專利名稱：一種跟蹤多移動目標的室內精確定位方法
技術領域：
本發(fā)明屬于無線傳感器網絡領域，尤其涉及室內無線傳感器網絡技術。
背景技術：
隨著GPS(全球定位系統(tǒng))的推廣，人們越來越需要一種基于位置的服務服務(又稱位置感知服務)。這些應用包括位置導航、位置安全監(jiān)控、依賴于位置的信息存儲，位置感知的人機交互，空間數(shù)據(jù)挖掘等領域。例如，年輕的父母需要隨時知道孩子的位置(位置安全監(jiān)控例子)；人們進入博物館或商場需要系統(tǒng)自動來完成導游或導購(位置導航例子)；人們希望手機進入會議室后會自動從響鈴轉為振動(位置感知的人機交互例子)；希望查詢離其最近的資源，如打印機等(依賴于位置的信息存取例子)；希望從某段時間的位置記錄里推斷可能失修的廁所馬桶等(空間數(shù)據(jù)挖掘例子)。
這些位置感知服務都有需要一個關鍵的支撐系統(tǒng)——定位系統(tǒng)或者說位置傳感系統(tǒng)。雖然GPS在基于位置的戶外服務中得到了廣泛的應用，但是有兩個因素阻止了它在室內環(huán)境中的應用一是由于GPS的無線信號無法穿透建筑物而使其在室內環(huán)境中難以工作；二是由于GPS的定位精度難以滿足室內服務的需求。GPS定位精度為數(shù)米(采用差分技術的民用精度為5米)，而在室內環(huán)境中人、家居、設備等主要目標一般為米級的大小，為了能區(qū)別人形大小物體，定位系統(tǒng)的精度希望能達到分米以下(即誤差小于1dm)，GPS的精度限制了它在室內環(huán)境中的應用，因此人們急需一種能應用于室內的、跟蹤多個目標并提供精確位置的定位系統(tǒng)。
利用超身波和其他信號的到達時間差來估算位置的原理在中國發(fā)明專利01144415.0和美國麻省理工大學的Cricket系統(tǒng)有類似的應用。中國發(fā)明專利01144415.0利用超聲波發(fā)射配合紅外線同步的方法實現(xiàn)了一種手寫輸入的裝置，該裝置能在一塊平面手寫板上探測用戶所使用的筆的二維坐標位置。Cricket系統(tǒng)也是基于超身波和射頻的到達時間差來實現(xiàn)定位的。該系統(tǒng)固定位置的參考點發(fā)射信號，而與PDA或計算機連接的定位單元接收信號，并在PDA或計算機上推算出位置，這種模式稱為被動定位模式。在Cricket系統(tǒng)中被定位的目標(如人)不僅需要攜帶定位單元而且需要攜帶與之配套的計算機或PDA才能實現(xiàn)定位。此外，在Cricket系統(tǒng)中與定位單元連接的計算機或PDA只知道自己的位置，因此用戶如果想了解空間全部目標位置還需要另外的(Cricket本身不提供的)裝置和步驟來收集各個計算機或PDA上的數(shù)據(jù)。被動定位模式的系統(tǒng)還有一個不可忽視的缺點是由于同時條件的限制使得系統(tǒng)對移動目標的定位精度不如靜止目標。在被動定位模式的系統(tǒng)中，發(fā)射器發(fā)射信號可能不在同一時刻，對于靜止目標，如圖2(a)所示，不同時刻檢測到來自同一個發(fā)射器的距離值是不變的，這樣系統(tǒng)確定目標的位置確實是目標實際的位置；對于移動目標，如圖2(b)所示，由于對應不同發(fā)射器的距離值是不同時刻的，根據(jù)這些不同時刻的距離值系統(tǒng)確定出來的位置往往不是目標實際的位置。與之相反，主動模式定位系統(tǒng)中，目標攜帶的定位單元發(fā)射信號，而固定位置的參考點接收信號，全部目標的位置由系統(tǒng)后臺設備統(tǒng)一計算和管理。在這種模式中，由于各個參考閱讀器接收到的被定位對象的信號都是發(fā)自同一個時刻，無論目標靜止或移動，用于位置計算的距離值均滿足同時條件，這樣使得系統(tǒng)能對移動和靜止目標提供相近的定位精度。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用了主動模式的室內精確定位方法及系統(tǒng)。
我們發(fā)明的系統(tǒng)是一套無線傳感器網絡，它綜合超聲波和射頻技術來實現(xiàn)定位的。與Cricket系統(tǒng)不同，是一種主動式定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)的基本組成部件和工作原理如圖3所示。
如圖3所示，本定位系統(tǒng)主要由徽章(CBadge)、閱讀器(CReader)、連接器(BaseCollector)和位置計算單元等四部分組成?；照掠尚瓒ㄎ坏哪繕藬y帶或安裝在該目標上，它按照本系統(tǒng)的信道分配機制同時發(fā)射射頻和超聲波信號，而射頻信號調制了該徽章的ID(身份標識)。閱讀器部署在室內的固定位置，如天花板上，其位置已事先測得。由于射頻和超聲波的傳播速度是不同，當閱讀器接收到徽章發(fā)出的射頻和超聲波信號時將會產生一個TDoA，閱讀器根據(jù)這個TDoA可以推算出它離徽章的距離，并無線連接將距離數(shù)據(jù)傳給連接器，最后通過串口線將其報告給位置計算單元。位置計算單元運行于某個計算機上，它收集全部的距離數(shù)據(jù)并計算出各個徽章的位置。應用程序可作為客戶端訪問位置計算單元獲得其所需要的目標位置。圖4是本定位系統(tǒng)的使用場景快照。用戶攜帶徽章，發(fā)出人感覺不到的超聲波與射頻信號，系統(tǒng)根據(jù)兩種信號來實現(xiàn)定位。在本定位系統(tǒng)中，徽章、閱讀器、連接器稱為無線傳感器節(jié)點。
