化發(fā)送應(yīng)答無線數(shù)據(jù)包ACKSYSSYNC，被測 節(jié)點在終端節(jié)點時隙Tt發(fā)送應(yīng)答無線數(shù)據(jù)包TACKSYSSYNC，如果主節(jié)點收到應(yīng)答無線數(shù)據(jù) 包ACKSYSSYNC和TACKSYSSYNC，則轉(zhuǎn)步驟(4)，否則重復(fù)步驟(3);
[0085] (4)被測試節(jié)點按鍵在Tt時隙發(fā)送請求測試無線數(shù)據(jù)包Appl^est,每個錯節(jié)點接 收到請求數(shù)據(jù)包后在對應(yīng)的化時隙發(fā)送ACKA卵IyTest數(shù)據(jù)包，被測節(jié)點接受到全部錯節(jié)點 應(yīng)答后開始測試進入步驟(5);
[0086] (5)被測節(jié)點按鍵打開紅外發(fā)射模塊，然后發(fā)送定位測試數(shù)據(jù)包LocTest,等待2秒 后關(guān)閉紅外發(fā)射模塊，每個錯節(jié)點接收到無線數(shù)據(jù)包后通知對應(yīng)的圖像處理模塊進行拍 照，并對采集的圖像信息進行處理，獲取被測節(jié)點的全局坐標(biāo)：
[0087] (6)各個錯節(jié)點將獲取的原始數(shù)據(jù)和最終計算的被測節(jié)點全局坐標(biāo)發(fā)送至主節(jié) 點，主節(jié)點將接收的所有被測節(jié)點全局坐標(biāo)取平均后得到最終的被測節(jié)點坐標(biāo)，同時將坐 標(biāo)信息存入TF卡，然后將被測節(jié)點坐標(biāo)信息發(fā)送至被測節(jié)點，被測節(jié)點接收到坐標(biāo)信息后 再顯示模塊上顯示，至此完成一次定位。
[0088] 所述步驟(5)包括如下步驟：
[0089] (5.1)被測節(jié)點打開紅外發(fā)射模塊，然后發(fā)送定位測試數(shù)據(jù)包LocTest,錯節(jié)點接 收到無線數(shù)據(jù)包后通知圖像處理模塊進行拍照，每個錯節(jié)點拍攝的圖像不存在重疊現(xiàn)象， 圖像處理模塊對采集的圖像信息進行處理；
[0090] (5.2)將圖像處理模塊的處理信息發(fā)送到錯節(jié)點主控模塊計算被測節(jié)點的相對坐 標(biāo)；
[0091] (5.3)通過極坐標(biāo)運算就可W得到被測節(jié)點的全局坐標(biāo)。
[0092] 所述步驟(5.1)的圖像信息處理包括如下步驟：
[0093] (5.1.1)圖像處理模塊首先將N個發(fā)光區(qū)域的存儲緩沖區(qū)化S陽]清空，每個存儲緩 沖區(qū)有7個參數(shù)，分別為最小X坐標(biāo)Xmin，最大X坐標(biāo)Xmax，最小Y坐標(biāo)化in，最大Y坐標(biāo)Ymax，X 坐標(biāo)平均值Xavg，Y坐標(biāo)平均值化Vg，像素點數(shù)量Num，上述參數(shù)的初始值均為0;
[0094] (5.1.2)然后將紅外攝像頭采集的灰度圖像按照行列的順序依次將各像素點發(fā)送 至圖像處理模塊，圖像處理模塊判斷每個像素點的亮度是否大于預(yù)設(shè)的強度闊值A(chǔ)th,如果 亮度大于Ath，則判斷該像素點為發(fā)光點，然后將該像素點的坐標(biāo)依次與每個存儲緩沖區(qū)的 參數(shù)進行比對：
[0095] 如果像素點X坐標(biāo)<Xmin-2或像素 X坐標(biāo)〉Xmax+2，
[0096] 同時
[0097] 像素 Y坐標(biāo)別min-2或像素 Y坐標(biāo)〉Ymax+2，
[0098] 則判斷該像素點不在該發(fā)光區(qū)域內(nèi)，查找下一個存儲緩沖區(qū)；
[0099] 否則判斷該發(fā)光點在該發(fā)光區(qū)域內(nèi)，更新存儲緩沖區(qū)參數(shù)：
[0100] 如果 X 坐標(biāo) <Xmin，貝 IjXmin=X 坐標(biāo)，
[0101 ] 否則如果X坐標(biāo)〉Xmax,則Xmax=X坐標(biāo)，
[0102] 如果Y坐標(biāo) <化;[]1，則化;[]1 = ￥坐標(biāo)，
[0103] 否則如果Y坐標(biāo)〉Ymax,則Ymax = Y坐標(biāo)；
