本發(fā)明涉及室內(nèi)定位技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種用于室內(nèi)定位的二次加權(quán)質(zhì)心確定方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù):
隨著科技發(fā)展和人類活動(dòng)方式的不斷改變,室內(nèi)環(huán)境進(jìn)一步擴(kuò)大,布局也趨于復(fù)雜,人們對(duì)于位置信息的需求也越來越大,越來越多的室內(nèi)定位技術(shù)被應(yīng)用于位置確定、室內(nèi)導(dǎo)航、社交娛樂、信息推薦等領(lǐng)域之中。
與室外定位有所不同,室內(nèi)定位一般處于相對(duì)封閉的環(huán)境之中,定位的規(guī)模與范圍都比較小,室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜,波直達(dá)路徑嚴(yán)重受影響,因此室內(nèi)定位在定位精度、可靠性、安全性、復(fù)雜度、方向識(shí)別等方面都有著有別于室外定位的特點(diǎn)。
在室內(nèi)定位的各種解決方案中,依據(jù)對(duì)于待測(cè)量的節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的距離測(cè)量與否為基準(zhǔn)可以將室內(nèi)定位算法分為非測(cè)距與測(cè)距的定位算法?;诜菧y(cè)距的定位算法主要包括:APIT算法、基于RSSI的指紋定位算法等;基于測(cè)距的定位算法主要包括:TOA算法、TDOA算法、基于RSSI測(cè)量估計(jì)信道模型的方法等。盡管基于非測(cè)距的定位算法實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單,不需要進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的距離測(cè)量,但同時(shí)也存在了對(duì)于錨節(jié)點(diǎn)分布要求高、算法定位精度較差等問題,最重要的是大部分基于非測(cè)距的室內(nèi)定位算法并不十分適用于我們所期望應(yīng)用到的室內(nèi)環(huán)境。
目前,室內(nèi)定位技術(shù)種類繁多,如無線局域網(wǎng)(WLAN)、射頻標(biāo)簽(RFID)、紫蜂(Zigbee)、藍(lán)牙(Bluetooth)、超寬帶無線電(UltraWideBand)、地磁場(chǎng)、強(qiáng)紅外定位、光跟蹤定位、計(jì)算機(jī)視覺定位、超聲波定位等?,F(xiàn)有室內(nèi)定位技術(shù)如WLAN、超寬帶無線電等系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了局域室內(nèi)高精度定位,但定位成本相對(duì)很高,同時(shí)利用指紋數(shù)據(jù)庫定位方法對(duì)于數(shù)據(jù)庫的維護(hù)代價(jià)很大,不僅如此節(jié)點(diǎn)的損壞將嚴(yán)重影響定位算法的可靠性,這使得室內(nèi)位置服務(wù)發(fā)展遇到了很大的阻力。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
因此,有必要提供一種比傳統(tǒng)的加權(quán)質(zhì)心算法的定位精度更優(yōu)的用于室內(nèi)定位的二次加權(quán)質(zhì)心確定方法及系統(tǒng)。
一種用于室內(nèi)定位的二次加權(quán)質(zhì)心確定方法,其包括如下步驟:
S1、分別以三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)為圓心,以未知節(jié)點(diǎn)U到上述三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離d1、d2、d3為半徑做圓,三個(gè)圓形的交點(diǎn)為未知節(jié)點(diǎn)的位置;
S2、獲取解出未知節(jié)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)U(xU,yU)的方程式,所述方程式如下:
(xU-x1)2+(yU-y1)2=d12
(xU-x2)2+(yU-y2)2=d22
(xU-x3)2+(yU-y3)2=d32;
S3、將步驟S2中的方程式進(jìn)行兩兩相減,幾何意義為直線L1、L2、L3的表達(dá)式,三條直線的交點(diǎn)為未知節(jié)點(diǎn)的位置;兩兩相減的方程式如下:
2(x2-x1)x+2(y2-y1)y=d12-d22-x12+x22-y12+y22
2(x3-x2)x+2(y3-y2)y=d22-d32-x22+x32-y22+y32
2(x3-x1)x+2(y3-y1)y=d12-d32-x12+x32-y12+y32;