本發(fā)明所述的室內定位方法，其特征在于
1.依次會有以下步驟步驟(1)，把傳感器協(xié)調與距離計算模塊裝入各傳感器節(jié)點所述各傳感器節(jié)點包括徽章，等于或多于一個，由徽章電源、單片機、以及分別與單片機相連的超聲波發(fā)射器和射頻收發(fā)器組成，該單片機內裝有傳感器協(xié)調與距離計算模塊；超聲波發(fā)射器采用全向型設計，由5個彼此正交的發(fā)射器組成；徽章由需定位的目標攜帶或者安裝在該目標上，按照該傳感器協(xié)調與距離計算模塊中所述的信道分配方法，同時發(fā)射射頻信號和超聲波信號，其中射頻信號調制了該徽章的身份標識；閱讀器，數(shù)量在一個以上，是部署在室內固定位置的，由超聲波接收器、單片機、受控制于該單片機的射頻收發(fā)器以及接口構成，該接口包括USB和并口電路；在該單片機內裝有傳感器協(xié)調和距離計算模塊，當該閱讀器接收到徽章發(fā)出的射頻信號和超聲波信號時，測得該兩者的到達的時間差，并據(jù)此計算該閱讀器與所述徽章的距離；連接器，只有一個，由單片機、受控制于該單片機的射頻收發(fā)器，以及接口組成；單片機內裝有傳感器協(xié)調和距離計算模塊，該連接器無線接收來自閱讀器發(fā)出的距離數(shù)據(jù)包；所述傳感器協(xié)調和距離計算模塊依次按以下步驟執(zhí)行信道分配和距離計算程序步驟(1.a)各閱讀器和徽章偵聽射頻信道；步驟(1.b)徽章A同時發(fā)射射頻和超聲波信號；步驟(1.c)某閱讀器接收到射頻信號幀，并指定為定位幀，記錄到達時間；步驟(1.d)所述閱讀器開啟時間計數(shù)器和定時器；定時最長傳播時間T毫秒，T＝超聲波幀在空間內的最大傳播時間-射頻幀發(fā)射時間長(公式1)“—”表示相減；步驟(1.e)所述閱讀器偵聽超聲波信道；步驟(1.f)所述閱讀器判斷最長傳播時間T內是否有超聲波到達；若沒有到達，繼續(xù)執(zhí)行步驟(1.e)，一直到最長傳播時間T時，沒有超聲波到達，則報告距離丟失，返回步驟(1.a)。同時徽章B同時發(fā)射射頻信號和超聲波信號；若有超聲波到達，則關閉計數(shù)器，記錄到達時間；步驟(1.g)按下式計算到達時間差TDoA。
TDoA＝超聲波幀到達時間-射頻幀到達時間(公式2)步驟(1.h)所述閱讀器按下式計算實際的到達時間差tactualtactual＝TDoA+tcom(公式3)tcom為閱讀器收到的射頻幀的時刻與徽章A發(fā)射射頻幀的時刻之差值。
步驟(1.i)根據(jù)所述閱讀器上的溫度傳感器提供的溫度值q，以下式校正聲速vusvus＝331.4+0.6q (公式4)步驟(1.j)按下式計算徽章A與所述閱讀器之間的距離距離＝溫度校正后的vus*tactual(公式5)步驟(1.k)閱讀器把步驟(1.i)得到的距離數(shù)據(jù)以定位幀的形式向所述連接器無線發(fā)送；步驟(2)，把位置計算模塊裝入位置計算機，位置計算機通過USB接口與連接器通信，以接收定位幀，位置計算機通過并口電路與各閱讀器相連，以向該單片機裝入傳感器協(xié)調與距離計算模塊；位置計算模塊依次按以下步驟執(zhí)行步驟(2.a)通過連接器從各閱讀器收集的距離集合中選取有效地的距離值，以克服超聲波從徽章A到所述各閱讀器之間的多徑效應，步驟(2.a)依次含有以下步驟步驟(2.a.1)位置計算機通過USB串口接收所述連接器發(fā)來的以四元組[r，b，d，t]表示的距離數(shù)據(jù)，r為閱讀器ID，b為徽章ID，d為距離值，t為信號發(fā)射時徽章A自己的系統(tǒng)時間戳；步驟(2.a.2)位置計算機把步驟(2.a.1)中的距離數(shù)據(jù)表示為二元組集合[ti，di]，i＝1，2，...，表示時間，集合中元素按時間序列排列；步驟(2.a.3)位置計算機定義距離元組Di＝[ti，di，vi]，其中
vi＝(di-di-1)/(ti-ti-1) (公式6)vi為對應于單位時間間隔的距離差；步驟(2.a.4)，位置計算機建立一個滑動窗口，整個滑動窗口存儲的是每對閱讀器和徽章得到的距離元組的循環(huán)隊列。定義滑動窗口的平均速度為v-=1nΣi=1nvi]]>(公式7)步驟(2.a.5)當位置計算機收到新的距離元組N＝[t，d，v]時，若v≤min{αV-,Vmax},]]>其中vmax為設定的室內目標的最大移動速度，α為設定的最大加速度，則把該四元組N納入滑動窗口中，否則作為無效距離而拒絕；步驟(2.b)位置計算機從步驟(2.a)得到的滑動窗口中推測出各目標的幾何位置。采取的方法如下本定位系統(tǒng)的位置計算才采用了EKF的方法。EKF由循環(huán)的迭代器組成，每一步迭代稱為一個時間步(time-step)，每一時間步由預測和糾正兩個階段組成，每一個新測量值到來，即收到閱讀器報告的新數(shù)據(jù)[ti，di]，i＝1，2，…，都要進行一次時間步的計算。本定位系統(tǒng)的EKF狀態(tài)向量設為6維列向量，記為X＝[x，y，z，vx，vy，vz]T，其中(x，y，z)是徽章的3-D坐標位置，而(vx，vy，vz)是物體在3個坐標軸方向的速度，測量向量m為閱讀器報告的測量距離值d，是一個標量值。在每一個時間步中，位置計算模塊首先計算狀態(tài)向量和誤差協(xié)方差陣的預測值，然后從滑窗過濾器中讀取新距離值(元組)，然后根據(jù)測量值計算Kalman因子并糾正狀態(tài)向量和誤差協(xié)方差陣，之后將糾正后的狀態(tài)向量的位置分量作為徽章的三維坐標值輸出。