[0104] Xavg= (Xavg*Num 巧坐標(biāo)）/Num;
[0105] 化 Vg= (Yavg*Num 巧坐標(biāo)）/Num;
[0106] Num = Num+!；
[0107] (5.1.3)如果該像素點不在所有的發(fā)光區(qū)域中，則判斷為新的發(fā)光區(qū)域，新的發(fā)光 區(qū)域的存儲緩沖區(qū)P〇s[m]的參數(shù)設(shè)置如下：
[010 引 Xmin=X 坐標(biāo)；
[0109] Xmax=X 坐標(biāo)；
[0110] %iin = Y 坐標(biāo)；
[0111] Ymax = Y坐標(biāo)；
[0112] Xavg=X 坐標(biāo)；
[0113] 化 Vg = Y 坐標(biāo)；
[0114] Num=I ；
[0115] (5.1.4)當(dāng)所有的像素點傳輸完畢后圖像處理模塊將所有存儲緩沖區(qū)信息處理， 首先選擇滿足如下條件的發(fā)光區(qū)域W降低誤差：
[0116] Xavg-Xmin〉Rxth 同時 Xmax-Xavg〉Rxth 同時化 vg-%iin〉R}fth 同時 Ymax-化 vg〉RYth， Rxth, Ryth為系統(tǒng)設(shè)置的發(fā)光區(qū)域最小有效半徑;然后選出所有發(fā)光區(qū)域Xavg相差5W內(nèi)的 發(fā)光區(qū)域，如有2個發(fā)光區(qū)域滿足條件則表明成功拍攝到被測節(jié)點，否則表明未拍攝到被測 節(jié)點。
[0117] 所述步驟(5.2)包括如下步驟：
[0118] (5.2.1)獲取被測節(jié)點的高度：
[0119]
[0120] 其中，nt為拍攝圖像中兩個發(fā)光區(qū)域中屯、點間的像素點數(shù)，假設(shè)較高的發(fā)光區(qū)域 中屯、點Y坐標(biāo)為Yavgl,較低的發(fā)光區(qū)域中屯、點Y坐標(biāo)為Yavg2,則nt=(Yavgl-Yavg2); Yimagemax表示拍攝圖像的高度，d表示兩個紅外發(fā)光模塊的實際間距；
[0121 ] (5.2.2)計算紅外攝像頭與被測節(jié)點的距離Dis，具體步驟如下：
[0122] 首先在距離參考緩沖區(qū)DisRef [ i ]中查找nt，當(dāng)nref [i ]<nt或者nref [ i ] = nt時停 止查找，
[0123] 如果nref[i] =nt,則被測節(jié)點與攝像頭距離Dis = Dref[i];
[0124] 否則Dis = nt*( Dref [ i]-Dref[ i_l ])/(nref [ i]-nref[ i_l ])
[0125] 如果沒有找到則：
[01 %] Dis = nt*(Dref [Nmax-l ]-Dref [Nmax-2] )/(nref [Nmax-l ]-nref [Nmax-2])，Nmax 表示化ef和nref數(shù)組的最大數(shù)量；
[0127] (5.2.3)計算被測節(jié)點的相對坐標(biāo)，具體步驟如下：
[012引首先建立垂直于拍攝圖像XY平面的XZ平面，)(Z平面穿過紅外攝像頭且與兩個被測 節(jié)點連線垂直，拍攝圖像平面為XY平面，紅外攝像頭在XY平面的投影位于拍攝圖像中屯、化 (nx/2，ny/2)，在XY平面上穿過拍攝圖像中屯、化且與兩個被測節(jié)點連線垂直的直線為拍攝 圖像X軸，在XY平面上穿過拍攝圖像中屯、化且與拍攝圖像X軸垂直的為拍攝圖像Y軸，在XZ平 面上穿過拍攝圖像中屯、化和紅外攝像頭的直線為拍攝圖像Z軸，nx為拍攝圖像的寬度，ny為 拍攝圖像的高度，拍攝圖像的中屯、化距離兩個被測節(jié)點連線的距離化為：
[0129]
[0130] 紅外攝像頭與被測節(jié)點的距離Dis在XZ平面映射距離Diszx為：
[0131]
[0132] 奸林標(biāo)傻車白柏標(biāo)巧像中屯、化的距離化為
[0133]
[0134] Diszx與化的水平夾角丫計算如下：
[0135]
[0136] 被測節(jié)點相對攝像頭在XZ平面上的相對坐標(biāo)為(Diszx，丫）。
[0137] 所述紅外攝像頭的方向信息是指紅外攝像頭與原點坐標(biāo)系XOZ的X軸在XZ平面的 夾角e。
[0138] 所述步驟(5.3)包括如下步驟：
