CN103228040A - 室内电子地图生成方法与***及室内目标定位方法与*** - Google Patents

室内电子地图生成方法与***及室内目标定位方法与*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种室内电子地图生成方法、室内电子地图生成***、根据上述室内电子地图生成方法进行室内目标定位的方法、以及根据上述室内电子地图生成***进行室内目标定位的***。为了减小多径效应对室内定位所带来的影响，提高室内定位的准确度，本发明提出了一种为室内目标定位进行数据处理的技术，以及基于上述技术进行室内目标定位的技术。其中所述室内电子地图生成方法通过根据移动节点在邻近位置处所测量的无线信号强度，对所述移动节点在至少一个位置处所测量的无线信号强度进行平滑处理从而减小多径效应的影响。

Description

室内电子地图生成方法与***及室内目标定位方法与***
技术领域
本发明的实施方式总体上涉及对数据进行处理的方法和***，更具体的涉及室内电子地图生成方法与***，以及进行室内目标定位的方法与***。
背景技术
随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息。但是，室内环境是一个复杂的环境，信号在传播过程中受室内的人员和物品墙壁的影响，衰减比较大，这样给室内环境下的人和物品的精确定位带来了困难。GPS是目前应用最为广泛的定位技术，尽管GPS技术在室外定位方面已经形成了相当成熟的产业应用，但当GPS接收机在室内工作时，来自卫星的无线信号受建筑物的影响而大大衰减，GPS接收机无法接收到足够多的卫星信号，从而无法实现室内定位。随着无线通信技术的发展，新兴的无线网络技术，例如WiFi、CDMA、ZigBee、蓝牙和超宽带等，在办公室、家庭、工厂等得到了广泛应用。
发明内容
本发明的发明人注意到，现有技术中已经披露了一些利用无线信号传输进行室内定位的技术，比如美国专利US6799047B1专利披露了一种通过环境无线信号进行室内目标定位的专利。一台移动电脑检测室内若干基站发出的无线信号，通过比较已知位置的在不同环境下的电子地图与当前移动电脑所检测到的基站发出的无线信号强度，获得信号强度最接近的已知位置作为当前移动电脑的位置。但是现有技术中未能消除多径效应对准确定位所带来的严重影响。
多径效应(multipath effect)是指电波传播信道中的多径传输现象所引起的干涉效应。在实际的无线电波传播信道中，由于信号发射端和信号接收端存在诸多建筑群与障碍物，而这些建筑群与障碍物会导致无线电波的散射、反射、折射等现象的发生，导致在接收端接收的无线电波是由若干路径所传输的无线电波叠加而成，由于各个路径的无线电波相位发生了变化，因此信号叠加的结果可能导致无线电波发生快速衰退，从而使叠加后的无线电波强度无法真实反映发射端与接收端的距离。多径效应对于数字通信、雷达最佳检测等都有着十分严重的影响。其表现为信号接收端如果进行微小位移，则接收端所接收到的无线电波信号强度可能发生巨大改变，从而使得无线电波信号强度无法真实反映信号接收端与信号发射端之间的距离。
现有技术中并未注意到多径效应对室内定位所产生的恶劣影响，因此采用现有技术进行室内定位其定位结果可能严重偏离实际目标所在位置(这点在下文中将会进行更加具体的分析)。
为了减小多径效应对室内定位所带来的影响，提高室内定位的准确度，本发明提出了一种为室内目标定位进行数据处理的技术，以及基于上述技术进行室内目标定位的技术。
具体而言，本发明提供了一种室内电子地图生成方法，其中所述室内可被配置为布置有无线传感器节点与至少一个移动节点，所述移动节点可以在所述室内进行移动，并且所述移动节点可以与所述无线传感器节点进行无线信号传输，所述方法包括：测量所述移动节点在室内不同位置处与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度；对所述移动节点在至少一个位置处所测量的无线信号强度进行平滑处理；以及根据上述平滑处理后的无线信号强度生成室内电子地图。