步驟(3)，系統(tǒng)初始化步驟(3.1)設置各傳感器節(jié)點的運行模式及參數(shù)，所述參數(shù)至少含有徽章以及閱讀器的ID；徽章發(fā)射定位幀的最短等待時間，最短等待時間為最長傳播時間與定位幀發(fā)射隨機等待時間集中小的一個值Γlocf，Γlocf為設定值；徽章發(fā)射定位幀的最長等待時間，最長等待時間為最長傳播時間與定位幀發(fā)射隨機等待時間集中大的一個值Γlocc，Γlocc為設定值；設定超聲波的最長傳播時間，單位為us；步驟(3.2)，向各閱讀器坐標位置寫入位置計算需要的系統(tǒng)配置文件，單位為cm，是整數(shù)；步驟(4)用戶訪問位置計算機按步驟(1)、步驟(2)所述方法獲得目標位置。
2.在步驟(1)中，在徽章等待信道空閑后的T時間后，再等待t時間才發(fā)射信息，t是[Γlocf，Γlocc]集中的一個隨機數(shù)。
3.在所述步驟(1)中，各閱讀器在發(fā)射數(shù)據(jù)幀之前需要等待一段時間τ，τ是
中的一種隨機數(shù)，其中Γdata≤T-Ddata；Ddata為數(shù)據(jù)幀發(fā)射時間。
4.Γdata取上限為45ms，此時徽章最大覆蓋范圍為15m，射頻幀發(fā)射時間為15/331＝45ms。
我們已研制出本定位系統(tǒng)的試驗型原型，從原型系統(tǒng)及其相應的試驗結果來看，本定位系統(tǒng)下面主要優(yōu)點◆能在室內環(huán)境中工作。
◆能同時對多個目標定位跟蹤，不依賴于環(huán)境(如光照、用戶表情、服飾等)準確地區(qū)分其身份(ID)。
◆高精度，平均定位誤差(3維距離誤差)小于1dm。
◆移動目標的定位精度應該與靜止目標物體接近；能以較高的頻率刷新目標的位置。
◆全向型的工作區(qū)域，系統(tǒng)在各個方向上都檢測到被定位目標的位置?；照碌墓ぷ鲄^(qū)為-180°～+180°的半球形區(qū)域，徽章無阻擋的工作距離為15m。
◆無線傳感器節(jié)點的尺寸為8.8×3.0×4.3cm?；照聨щ姵?鋰電池)的重量約為50g。小巧，輕便，無需附加在其他設備(計算機、PDA等)上也能工作，攜帶方便。
◆各無線傳感器節(jié)點通過無線信號通信，無需另外布線，便于室內部署。


圖1多邊形定位法的工作原理。
圖2被動模式定位系統(tǒng)的同時條件。
圖3系統(tǒng)的組成和工作原理。
圖4本定位系統(tǒng)使用快照。
圖5徽章樣機。
圖6閱讀器樣機。
圖7連接器樣機。
圖8超聲波和射頻幀不匹配。
圖9帶數(shù)據(jù)通信的隨機后退CSMA。
圖10定位信號接收過程。
圖11接收和距離計算流程。
圖12滑窗過濾器算法。
圖13位置計算步驟。
圖14徽章的運行模式和參數(shù)設置。
圖15閱讀器的運行模式和參數(shù)設置。
圖16連接器的運行模式和參數(shù)設置。
圖17本定位系統(tǒng)的位置服務界面。
圖18本定位系統(tǒng)的空間事件服務界面。
具體實施例方式
本發(fā)明包括一下幾個部分I)傳感器節(jié)點電路包括徽章、閱讀器、連接器三種節(jié)點的電路設計。
II)傳感器協(xié)調與距離計算方法傳感器協(xié)調控制方法運行于各傳感器節(jié)點上。它協(xié)調各傳感器的信道分配，并計算距離。
III)位置計算方法位置計算方法運行于位置計算單元上。它完成的功能包括收集本定位系統(tǒng)各傳感器的數(shù)據(jù)；計算目標位置；作為應用程序存取位置的服務器。
下面是本發(fā)明各個部分的詳細說明。
1、傳感器節(jié)點電路用模塊化硬件以不同的配置來組建。各模塊的名稱、功能和對應電路圖說明在表1中。
表1傳感器節(jié)點的各個模塊說明

在表1中模塊⑤是復合模塊，它是由模塊③和模塊④共同構成的。本定位系統(tǒng)的3種傳感器節(jié)點由表1中各模塊組組合而成，并且我們已經為節(jié)點設計出樣機。各傳感器節(jié)點的模塊配置說明在表2中，而對應樣機顯示在圖5～圖7中。
表2傳感器節(jié)點模塊組成

從圖5中可以看出為了克服超聲波信號在方向區(qū)域上的限制，本定位系統(tǒng)對徽章采用了全向型發(fā)射器的設計，該發(fā)射器由5個彼此正交的傳感器組成。圖中1元硬幣和厘米尺是作為其大小對比的參照物。要說明的是，傳感器節(jié)點需要預先寫入(或者說燒制)本定位系統(tǒng)的傳感器協(xié)調與距離計算方法，這時所用的連接單元均采用模塊⑦。在預先寫入階段，各傳感器按照模塊⑧的說明與模塊⑦連接，同時模塊⑦的并口連接到計算機的并口，寫入后各傳感器(連接器除外)可以拔下單獨運行。模塊⑦作為連接器的一部分運行時，需要將并口拔下，插上USB口的連接線，并通過一個USB轉串口的轉換器(簡稱USB-COM轉換器)連接到計算機的串口上。