[0139] 被測節(jié)點在XZ平面上與紅外攝像頭的夾角為丫；
[0140] 被測節(jié)點相對鋪帶占的高原Dv,也就是被測節(jié)點距離XZ平面的高度，即被測節(jié)點 的實際的Y向坐標(biāo)呆
[0141] 所W可W得到被測節(jié)點相對錯節(jié)點X軸坐標(biāo)：
[0142] 被測節(jié)點相對紅外攝像頭在XZ平面上映射距離為Diszx,又已知紅外攝像頭與原 點坐標(biāo)系的X軸在XZ平面夾角為0，因此被測節(jié)點相對紅外攝像頭在XZ平面上與原點坐標(biāo)系 的X軸的夾角為0+T ;
[0143]最后利用各錯節(jié)點的相對極坐標(biāo)(r，S)計算得到被測節(jié)點相對于原點O的坐標(biāo)，被 測節(jié)點的全局X向坐標(biāo)為? cos(S)+Diszx ? cos(0+ 丫）；被測節(jié)點的全局Z向坐標(biāo)為:1'? sin(5)+Diszx ? sin(0+ 丫）。
【主權(quán)項】
1. 一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)高精度定位方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 設(shè)置一組錨節(jié)點，并選擇適當(dāng)?shù)奈恢米鳛樽鴺?biāo)原點0,建立原點坐標(biāo)系X〇Z，計算各 個錨節(jié)點相對于坐標(biāo)原點〇的相對極坐標(biāo)α，δ)，每個錨節(jié)點上設(shè)置有一組紅外攝像頭，計 算各個紅外攝像頭的方向信息，將各個相對極坐標(biāo)和紅外攝像頭方向信息錄入對應(yīng)的錨節(jié) 點主控模塊，被測節(jié)點上設(shè)置兩個紅外發(fā)光模塊； (2) 首先進行預(yù)測量操作，將兩個間距為d紅外發(fā)光模塊豎直放置，其中位置較低的紅 外發(fā)光模塊與錨節(jié)點的紅外攝像頭同高的位置，分別用紅外攝像頭拍攝距離紅外發(fā)光模塊 不同設(shè)定距離時的紅外圖像，并求得每個紅外圖像的兩個紅外發(fā)光模塊間的像素點數(shù)存入 距離參考緩沖區(qū)DisRef [i]，緩沖區(qū)格式如下： Dref [i]、nref [i]，其中，Dref [i]表示不同設(shè)定距離，nref [i]表示不同設(shè)定距離對應(yīng) 的兩個紅外發(fā)光模塊之間的像素點數(shù)，距離參考緩沖區(qū)DisRef [i]按照由大到小的順序進 行存儲； (3) 其中一個錨節(jié)點自動成為主節(jié)點，每5秒鐘在發(fā)送時隙TO發(fā)送一次系統(tǒng)同步指令 SYSSYNC，其他錨節(jié)點在自己對應(yīng)的錨節(jié)點時隙Τη發(fā)送應(yīng)答無線數(shù)據(jù)包ACKSYSSYNC，被測節(jié) 點在終端節(jié)點時隙Tt發(fā)送應(yīng)答無線數(shù)據(jù)包TACKSYSSYNC，如果主節(jié)點收到應(yīng)答無線數(shù)據(jù)包 ACKSYSSYNC和TACKSYSSYNC，則轉(zhuǎn)步驟(4)，否則重復(fù)步驟(3); (4) 被測試節(jié)點按鍵在Tt時隙發(fā)送請求測試無線數(shù)據(jù)包ApplyTest，每個錨節(jié)點接收到 請求數(shù)據(jù)包后在對應(yīng)的Τη時隙發(fā)送ACKApp 1 yTe s t數(shù)據(jù)包，被測節(jié)點接受到全部錨節(jié)點應(yīng)答 后開始測試進入步驟(5); (5) 被測節(jié)點按鍵打開紅外發(fā)射模塊，然后發(fā)送定位測試數(shù)據(jù)包LocTest，等待2秒后關(guān) 閉紅外發(fā)射模塊，每個錨節(jié)點接收到無線數(shù)據(jù)包后通知對應(yīng)的圖像處理模塊進行拍照，并 對采集的圖像信息進行處理，獲取被測節(jié)點的全局坐標(biāo)： (6) 各個錨節(jié)點將獲取的原始數(shù)據(jù)和最終計算的被測節(jié)點全局坐標(biāo)發(fā)送至主節(jié)點，主 節(jié)點將接收的所有被測節(jié)點全局坐標(biāo)取平均后得到最終的被測節(jié)點坐標(biāo)，同時將坐標(biāo)信息 存入TF卡，然后將被測節(jié)點坐標(biāo)信息發(fā)送至被測節(jié)點，被測節(jié)點接收到坐標(biāo)信息后再顯示 模塊上顯示，至此完成一次定位。