S4、將未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)改變表示為圓交點(diǎn)坐標(biāo)的平均數(shù),即假設(shè)交點(diǎn)的坐標(biāo)為(xi,yi),i=1,2,3,權(quán)值為Wi,未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的加權(quán)表示為:
S5、使用iBeacons節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位時(shí),錨節(jié)點(diǎn)分布的密度適中,未知節(jié)點(diǎn)附近的錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量多于三個(gè),在考慮到計(jì)算量問題之后,采用未知節(jié)點(diǎn)周圍最近的四個(gè)錨節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行質(zhì)心計(jì)算,四個(gè)錨節(jié)點(diǎn)以到未知節(jié)點(diǎn)的距離為半徑作圓,每三個(gè)圓相交于一個(gè)區(qū)域,區(qū)域的質(zhì)心即為我們所求的未知節(jié)點(diǎn)的位置,四個(gè)圓可以組成四組不同的這種區(qū)域,采用質(zhì)心算法求出四個(gè)不同區(qū)域的質(zhì)心坐標(biāo)(xUl,yUl)、(xU2,yU2)、(xU3,yU3)、(xU4,yU4)并進(jìn)行四邊測(cè)量法計(jì)算得出最終的質(zhì)心坐標(biāo),也就是采用普通的平均計(jì)算方式將四個(gè)錨節(jié)點(diǎn)分別計(jì)算出來的質(zhì)心坐標(biāo)進(jìn)行平均,計(jì)算結(jié)果即為:
S6、對(duì)步驟S5中四邊測(cè)量的過程中加入權(quán)值,其公式如下:
其中r表示未知節(jié)點(diǎn)到第i個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離,四邊測(cè)量算法使用幾何計(jì)算。
在本發(fā)明所述的用于室內(nèi)定位的二次加權(quán)質(zhì)心確定方法中,
在所述步驟S3中在三邊測(cè)量的過程中首次測(cè)得的坐標(biāo)以加權(quán)的方法來處理,其權(quán)值為錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)距離的倒數(shù)即:
在所述步驟S5中在四邊測(cè)量的過程中,以距離倒數(shù)的和為權(quán)值,并且考慮權(quán)值的比重,最后計(jì)算的權(quán)值可以表示為:
其中Wi為權(quán)值,rj為錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)距離,j為另一未知節(jié)點(diǎn);n為正數(shù),用于確定權(quán)值的決定性。
在本發(fā)明所述的用于室內(nèi)定位的二次加權(quán)質(zhì)心確定方法中,所述n的值為1.5。
本發(fā)明還提供一種用于室內(nèi)定位的二次加權(quán)質(zhì)心確定系統(tǒng),其包括如下單元:
圓形交點(diǎn)確定單元,用于分別以三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)為圓心,以未知節(jié)點(diǎn)U到上述三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離d1、d2、d3為半徑做圓,三個(gè)圓形的交點(diǎn)為未知節(jié)點(diǎn)的位置;
第一方程式確定單元,用于獲取解出未知節(jié)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)U(xU,yU)的方程式,所述方程式如下:
(xU-x1)2+(yU-y1)2=d12
(xU-x2)2+(yU-y2)2=d22
(xU-x3)2+(yU-y3)2=d32;
相減單元,用于將第一方程式確定單元中的方程式進(jìn)行兩兩相減,幾何意義為直線L1、L2、L3的表達(dá)式,三條直線的交點(diǎn)為未知節(jié)點(diǎn)的位置;兩兩相減的方程式如下:
2(x2-x1)x+2(y2-y1)y=d12-d22-x12+x22-y12+y22
2(x3-x2)x+2(y3-y2)y=d22-d32-x22+x32-y22+y32
2(x3-x1)x+2(y3-y1)y=d12-d32-x12+x32-y12+y32;
加權(quán)單元,用于將未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)改變表示為圓交點(diǎn)坐標(biāo)的平均數(shù),即假設(shè)交點(diǎn)的坐標(biāo)為(xi,yi),i=1,2,3,權(quán)值為Wi,未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的加權(quán)表示為:
質(zhì)心坐標(biāo)平均單元,用于使用iBeacons節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位時(shí),錨節(jié)點(diǎn)分布的密度適中,未知節(jié)點(diǎn)附近的錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量多于三個(gè),在考慮到計(jì)算量問題之后,采用未知節(jié)點(diǎn)周圍最近的四個(gè)錨節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行質(zhì)心計(jì)算,四個(gè)錨節(jié)點(diǎn)以到未知節(jié)點(diǎn)的距離為半徑作圓,每三個(gè)圓相交于一個(gè)區(qū)域,區(qū)域的質(zhì)心即為我們所求的未知節(jié)點(diǎn)的位置,四個(gè)圓可以組成四組不同的這種區(qū)域,采用質(zhì)心算法求出四個(gè)不同區(qū)域的質(zhì)心坐標(biāo)(xUl,yUl)、(xU2,yU2)、(xU3,yU3)、(xU4,yU4)并進(jìn)行四邊測(cè)量法計(jì)算得出最終的質(zhì)心坐標(biāo),也就是采用普通的平均計(jì)算方式將四個(gè)錨節(jié)點(diǎn)分別計(jì)算出來的質(zhì)心坐標(biāo)進(jìn)行平均,計(jì)算結(jié)果即為:
加權(quán)計(jì)算單元,用于對(duì)質(zhì)心坐標(biāo)平均單元中四邊測(cè)量的過程中加入權(quán)值,其公式如下:
其中r表示未知節(jié)點(diǎn)到第i個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離,四邊測(cè)量算法使用幾何計(jì)算。
在本發(fā)明所述的用于室內(nèi)定位的二次加權(quán)質(zhì)心確定系統(tǒng)中,
在所述相減單元中在三邊測(cè)量的過程中首次測(cè)得的坐標(biāo)以加權(quán)的方法來處理,其權(quán)值為錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)距離的倒數(shù)即:
在所述質(zhì)心坐標(biāo)平均單元中在四邊測(cè)量的過程中,以距離倒數(shù)的和為權(quán)值,并且考慮權(quán)值的比重,最后計(jì)算的權(quán)值可以表示為:
其中Wi為權(quán)值,rj為錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)距離,j為另一未知節(jié)點(diǎn);n為正數(shù),用于確定權(quán)值的決定性。
在本發(fā)明所述的用于室內(nèi)定位的二次加權(quán)質(zhì)心確定系統(tǒng)中,所述n的值為1.5。
實(shí)施本發(fā)明提供的用于室內(nèi)定位的二次加權(quán)質(zhì)心確定方法及系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果:利用iBeacons節(jié)點(diǎn)的部署簡(jiǎn)易的優(yōu)勢(shì),進(jìn)行疊加加權(quán)計(jì)算,并在二次加權(quán)時(shí)使用距離和的倒數(shù)作為權(quán)值比傳統(tǒng)的加權(quán)質(zhì)心算法的定位精度更優(yōu),并且再次基礎(chǔ)上本方法的設(shè)計(jì)考慮了權(quán)值的決定性,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選定了更為優(yōu)化的權(quán)值比重,使得算法的性能有了一定的提高。同時(shí)使用iBeacons節(jié)點(diǎn)以及二次加權(quán)質(zhì)心算法進(jìn)行室內(nèi)定位,定位算法本身的可靠性和穩(wěn)定性更好,精度更高。
附圖說明
圖1是本發(fā)明實(shí)施例的用于室內(nèi)定位的二次加權(quán)質(zhì)心確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
一種用于室內(nèi)定位的二次加權(quán)質(zhì)心確定方法,其包括如下步驟:
S1、分別以三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)為圓心,以未知節(jié)點(diǎn)U到上述三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離d1、d2、d3為半徑做圓,三個(gè)圓形的交點(diǎn)為未知節(jié)點(diǎn)的位置;
S2、獲取解出未知節(jié)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)U(xU,yU)的方程式,所述方程式如下:
(xU-x1)2+(yU-y1)2=d12