傳感器節(jié)點的芯片主要來自于Max[1]、Atmel[2]和Chipcon[3]等公司。例如模塊④的微控制器采用Atmel公司的8位AVR微控制器Atmega128L[4]，片內含4KB的電可擦除可編程只讀存儲器EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)，為了提高節(jié)點存儲數(shù)據(jù)能力，該模塊外接了一個512KB的FLASH存儲器。又如模塊③中射頻發(fā)射芯片采用的是Chipcon公司的CC1000[5]，其工作頻率433MHz，最高數(shù)據(jù)傳輸率19.2Kb/s。模塊①中超聲波發(fā)射采用40KHz的矩形信號驅動。傳感器節(jié)點的性能指標顯示在表3中。
表3傳感器節(jié)點性能指標

2、傳感器協(xié)調與距離計算方法傳感器協(xié)調與距離計算方法在系統(tǒng)運行之前，預先寫入各傳感器節(jié)點，保存在節(jié)點的EEPROM中。本定位系統(tǒng)的原型系統(tǒng)實現(xiàn)此傳感器協(xié)調與距離計算方法時采用TinyOS[6]作為其操作系統(tǒng)，NesC[7]作為編程語言(一種類似于C風格的語言)。根據(jù)其功能的劃分，本傳感器協(xié)調與距離計算方法包括2個模塊信道分配模塊(或稱傳感器協(xié)調模塊)，距離計算模塊。
1)信道分配模塊本定位系統(tǒng)是一個跟蹤多目標的系統(tǒng)，系統(tǒng)中有多個傳感器節(jié)點同時工作，而無論超聲波還是射頻都屬于一種共享型的信道，即某個時刻只能為某個節(jié)點所獨占。如何為傳感器分配信道，同時組織各傳感器的通信是定位系統(tǒng)首先要解決的工作，此工作又稱協(xié)調各傳感器節(jié)點。完成此項工作的模塊是信道分配模塊，又稱傳感器協(xié)調模塊。在此模塊上我們發(fā)明了一種稱為“帶數(shù)據(jù)通信的隨機后退CSMA(Carrier Sense Multiple Access)”的機制，簡稱RB-CSMA。
傳統(tǒng)的信道分配機制是LAN(局域網)、WLAN(無線局域網)、蜂窩網等采用的介質存取訪問MAC(Medium Access Control)方法。這些方法中，需要解決的僅僅是為一種介質(即無線信號)分配信道的問題，而本定位系統(tǒng)面臨的是要為射頻和超聲波兩種介質同時分配信道的問題，在此問題上如果采用傳統(tǒng)的MAC機制會出現(xiàn)超聲波和射頻幀不匹配的問題。
如圖81所示，徽章A同時發(fā)射射頻和超聲波，過一段時間后站點B偵聽到射頻信號空后也發(fā)射射頻和超聲波。但是某閱讀器到徽章A和B的距離不同，導致徽章B的超聲波幀先于徽章A的超聲波幀到達，由于超聲波幀不攜帶ID信息，收聽站點誤以為超聲波幀B對應射頻幀A，根據(jù)這種TDoA計算出來的距離卻是錯誤的。因此對傳感器進行信道分配時必須妥善地處理這個問題。在此問題上我們發(fā)明了一種RB-CSMA的方法，它避免超聲波和RF的不匹配，而且實現(xiàn)了定位和數(shù)據(jù)通信的雙重功能，此方法不依賴于中心節(jié)點的調度，不需要復雜的編解碼算法(如碼分多路訪問CDMA)，也不需要嚴格的時間同步(如時分多路訪問TDMA)，實現(xiàn)簡單，硬件要求低，而信道利用率比較高。該方法描述如下如圖9所示，在RB-CSMA機制中，徽章在偵聽到射頻信道空閑時要求至少等待一段時間T后才能發(fā)射射頻和超聲波，其中T＝超聲波幀在空間內的最大傳播時間-射頻幀發(fā)射時間長(公式8)在下文中將T簡稱最長傳播時間。例如目前本定位系統(tǒng)單個徽章的最大覆蓋范圍為15m，因此T的取值為T＝15m/v聲速-RF幀發(fā)射時間≈15/331＝45ms (公式9)在圖9中可以看出，在某徽章發(fā)射完射頻和超聲波幀的T時間內，都不會后其他徽章發(fā)射，而T時間恰好保證了超聲波幀能到達空間最大覆蓋范圍的任何地方，這樣避免了超聲波和RF的不匹配。為了避免偵聽到信道空閑后兩個以上的徽章同時發(fā)射，RB-CSMA要求徽章等待信道空閑T時間后，再等待t時間后才發(fā)射信息，t是從[Γlocf，Γlocc]集中的一個隨機數(shù)，這樣使得每個徽章信道空閑后發(fā)射信號的時刻均勻分布在[Γlocf，Γlocc]區(qū)間內，避免了多個徽章選擇在同一時刻發(fā)射信號而產生沖突。
1圖中RF表示射頻，US表示超聲波，下面的圖類似。
另一方面，在各徽章等待發(fā)射的T時間內，閱讀器將距離以數(shù)據(jù)幀(下面簡稱數(shù)據(jù)幀，同樣以射頻的形式發(fā)射，為了與徽章發(fā)射定位用的射頻信號區(qū)別，稱后者為定位幀)的形式發(fā)射出去。各閱讀器發(fā)射數(shù)據(jù)幀之前也要等待一段τ時間，τ是從
集中的一個隨機數(shù)，其中Γdata≤T-Ddata，Ddata為數(shù)據(jù)幀的發(fā)射時間長，而在我們的原型系統(tǒng)的試驗中Γdata取其上限。這種機制使得閱讀器發(fā)射距離的機率均勻分布在(0，Γdata)時間內，避免多個閱讀器選擇在同一時刻發(fā)射數(shù)據(jù)幀而產生沖突。
2)距離計算模塊距離計算模塊實現(xiàn)從射頻和超聲波的TDoA來推算距離。在距離計算中面臨下面幾個方面的問題◆如何處理信號(超聲波)接收不到的問題由于超聲波傳播對室內設備阻擋敏感，使得射頻信道的傳播距離遠大于超聲波的傳播距離，閱讀器可能會接收到射頻定位幀，卻接收不到超聲波。