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感網(wǎng)絡(luò)高精度定位方法，其特征在于，所述步驟(5)包 括如下步驟： (5.1) 被測節(jié)點打開紅外發(fā)射模塊，然后發(fā)送定位測試數(shù)據(jù)包LocTest，錨節(jié)點接收到 無線數(shù)據(jù)包后通知圖像處理模塊進行拍照，每個錨節(jié)點拍攝的圖像不存在重疊現(xiàn)象，圖像 處理模塊對采集的圖像信息進行處理； (5.2) 將圖像處理模塊的處理信息發(fā)送到錨節(jié)點主控模塊計算被測節(jié)點的相對坐標(biāo)； (5.3) 通過極坐標(biāo)運算就可以得到被測節(jié)點的全局坐標(biāo)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線傳感網(wǎng)絡(luò)高精度定位方法，其特征在于，所述步驟(5.1) 的圖像信息處理包括如下步驟： (5.1.1) 圖像處理模塊首先將N個發(fā)光區(qū)域的存儲緩沖區(qū)Pos[N]清空，每個存儲緩沖區(qū) 有7個參數(shù)，分別為最小X坐標(biāo)Xmin，最大X坐標(biāo)Xmax，最小Y坐標(biāo)Ymin，最大Y坐標(biāo)Ymax，X坐標(biāo) 平均值Xavg，Y坐標(biāo)平均值Yavg，像素點數(shù)量Num，上述參數(shù)的初始值均為0; (5.1.2) 然后將紅外攝像頭采集的灰度圖像按照行列的順序依次將各像素點發(fā)送至圖 像處理模塊，圖像處理模塊判斷每個像素點的亮度是否大于預(yù)設(shè)的強度閾值A(chǔ)th，如果亮度 大于Ath，則判斷該像素點為發(fā)光點，然后將該像素點的坐標(biāo)依次與每個存儲緩沖區(qū)的參數(shù) 進行比對： 如果像素點X坐標(biāo)〈Xmin-2或像素 X坐標(biāo)>Xmax+2， 同時 像素 Y坐標(biāo)〈Ymin-2或像素 Y坐標(biāo)〉Ymax+2， 則判斷該像素點不在該發(fā)光區(qū)域內(nèi)，查找下一個存儲緩沖區(qū)； 否則判斷該發(fā)光點在該發(fā)光區(qū)域內(nèi)，更新存儲緩沖區(qū)參數(shù)： 如果X坐標(biāo)〈Xmin，則Xmin = X坐標(biāo)， 否則如果X坐標(biāo)>Xmax，則Xmax = X坐標(biāo)， 如果Y坐標(biāo)〈Ymin，則Ymin = Y坐標(biāo)， 否則如果Y坐標(biāo)〉Ymax，則Ymax = Y坐標(biāo)； Xavg= (Xavg*Num+X 坐標(biāo)）/Num; Yavg= (Yavg*Num+Y 坐標(biāo)）/Num; Num=Num+l ； (5.1.3) 如果該像素點不在所有的發(fā)光區(qū)域中，則判斷為新的發(fā)光區(qū)域，新的發(fā)光區(qū)域 的存儲緩沖區(qū)P〇s[m]的參數(shù)設(shè)置如下： Xmin = X 坐標(biāo)； Xmax = X 坐標(biāo)； Ymin = Y 坐標(biāo)； Ymax = Y坐標(biāo)； Xavg = X 坐標(biāo)； Yavg = Y 坐標(biāo)； Num= 1 ； (5.1.4) 當(dāng)所有的像素點傳輸完畢后圖像處理模塊將所有存儲緩沖區(qū)信息處理，首先 選擇滿足如下條件的發(fā)光區(qū)域以降低誤差： Xavg_Xmin>Rxth 同時 Xmax_Xavg>Rxth 同時 Yavg_Ymin>Ryth 同時 Ymax_Yavg>RYth， Rxth，Ryth為系統(tǒng)設(shè)置的發(fā)光區(qū)域最小有效半徑;然后選出所有發(fā)光區(qū)域Xavg相差5以內(nèi)的 發(fā)光區(qū)域，如有2個發(fā)光區(qū)域滿足條件則表明成功拍攝到被測節(jié)點，否則表明未拍攝到被測 節(jié)點。