(xU-x2)2+(yU-y2)2=d22
(xU-x3)2+(yU-y3)2=d32;
S3、將步驟S2中的方程式進(jìn)行兩兩相減,幾何意義為直線L1、L2、L3的表達(dá)式,三條直線的交點(diǎn)為未知節(jié)點(diǎn)的位置;兩兩相減的方程式如下:
2(x2-x1)x+2(y2-y1)y=d12-d22-x12+x22-y12+y22
2(x3-x2)x+2(y3-y2)y=d22-d32-x22+x32-y22+y32
2(x3-x1)x+2(y3-y1)y=d12-d32-x12+x32-y12+y32;
S4、將未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)改變表示為圓交點(diǎn)坐標(biāo)的平均數(shù),即假設(shè)交點(diǎn)的坐標(biāo)為(xi,yi),i=1,2,3,權(quán)值為Wi,未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的加權(quán)表示為:
S5、使用iBeacons節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位時(shí),錨節(jié)點(diǎn)分布的密度適中,未知節(jié)點(diǎn)附近的錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量多于三個(gè),在考慮到計(jì)算量問題之后,采用未知節(jié)點(diǎn)周圍最近的四個(gè)錨節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行質(zhì)心計(jì)算,四個(gè)錨節(jié)點(diǎn)以到未知節(jié)點(diǎn)的距離為半徑作圓,每三個(gè)圓相交于一個(gè)區(qū)域,區(qū)域的質(zhì)心即為我們所求的未知節(jié)點(diǎn)的位置,四個(gè)圓可以組成四組不同的這種區(qū)域,采用質(zhì)心算法求出四個(gè)不同區(qū)域的質(zhì)心坐標(biāo)(xUl,yUl)、(xU2,yU2)、(xU3,yU3)、(xU4,yU4)并進(jìn)行四邊測(cè)量法計(jì)算得出最終的質(zhì)心坐標(biāo),也就是采用普通的平均計(jì)算方式將四個(gè)錨節(jié)點(diǎn)分別計(jì)算出來的質(zhì)心坐標(biāo)進(jìn)行平均,計(jì)算結(jié)果即為:
S6、對(duì)步驟S5中四邊測(cè)量的過程中加入權(quán)值,其公式如下:
其中r表示未知節(jié)點(diǎn)到第i個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離,四邊測(cè)量算法使用幾何計(jì)算。
在本發(fā)明所述的用于室內(nèi)定位的二次加權(quán)質(zhì)心確定方法中,
在所述步驟S3中在三邊測(cè)量的過程中首次測(cè)得的坐標(biāo)以加權(quán)的方法來處理,其權(quán)值為錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)距離的倒數(shù)即:
在所述步驟S5中在四邊測(cè)量的過程中,以距離倒數(shù)的和為權(quán)值,并且考慮權(quán)值的比重,最后計(jì)算的權(quán)值可以表示為:
其中Wi為權(quán)值,rj為錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)距離,j為另一未知節(jié)點(diǎn);n為正數(shù),用于確定權(quán)值的決定性。
在本發(fā)明所述的用于室內(nèi)定位的二次加權(quán)質(zhì)心確定方法中,所述n的值為1.5。
如圖1所示,本發(fā)明還提供一種用于室內(nèi)定位的二次加權(quán)質(zhì)心確定系統(tǒng),其包括如下單元:
圓形交點(diǎn)確定單元,用于分別以三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)為圓心,以未知節(jié)點(diǎn)U到上述三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離d1、d2、d3為半徑做圓,三個(gè)圓形的交點(diǎn)為未知節(jié)點(diǎn)的位置;
第一方程式確定單元,用于獲取解出未知節(jié)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)U(xU,yU)的方程式,所述方程式如下:
(xU-x1)2+(yU-y1)2=d12
(xU-x2)2+(yU-y2)2=d22
(xU-x3)2+(yU-y3)2=d32;
相減單元,用于將第一方程式確定單元中的方程式進(jìn)行兩兩相減,幾何意義為直線L1、L2、L3的表達(dá)式,三條直線的交點(diǎn)為未知節(jié)點(diǎn)的位置;兩兩相減的方程式如下:
2(x2-x1)x+2(y2-y1)y=d12-d22-x12+x22-y12+y22