◆還原實際TDoA通過原型系統(tǒng)的試驗表明，系統(tǒng)檢測到的時間差Δt也并非完全對應著實際的達到時間差tactual，如圖10所示(此圖中發(fā)射節(jié)點即徽章，接收節(jié)點即閱讀器)，它還包括信號同步所需要的時間等，在進入距離計算之前需要還原信號真實的TDoA。
◆聲速校正從TDoA推算出距離過程中，聲速是一個影響精度的重要參數(shù)。事實上超聲波的傳播速度也不是一個固定的值，它受溫度的影響而有相應的波動。
在此問題上，本定位系統(tǒng)分別采用有效時間檢測、時間補償和溫度傳感器引導的速度修正等方法來克服以上問題。該程序流程如圖11所示。
從圖11可以看出，當閱讀器接收到射頻定位幀后T(最長傳播時間)時間內沒有收到超聲波幀，則認為超聲波幀丟失，用這種方式處理處理信號接收不到的問題。圖11的tcom表示圖10的同步所需時間，它通過試驗來測得。圖中的聲速是按照物理學中的聲速-溫度公式來設定的。
3、位置計算方法位置計算在位置計算單元上完成，其工作包括距離過濾和位置計算兩部分。前者用于從各閱讀器收集的距離集合中選取有效的距離值，后者從距離推算出各目標的幾何位置。下面分別說明如下1)距離過濾模塊從各閱讀器收集到位置計算單元的距離值不都是有效值。由于室內墻壁、家具等設施對超聲波的反射和阻擋，使得超聲波從徽章到閱讀器之間走的不是視覺直線LOS(Line-of-Sight)，這就是信號的多徑效應。產生多徑效應后，從這種TDoA計算出來的距離不是LOS的長度，而是折線的長度，這種距離值是無效的，進入位置計算之前，這些無效數(shù)據(jù)必須被過濾掉。在此問題上，本定位系統(tǒng)采用了滑窗過濾器的方法來對距離值進行過濾。
位置計算單元從串口接收的數(shù)據(jù)可表示為四元組[r，b，d，t]，r為閱讀器ID，b為徽章ID，d為距離值，t為信號發(fā)射時的時間戳(此時間戳是徽章自己的系統(tǒng)時間，每個徽章的時間不要求同步)。對于每對閱讀器和徽章，其距離數(shù)據(jù)可表示為二元組集合[ti，di]，i＝1，2，…，集合中元素按時間序排列。我們定義距離元組D為Di＝[ti，di，vi]，其中vi＝(di-di-1)/(ti-ti-1)。每個滑動窗口(簡稱滑窗)是一個為每對閱讀器和徽章存儲近來距離元組的循環(huán)隊列。定義滑窗的平均速度為V-=1nΣi=1nvi.]]>當接受到新的距離元組N＝[t，d，v]時，如果v≤min{αV-,Vmax},]]>則將它入到滑動窗口中，否則它作為無效距離而拒絕。上式中Vmax是室內物體的最大速度，而α代表最大加速度。該方法的流程如圖12所示。
2)位置計算模塊位置計算完成從距離推算出各目標的幾何位置的工作。理論上，位置計算只要簡單地采用三角形或多邊形定位法就可以實現(xiàn)，但實際上面臨不少問題需要解決◆在距離值個數(shù)不等于4個時如何計算位置位置計算模塊某時刻從距離過濾模塊單元接收到的數(shù)據(jù)可以表示為二元組集[pi，di]i＝0，…，n-1。其中pi＝(xi，yi，zi)為第i個閱讀器的位置，它事先已知。而n是該時刻報告有效距離值的閱讀器的個數(shù)，或者說有效距離個數(shù)。記欲求的徽章位置為φ＝(x，y，z)，理論上多邊形定位法位置計算是求解下面方程(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2=d02……(x-xn-1)2+(y-yn-1)2+(z-zn-1)2=dn-12]]>(公式10)(公式10)有唯一解的條件是n＝4。然而為了追求信號覆蓋的穩(wěn)定性，人們在某空間內布置的閱讀器數(shù)量可能會多于4個，這樣使得某時刻有效距離值會又會大于4個。另一方面，由于環(huán)境的噪聲干擾，使得某時候接收到的有效距離值會小于4個。如果我們想簡單地應用多邊形定位法來推算位置，當距離值個數(shù)不等于4時，這種方法往往會失效。
◆距離值偏離于實際值，如何處理這種測量噪聲由于來自硬件、軟件和環(huán)境的種種因素，接收測量出來的距離值多少偏離于實際值。這種偏差稱為測量噪聲，它是不可避免的。盡管滑窗濾波能過濾掉由多徑效應引起的距離噪聲，但它不能處理由測量本身引起的噪聲。如果不仔細處理好這種測量噪聲，勢必會給位置的計算帶來不可忽視的影響。
◆距離偏差會不會造成在位置計算上的誤差放大由于測量噪聲的存在，使得報告距離偏離于實際值，這種誤差造成位置計算上的偏差。問題是距離偏差會不會造成在位置計算上的誤差放大，位置誤差隨著計算步驟的增加會不會收斂？◆計算復雜度如何控制使其不過于大位置計算的復雜度不宜過大，否則過長時間計算出來的位置很可能由于目標的移動而變得過時，使其實際意義大打折扣。
在此問題上，本定位系統(tǒng)采用了一種擴展卡爾曼濾波器(EKF，Extended Kalman Filter)的方法來計算目標位置。擴展卡爾曼濾波器是基于觀測值對系統(tǒng)狀態(tài)進行迭代的預測和校正，并最終估計出系統(tǒng)的狀態(tài)的方法。
該方法有如下特點◆不要求距離值大于4個，也不要求其同步。
即使只收到一個距離值，EKF可以計算出位置。進入EKF計算的距離值也不要求處于同一時刻。
◆在測量誤差特征已知的情況能保證估計值和實際值之間的誤差方差最小。
在EKF中，如果目標保持線性狀態(tài)或靜止，迭代步驟越多，則誤差會越小。
◆計算復雜度低。