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無線傳感網(wǎng)絡(luò)高精度定位方法，其特征在于，所述步驟(5.2) 包括如下步驟： (5.2.1) 獲取被測節(jié)點的高度：其中，nt為拍攝圖像中兩個發(fā)光區(qū)域中心點間的像素點數(shù)，假設(shè)較高的發(fā)光區(qū)域中心 點Y坐標(biāo)為Yavgl，較低的發(fā)光區(qū)域中心點Y坐標(biāo)為Yavg2,則nt = (Yavgl_Yavg2) ;Yimagemax 表示拍攝圖像的高度，d表示兩個紅外發(fā)光模塊的實際間距； (5.2.2) 計算紅外攝像頭與被測節(jié)點的距離Dis，具體步驟如下： 首先在距離參考緩沖區(qū)DisRef [i]中查找nt，當(dāng)nref [i]〈nt或者nref [i] =nt時停止查 找， 如果nref [ i ] =nt，則被測節(jié)點與攝像頭距離Dis = Dref [ i ]; 否則018 = 111:*(0代;1^[;[]-0^;1^[;[-1])/(1^6；1^[;[]-1^6；1^[;[-1]) 如果沒有找到則： Dis = nt*(Dref[Nmax_l ]-Dref[Nmax_2] )/(nref[Nmax_l ]-nref[Nmax_2])，Nmax 表不 Dref和nref數(shù)組的最大數(shù)量； (5.2.3)計算被測節(jié)點的相對坐標(biāo)，具體步驟如下： 首先建立垂直于拍攝圖像XY平面的XZ平面，XZ平面穿過紅外攝像頭且與兩個被測節(jié)點 連線垂直，拍攝圖像平面為XY平面，紅外攝像頭在XY平面的投影位于拍攝圖像中心ChUx/ 2，ny/2)，在XY平面上穿過拍攝圖像中心(h且與兩個被測節(jié)點連線垂直的直線為拍攝圖像X 軸，在XY平面上穿過拍攝圖像中心Oi且與拍攝圖像X軸垂直的為拍攝圖像Y軸，在XZ平面上 穿過拍攝圖像中心Ch和紅外攝像頭的直線為拍攝圖像Z軸，nx為拍攝圖像的寬度，ny為拍攝 圖像的高度，拍攝圖像的中心〇:距離兩個被測節(jié)點連線的距離Dx為：紅外攝像頭與被測節(jié)點的距離Dis在XZ平面映射距離Diszx為：紅外攝像頭與拍攝圖像中心Οι的距離Dz為Diszx與Dz的水平夾角γ計算如下：被測節(jié)點相對攝像頭在ΧΖ平面上的相對坐標(biāo)為(Diszx，γ )。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的無線傳感網(wǎng)絡(luò)高精度定位方法，其特征在于，所述紅外攝像頭 的方向信息是指紅外攝像頭與原點坐標(biāo)系xoz的X軸在ΧΖ平面的夾角β。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的無線傳感網(wǎng)絡(luò)高精度定位方法，其特征在于，所述步驟(5.3) 包括如下步驟： 被測節(jié)點在xz平面上與紅外攝像頭的夾角為γ ; 被測節(jié)點相對錨節(jié)點的高度Dy，也就是被測節(jié)點距離XZ平面的高度，即被測節(jié)點的實 際的Y向坐標(biāo)為：所以可以得到被測節(jié)點相對錨節(jié)點X軸坐標(biāo)： 被測節(jié)點相對紅外攝像頭在XZ平面上映射距離為Diszx，又已知紅外攝像頭與原點坐 標(biāo)系的X軸在XZ平面夾角為β，因此被測節(jié)點相對紅外攝像頭在XZ平面上與原點坐標(biāo)系的X 軸的夾角為β+γ ; 最后利用各錨節(jié)點的相對極坐標(biāo)(rj)計算得到被測節(jié)點相對于原點〇的坐標(biāo)，被測節(jié) 點的全局X向坐標(biāo)為:r · cos(5)+Diszx · cos(P+ γ ); 被測節(jié)點的全局ζ向坐標(biāo)為:r · sin(5)+Diszx · sin(P+Y )。
【文檔編號】G01S5/16GK105828291SQ201610285587
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月3日
【發(fā)明人】付勇, 徐梅, 王春梅, 劉瑞霞, 陳長英, 胡帆, 胡一帆, 朱亮, 王英龍
【申請人】山東省計算中心（國家超級計算濟南中心）