2(x3-x2)x+2(y3-y2)y=d22-d32-x22+x32-y22+y32
2(x3-x1)x+2(y3-y1)y=d12-d32-x12+x32-y12+y32;
加權(quán)單元,用于將未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)改變表示為圓交點(diǎn)坐標(biāo)的平均數(shù),即假設(shè)交點(diǎn)的坐標(biāo)為(xi,yi),i=1,2,3,權(quán)值為Wi,未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的加權(quán)表示為:
質(zhì)心坐標(biāo)平均單元,用于使用iBeacons節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位時(shí),錨節(jié)點(diǎn)分布的密度適中,未知節(jié)點(diǎn)附近的錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量多于三個(gè),在考慮到計(jì)算量問題之后,采用未知節(jié)點(diǎn)周圍最近的四個(gè)錨節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行質(zhì)心計(jì)算,四個(gè)錨節(jié)點(diǎn)以到未知節(jié)點(diǎn)的距離為半徑作圓,每三個(gè)圓相交于一個(gè)區(qū)域,區(qū)域的質(zhì)心即為我們所求的未知節(jié)點(diǎn)的位置,四個(gè)圓可以組成四組不同的這種區(qū)域,采用質(zhì)心算法求出四個(gè)不同區(qū)域的質(zhì)心坐標(biāo)(xUl,yUl)、(xU2,yU2)、(xU3,yU3)、(xU4,yU4)并進(jìn)行四邊測(cè)量法計(jì)算得出最終的質(zhì)心坐標(biāo),也就是采用普通的平均計(jì)算方式將四個(gè)錨節(jié)點(diǎn)分別計(jì)算出來的質(zhì)心坐標(biāo)進(jìn)行平均,計(jì)算結(jié)果即為:
加權(quán)計(jì)算單元,用于對(duì)質(zhì)心坐標(biāo)平均單元中四邊測(cè)量的過程中加入權(quán)值,其公式如下:
其中r表示未知節(jié)點(diǎn)到第i個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離,四邊測(cè)量算法使用幾何計(jì)算。
在本發(fā)明所述的用于室內(nèi)定位的二次加權(quán)質(zhì)心確定系統(tǒng)中,
在所述相減單元中在三邊測(cè)量的過程中首次測(cè)得的坐標(biāo)以加權(quán)的方法來處理,其權(quán)值為錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)距離的倒數(shù)即:
在所述質(zhì)心坐標(biāo)平均單元中在四邊測(cè)量的過程中,以距離倒數(shù)的和為權(quán)值,并且考慮權(quán)值的比重,最后計(jì)算的權(quán)值可以表示為:
其中Wi為權(quán)值,rj為錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)距離,j為另一未知節(jié)點(diǎn);n為正數(shù),用于確定權(quán)值的決定性。
在本發(fā)明所述的用于室內(nèi)定位的二次加權(quán)質(zhì)心確定系統(tǒng)中,所述n的值為1.5。
實(shí)施本發(fā)明提供的用于室內(nèi)定位的二次加權(quán)質(zhì)心確定方法及系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果:利用iBeacons節(jié)點(diǎn)的部署簡(jiǎn)易的優(yōu)勢(shì),進(jìn)行疊加加權(quán)計(jì)算,并在二次加權(quán)時(shí)使用距離和的倒數(shù)作為權(quán)值比傳統(tǒng)的加權(quán)質(zhì)心算法的定位精度更優(yōu),并且再次基礎(chǔ)上本方法的設(shè)計(jì)考慮了權(quán)值的決定性,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選定了更為優(yōu)化的權(quán)值比重,使得算法的性能有了一定的提高。同時(shí)使用iBeacons節(jié)點(diǎn)以及二次加權(quán)質(zhì)心算法進(jìn)行室內(nèi)定位,定位算法本身的可靠性和穩(wěn)定性更好,精度更高。
可以理解的是,對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思做出其它各種相應(yīng)的改變與變形,而所有這些改變與變形都應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。