鑒于以上優(yōu)點，本定位系統(tǒng)的位置計算才采用了EKF的方法。EKF由循環(huán)的迭代器組成，每一步迭代稱為一個時間步(time-step)，每一時間步由預測和糾正兩個階段組成，每一個新測量值到來，即收到閱讀器報告的新數(shù)據(jù)[ti，di]，i＝1，2，…，都要進行一次時間步的計算。本定位系統(tǒng)的EKF狀態(tài)向量設為6維列向量，記為X＝[x，y，z，vx，vy，vz]T，其中(x，y，z)是徽章的3-D坐標位置，而(vx，vy，vz)是物體在3個坐標軸方向的速度，測量向量m為閱讀器報告的測量距離值d，是一個標量值。在每一個時間步中，位置計算模塊首先計算狀態(tài)向量和誤差協(xié)方差陣的預測值，然后從滑窗過濾器中讀取新距離值(元組)，然后根據(jù)測量值計算Kalman因子并糾正狀態(tài)向量和誤差協(xié)方差陣，之后將糾正后的狀態(tài)向量的位置分量作為徽章的三維坐標值輸出。整個位置計算模塊的流程如圖13所示。
目前本發(fā)明已經研制原型系統(tǒng)，該原型系統(tǒng)在清華大學FIT樓3區(qū)5樓進行了試驗。試驗反映的系統(tǒng)性能在“發(fā)明內容”部分已經說明。下面結合附圖，對本發(fā)明的具體實施進行詳細說明。
步驟1將傳感器協(xié)調與距離計算方法寫入各傳感器節(jié)點。
步驟1.1將傳感器節(jié)點與接口模塊按照表1的模塊⑧所說明的方式連接好。將接口模塊的并口連接到計算機，USB口斷開。
步驟1.2計算機上運行TinyOS平臺，并將本系統(tǒng)的軟件包中下面3個目錄的內容拷貝至系統(tǒng)根目錄下。
/apps/Cicada/Cicada application/apps/Makerules/tos/platform/Cicada/步驟1.3然后運行下面命令#MIB510＝/dev/ttyS0#make Cicada install步驟2設置各個傳感器節(jié)點的運行模式和參數(shù)。
步驟2.1將傳感器節(jié)點與接口模塊按照表1的模塊⑧所說明的方式連接好。將接口模塊的并口斷開，插上USB口通過USB-COM的轉接頭連接到計算機的串口COM1。
步驟2.2啟動超級終端，◆用戶如果是window平臺則啟動HyperTerminal，并按照表4設置參數(shù)。
表4Windows超級終端設置

◆用戶如果是Linux平臺則啟動Minicom，在根目錄下運行minicom-o-s然后按照表4內容進行設置。
步驟2.3在超級終端下設置傳感器節(jié)點的運行模式和參數(shù)。超級終端中使用的命令集顯示在表5中。
表5超級終端的命令集

*最短等待時間＝最長傳播時間T+定位幀發(fā)射隨機等待時間集的下界Γlocf，而最長等待時間＝最長傳播時間T+定位幀發(fā)射隨機等待時間集的上界Γlocc應用表5的命令對徽章、閱讀器和連接器分別設置，其設置步驟分別顯示在圖14、圖15和圖16中。
在圖14～圖16顯示的傳感器節(jié)點的設置中，用戶如果覺得缺省值最合適實際情況，就可以跳過相應的命令。要說明的是，由于本定位系統(tǒng)采用的RB-CSMA的MAC機制，當空間定位目標較多時，為了減少沖突的概率，需要將定位幀發(fā)射等待時間適當?shù)脑龃?。?是我們推薦的定位目標與發(fā)射等待時間設置。
表6定位目標數(shù)與推薦的發(fā)射等待時間設置


步驟3部署各個閱讀器并設置系統(tǒng)配置文件<p>步驟3.1在各個空間內部署閱讀器。部署時請注意下面幾點◆在每個10m×10m×5m的空間內至少部署4個(包括4個)閱讀器，用戶可以根據(jù)室內環(huán)境中盲區(qū)出現(xiàn)情況，適當?shù)卦黾娱喿x器數(shù)。<p>◆閱讀器不要部署在同一個圓上。
◆閱讀器最好遠離熒光燈。試驗表明，熒光燈工作時對系統(tǒng)的干擾比較大，造成定位精度下降。<p>步驟3.2確定系統(tǒng)的坐標系，并測量該坐標系下的各個閱讀器的3-D坐標。要說明的是該坐標系是本定位系統(tǒng)唯一的坐標系，目標位置也是以該坐標系的3-D坐標來表示的。
步驟3.3將各閱讀器坐標位置寫入系統(tǒng)配置文件CReaderLoc.ini。CReaderLoc.ini是一個文本文件，每一行表示一個閱讀器在空間的位置，以回車符結尾，其格式如表7所示。表中每一項之間以空格或跳格鍵隔開，X、Y、Z坐標值均是以cm為單位的整數(shù)，也就是說測量精確到cm。請用戶按照表中格式填寫空間中各閱讀器坐標位置。
表7系統(tǒng)配置文件格式

步驟4準備并運行系統(tǒng)<p>步驟4.1將設置為連接器的傳感器節(jié)點與接口模塊按照表1的模塊⑧所說明的方式連接好，將接口模塊的并口斷開，插上USB口通過USB-COM的轉接頭連接到計算機的串口COM1。
步驟4.2將各閱讀器的電源開關打開<p>步驟4.3在Windows平臺運行應用程序LocServer.exe。注意運行之前請保證系統(tǒng)配置文件與應用程序在同一個文件夾下。
步驟4.4將徽章綁定或佩戴到需要定位目標上，打開徽章的電源開關。這樣隨著定位目標或靜止或移動，本定位系統(tǒng)能平均每隔(最短等待時間+最長等待時間)/2的時間間隔(又稱位置刷新頻率的倒數(shù))提供目標的位置。注意當徽章工作時，板上的黃色燈將會閃爍，表示它正在發(fā)射超聲波。
