[发明专利]一种跟踪多移动目标的室内精确定位方法

摘要

本发明属于室内无线传感器网络技术领域，其特征在于：本发明的徽章是移动的，阅读器是固定的，位置计算机通过连接器无线接收不同时刻的徽章和阅读器的距离数据，在徽章、阅读器、连接器的CPU上都设置信道分配和距离计算模块，在位置计算机上设置位置计算模块，利用从徽章上同时发射的射频和超声波信号到达阅读器的时间差来计算距离，利用扩展卡尔曼滤波器来计算位置。同时，还提出了防止多个徽章选择在同一时刻发射信号以及多个阅读器在同一时刻发射数据帧而引发的冲突。本发明对于室内目标定位精度在1分米以下。而且结构简单，计算量也少。

主权项

1.一种跟踪多移动目标室内精确定位方法，其特征在于，依次会有以下步骤：步骤(1)，把传感器协调与距离计算模块装入各传感器节点：所述各传感器节点包括：徽章，等于或多于一个，由徽章电源、单片机、以及分别与单片机相连的超声波发射器和射频收发器组成，该单片机内装有传感器协调与距离计算模块；超声波发射器采用全向型设计，由5个彼此正交的发射器组成；徽章由需定位的目标携带或者安装在该目标上，按照该传感器协调与距离计算模块中所述的信道分配方法，同时发射射频信号和超声波信号，其中射频信号调制了该徽章的身份标识；阅读器，数量在一个以上，是部署在室内固定位置的，由超声波接收器、单片机、受控制于该单片机的射频收发器以及接口构成，该接口包括USB和并口电路；在该单片机内装有传感器协调和距离计算模块，当该阅读器接收到徽章发出的射频信号和超声波信号时，测得该两者的到达的时间差，并据此计算该阅读器与所述徽章的距离；连接器，只有一个，由单片机、受控制于该单片机的射频收发器，以及接口组成；单片机内装有传感器协调和距离计算模块，该连接器无线接收来自阅读器发出的距离数据包；所述传感器协调和距离计算模块依次按以下步骤执行信道分配和距离计算程序：步骤(1.a)各阅读器和徽章侦听射频信道；步骤(1.b)徽章A同时发射射频和超声波信号；步骤(1.c)某阅读器接收到射频信号帧，并指定为定位帧，记录到达时间；步骤(1.d)所述阅读器开启时间计数器和定时器；定时最长传播时间T毫秒，T＝超声波帧在空间内的最大传播时间-射频帧发射时间长“-”表示相减；步骤(1.e)所述阅读器侦听超声波信道；步骤(1.f)所述阅读器判断最长传播时间T内是否有超声波到达；若没有到达，继续执行步骤(1.e)，一直到最长传播时间T时，没有超声波到达，则报告距离丢失，返回步骤(1.a)；同时徽章B同时发射射频信号和超声波信号；若有超声波到达，则关闭计数器，记录到达时间；步骤(1.g)按下式计算到达时间差TDoA：TDoA＝超声波帧到达时间-射频帧到达时间步骤(1.h)所述阅读器按下式计算实际的到达时间差tactual：tactual＝TDoA+tcom tcom为阅读器收到的射频帧的时刻与徽章A发射射频帧的时刻之差值；步骤(1.i)根据所述阅读器上的温度传感器提供的温度值q，以下式校正声速vus：vus＝331.4+0.6q，步骤(1.j)按下式计算徽章A与所述阅读器之间的距离：距离＝温度校正后的vus*tactual；步骤(1.k)阅读器把步骤(1.i)得到的距离数据以定位帧的形式向所述连接器无线发送；步骤(2)，把位置计算模块装入位置计算机，位置计算机通过USB接口与连接器通信，以接收定位帧，位置计算机通过并口电路与各阅读器相连，以向该单片机装入传感器协调与距离计算模块；位置计算模块依次按以下步骤执行：步骤(2.a)通过连接器从各阅读器收集的距离集合中选取一定范围内偏差的有效的距离值，以克服超声波从徽章A到所述各阅读器之间的多径效应，步骤(2.a)依次含有以下步骤：步骤(2.a.1)位置计算机通过USB串口接收所述连接器发来的以四元组[r，b，d，t]表示的距离数据，r为阅读器ID，b为徽章ID，d为距离值，t为信号发射时徽章A自己的系统时间戳；步骤(2.a.2)位置计算机把步骤(2.a.1)中的距离数据表示为二元组集合[ti，di]，i＝1，2，...，表示时间，集合中元素按时间序列排列；步骤(2.a.3)位置计算机定义距离元组Di＝[ti，di，vi]，其中vi＝(di-di-1)/(ti-ti-1)vi为对应于单位时间间隔的距离差；步骤(2.a.4)，位置计算机建立一个滑动窗口，整个滑动窗口存储的是每对阅读器和徽章得到的距离元组的循环队列；定义滑动窗口的平均速度为：$\stackrel{-}{v}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{v}_i;$ 步骤(2.a.5)当位置计算机收到新的距离元组N＝[t，d，v]时，若$v\le \min \{\alpha \bar{V},V_{\max }\}$ ，其中vmax为设定的室内目标的最大移动速度，α为设定的最大加速度，则把该四元组N纳入滑动窗口中，否则作为无效距离而拒绝；步骤(2.b)位置计算机从步骤(2.a)得到的滑动窗口中推测出各目标的几何位置；采取的方法如下：本定位系统的位置计算才采用了EKF的方法；EKF由循环的迭代器组成，每一步迭代称为一个时间步(time-step)，每一时间步由预测和纠正两个阶段组成，每一个新测量值到来，即收到阅读器报告的新数据[ti，di]，i＝1，2，...，都要进行一次时间步的计算；本定位系统的EKF状态向量设为6维列向量，记为X＝[x，y，z，vx，vy，vz]T，其中(x，y，z)是徽章的3-D坐标位置，而(vx，vy，vz)是物体在3个坐标轴方向的速度，测量向量m为阅读器报告的测量距离值d，是一个标量值；在每一个时间步中，位置计算模块首先计算状态向量和误差协方差阵的预测值，然后从滑窗过滤器中读取新距离值，然后根据测量值计算Kalman因子并纠正状态向量和误差协方差阵，之后将纠正后的状态向量的位置分量作为徽章的三维坐标值输出；步骤(3)，系统初始化步骤(3.1)设置各传感器节点的运行模式及参数，所述参数至少含有：徽章以及阅读器的ID；徽章发射定位帧的最短等待时间，最短等待时间为最长传播时间与定位帧发射随机等待时间集中小的一个值Гlocf，Γlocf为设定值；徽章发射定位帧的最长等待时间，最长等待时间为最长传播时间与定位帧发射随机等待时间集中大的一个值Гlocc，Гlocc为设定值；设定超声波的最长传播时间，单位为us；步骤(3.2)，向各阅读器坐标位置写入位置计算需要的系统配置文件，单位为cm，是整数；步骤(4)用户访问位置计算机按步骤(1)、步骤(2)所述方法获得目标位置。