步驟5應用訪問本定位系統(tǒng)獲得位置或監(jiān)控其運行。下面列出的兩個步驟是并列的，一個用于應用訪問本定位系統(tǒng)獲得位置，另一個是監(jiān)控本定位系統(tǒng)運行的工具軟件。
應用一訪問本定位系統(tǒng)獲得位置。應用可以通過存取本定位系統(tǒng)應用程序同文件夾下的LocRec.txt來查詢目標的位置。LocRec.txt是一個文本文件，屬于字符流格式，每一行記錄了某目標的某個時刻的位置。每一行的格式如表8所示。
表8目標位置輸出文件行格式

表8中目標ID即徽章的ID，系統(tǒng)時間戳表示本定位系統(tǒng)計算出該位置的時間，也就是說明在該時刻目標的位置，表中每一項以“，”隔開。
應用二本定位系統(tǒng)的監(jiān)控工具。為了能動態(tài)地顯示本定位系統(tǒng)的運行結果，我們附屬開發(fā)了一個圖形化監(jiān)控本定位系統(tǒng)運行的軟件——LocClient。運行本定位系統(tǒng)應用程序同文件夾下的LocClient.exe程序即進入本定位系統(tǒng)監(jiān)控。LocClient在一個3-D坐標與本定位系統(tǒng)位置刷新頻率相同的及時顯示目標的位置，該3-D坐標系可以任意拖動來調節(jié)視角，其運行界面如圖17所示。此外，本定位系統(tǒng)還提供一些空間事件服務，如，當目標進入/離開某空間，開徽章(等同于進入空間事件)/關徽章(等同于離開空間事件)等時刻會提供相應的事件通知。本定位系統(tǒng)的空間事件服務界面如圖18所示。
參考文獻[1]http://www.maxim-ic.com[2]http://www.atmel.com[3]http://www.chipcon.com[4]Atmel Corporation.8-bit Microcontroller with 128K Bytes In-System Programmable FlashATmega128/ATmega128L.http://www.atmel.com，2004[5]Chipcon Corporation.SmartRFCC1000 Datasheet.http://www.chipcon.com，2004[6]http://www.tinyos.net[7]David Gay，Philip Levis，David Culler，Eric Brewer.nesC 1.1 Language Reference Manual，2003，http://nescc.sourceforge.net/papers/nesc-ref.pdf
權利要求
1.一種跟蹤多移動目標室內精確定位方法，其特征在于，依次會有以下步驟步驟(1)，把傳感器協(xié)調與距離計算模塊裝入各傳感器節(jié)點所述各傳感器節(jié)點包括徽章，等于或多于一個，由徽章電源、單片機、以及分別與單片機相連的超聲波發(fā)射器和射頻收發(fā)器組成，該單片機內裝有傳感器協(xié)調與距離計算模塊；超聲波發(fā)射器采用全向型設計，由5個彼此正交的發(fā)射器組成；徽章由需定位的目標攜帶或者安裝在該目標上，按照該傳感器協(xié)調與距離計算模塊中所述的信道分配方法，同時發(fā)射射頻信號和超聲波信號，其中射頻信號調制了該徽章的身份標識；閱讀器，數(shù)量在一個以上，是部署在室內固定位置的，由超聲波接收器、單片機、受控制于該單片機的射頻收發(fā)器以及接口構成，該接口包括USB和并口電路；在該單片機內裝有傳感器協(xié)調和距離計算模塊，當該閱讀器接收到徽章發(fā)出的射頻信號和超聲波信號時，測得該兩者的到達的時間差，并據(jù)此計算該閱讀器與所述徽章的距離；連接器，只有一個，由單片機、受控制于該單片機的射頻收發(fā)器，以及接口組成；單片機內裝有傳感器協(xié)調和距離計算模塊，該連接器無線接收來自閱讀器發(fā)出的距離數(shù)據(jù)包；所述傳感器協(xié)調和距離計算模塊依次按以下步驟執(zhí)行信道分配和距離計算程序步驟(1.a)各閱讀器和徽章偵聽射頻信道；步驟(1.b)徽章A同時發(fā)射射頻和超聲波信號；步驟(1.c)某閱讀器接收到射頻信號幀，并指定為定位幀，記錄到達時間；步驟(1.d)所述閱讀器開啟時間計數(shù)器和定時器；定時最長傳播時間T毫秒，T＝超聲波幀在空間內的最大傳播時間-射頻幀發(fā)射時間長“-”表示相減；步驟(1.e)所述閱讀器偵聽超聲波信道；步驟(1.f)所述閱讀器判斷最長傳播時間T內是否有超聲波到達；若沒有到達，繼續(xù)執(zhí)行步驟(1.e)，一直到最長傳播時間T時，沒有超聲波到達，則報告距離丟失，返回步驟(1.a)；同時徽章B同時發(fā)射射頻信號和超聲波信號；若有超聲波到達，則關閉計數(shù)器，記錄到達時間；步驟(1.g)按下式計算到達時間差TDoATDoA＝超聲波幀到達時間-射頻幀到達時間步驟(1.h)所述閱讀器按下式計算實際的到達時間差tactualtactual＝TDoA+tcomtcom為閱讀器收到的射頻幀的時刻與徽章A發(fā)射射頻幀的時刻之差值；步驟(1.i)根據(jù)所述閱讀器上的溫度傳感器提供的溫度值q，以下式校正聲速vusvus＝331.4+0.6q，步驟(1.j)按下式計算徽章A與所述閱讀器之間的距離距離＝溫度校正后的vus*tactual；步驟(1.k)閱讀器把步驟(1.i)得到的距離數(shù)據(jù)以定位幀的形式向所述連接器無線發(fā)送；步驟(2)，把位置計算模塊裝入位置計算機，位置計算機通過USB接口與連接器通信，以接收定位幀，位置計算機通過并口電路與各閱讀器相連，以向該單片機裝入傳感器協(xié)調與距離計算模塊；位置計算模塊依次按以下步驟執(zhí)行步驟(2.a)通過連接器從各閱讀器收集的距離集合中選取一定范圍內偏差的有效的距離值，以克服超聲波從徽章A到所述各閱讀器之間的多徑效應，步驟(2.a)依次含有以下步驟步驟(2.a.1)位置計算機通過USB串口接收所述連接器發(fā)來的以四元組[r，b，d，t]表示的距離數(shù)據(jù)，r為閱讀器ID，b為徽章ID，d為距離值，t為信號發(fā)射時徽章A自己的系統(tǒng)時間戳；步驟(2.a.2)位置計算機把步驟(2.a.1)中的距離數(shù)據(jù)表示為二元組集合[ti，di]，i＝1，2，...，表示時間，集合中元素按時間序列排列；步驟(2.a.3)位置計算機定義距離元組Di＝[ti，di，vi]，其中vi＝(di-di-1)/(ti-ti-1)vi為對應于單位時間間隔的距離差；步驟(2.a.4)，位置計算機建立一個滑動窗口，整個滑動窗口存儲的是每對閱讀器和徽章得到的距離元組的循環(huán)隊列；定義滑動窗口的平均速度為v-=1n&Sigma;i=1nvi;]]>步驟(2.a.5)當位置計算機收到新的距離元組N＝[t，d，v]時，若v&le;min{&alpha;V&OverBar;,Vmax}]]>，其中vmax為設定的室內目標的最大移動速度，α為設定的最大加速度，則把該四元組N納入滑動窗口中，否則作為無效距離而拒絕；步驟(2.b)位置計算機從步驟(2.a)得到的滑動窗口中推測出各目標的幾何位置；采取的方法如下本定位系統(tǒng)的位置計算才采用了EKF的方法；EKF由循環(huán)的迭代器組成，每一步迭代稱為一個時間步(time-step)，每一時間步由預測和糾正兩個階段組成，每一個新測量值到來，即收到閱讀器報告的新數(shù)據(jù)[ti，di]，i＝1，2，...，都要進行一次時間步的計算；本定位系統(tǒng)的EKF狀態(tài)向量設為6維列向量，記為X＝[x，y，z，vx，vy，vz]T，其中(x，y，z)是徽章的3-D坐標位置，而(vx，vy，vz)是物體在3個坐標軸方向的速度，測量向量m為閱讀器報告的測量距離值d，是一個標量值；在每一個時間步中，位置計算模塊首先計算狀態(tài)向量和誤差協(xié)方差陣的預測值，然后從滑窗過濾器中讀取新距離值，然后根據(jù)測量值計算Kalman因子并糾正狀態(tài)向量和誤差協(xié)方差陣，之后將糾正后的狀態(tài)向量的位置分量作為徽章的三維坐標值輸出；步驟(3)，系統(tǒng)初始化步驟(3.1)設置各傳感器節(jié)點的運行模式及參數(shù)，所述參數(shù)至少含有徽章以及閱讀器的ID；徽章發(fā)射定位幀的最短等待時間，最短等待時間為最長傳播時間與定位幀發(fā)射隨機等待時間集中小的一個值Гlocf，Γlocf為設定值；徽章發(fā)射定位幀的最長等待時間，最長等待時間為最長傳播時間與定位幀發(fā)射隨機等待時間集中大的一個值Гlocc，Гlocc為設定值；設定超聲波的最長傳播時間，單位為us；步驟(3.2)，向各閱讀器坐標位置寫入位置計算需要的系統(tǒng)配置文件，單位為cm，是整數(shù)；步驟(4)用戶訪問位置計算機按步驟(1)、步驟(2)所述方法獲得目標位置。
2.根據(jù)權利要求1，所述的一種跟蹤多移動目標室內精確定位方法，其特征在于，在步驟(1)中，在徽章等待信道空閑后的T時間后，再等待t時間才發(fā)射信息，t是[Гlocf，Гlocc]集中的一個隨機數(shù)。
3.根據(jù)權利要求1，所述的一種跟蹤多移動目標室內精確定位方法，其特征在于，在所述步驟(1)中，各閱讀器在發(fā)射數(shù)據(jù)幀之前需要等待一段時間τ，τ是
中的一種隨機數(shù)，其中Гdata≤T-Ddata；Ddata為數(shù)據(jù)幀發(fā)射時間。
4.根據(jù)權利要求3，所述的一種跟蹤多移動目標室內精確定位方法，其特征在于，Гdata取上限為45ms，此時徽章最大覆蓋范圍為15m，射頻幀發(fā)射時間為15/331＝45ms。
全文摘要
本發(fā)明屬于室內無線傳感器網絡技術領域，其特征在于本發(fā)明的徽章是移動的，閱讀器是固定的，位置計算機通過連接器無線接收不同時刻的徽章和閱讀器的距離數(shù)據(jù)，在徽章、閱讀器、連接器的CPU上都設置信道分配和距離計算模塊，在位置計算機上設置位置計算模塊，利用從徽章上同時發(fā)射的射頻和超聲波信號到達閱讀器的時間差來計算距離，利用擴展卡爾曼濾波器來計算位置。同時，還提出了防止多個徽章選擇在同一時刻發(fā)射信號以及多個閱讀器在同一時刻發(fā)射數(shù)據(jù)幀而引發(fā)的沖突。本發(fā)明對于室內目標定位精度在1分米以下。而且結構簡單，計算量也少。
文檔編號G01S15/74GK1963561SQ20061014428
公開日2007年5月16日 申請日期2006年12月1日 優(yōu)先權日2006年12月1日
發(fā)明者史元春, 陳渝, 谷紅亮, 江文峰, 孫云峰 申請人:清華大學