本发明还提供了一种根据上述的方法进行室内目标定位的方法，包括：测量所述目标在待测位置处与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度以获得目标无线信号强度组；比较所述目标无线信号强度组与所述室内电子地图；以及根据所述比较结果确定所述目标在室内的位置。
本发明还提供了一种室内电子地图生成***，其中所述室内可被配置为布置有无线传感器节点与至少一个移动节点，所述移动节点可以在所述室内进行移动，并且所述移动节点可以与所述无线传感器节点进行无线信号传输，所述***包括：第一测量装置，被配置为测量所述移动节点在室内不同位置处与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度；平滑装置，被配置为对所述移动节点在至少一个位置处所测量的无线信号强度进行平滑处理；以及生成装置，被配置为根据上述平滑处理后的无线信号强度生成室内电子地图。
本发明还提供了一种根据上述的***进行室内目标定位的***，包括：第二测量装置，被配置为测量所述目标在待测位置处与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度以获得目标无线信号强度组；比较装置，被配置为比较所述目标无线信号强度组与所述室内电子地图；以及定位装置，被配置为根据所述比较结果确定所述目标在室内的位置。
本发明减小了多径效应对室内定位所带来的影响，提高了室内定位的准确度。
附图说明
通过参考下述附图对本发明具体实施例进行详细的描述，可以更好的理解本发明的上述或其它目的、特征和优势。附图中，相同的附图标记通常代表实施例中的相同部件。
图1示出了适于用来实现本发明的一种实施方式的示例性计算***的框图。
图2示出了按照本发明的室内电子地图生成方法流程图。
图3示出了按照本发明的一个实施例的无线传感器节点布局示意图。
图4示出了按照本发明的一个实施例的测量得到的移动节点与一个无线传感器节点间传输的无线信号强度随位置变化的示意图。
图5示出了按照本发明的一个实施例的对所测量的无线信号强度进行平滑处理后的示意图。
图6A示出了按照本发明的一个实施例的单输入单输出SISO信号传输结构示意图。
图6B示出了按照本发明的一个实施例的单输入多输出SIMO信号传输结构示意图。
图6C示出了按照本发明的一个实施例的多输入单输出MISO信号传输结构示意图。
图6D示出了按照本发明的一个实施例的多输入多输出MIMO信号传输结构示意图。
图7示出了按照本发明的一个实施例的移动节点示意图。
图8示出了按照本发明的进行室内目标定位的方法流程图。
图9示出了未消除多径效应所产生的室内定位误差的信号强度示意图。
图10示出了按照本发明的一个实施例的减小多径效应从而提高定位准确度的信号强度示意图。
图11示出了按照本发明的室内电子地图生成***框图。
图12示出了按照本发明的进行室内目标定位的***框图。
具体实施方式
下面将参照附图更加详细地描述本发明的优选实施方式。然而，本发明可以以各种形式实现而不应该理解为被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且将本发明的范围全面地披露给所属技术领域的技术人员。
图1示出了适于用来实现本发明实施方式的示例性计算***100的框图。如所示，计算机***100可以包括：CPU(中央处理单元)101、RAM(随机存取存储器)102、ROM(只读存储器)103、***总线104、硬盘控制器105、键盘控制器106、串行接口控制器107、并行接口控制器108、显示控制器109、硬盘110、键盘111、串行外部设备112、并行外部设备113和显示器114。在这些设备中，与***总线104耦合的有CPU 101、RAM 102、ROM 103、硬盘控制器105、键盘控制器106、串行控制器107、并行控制器108和显示控制器109。硬盘110与硬盘控制器105耦合，键盘111与键盘控制器106耦合，串行外部设备112与串行接口控制器107耦合，并行外部设备113与并行接口控制器108耦合，以及显示器114与显示控制器109耦合。应当理解，图1所述的结构框图仅仅为了示例的目的而示出的，而不是对本发明范围的限制。在某些情况下，可以根据具体情况而增加或者减少某些设备。
所属技术领域的技术人员知道，本发明的多个方面可以体现为***、方法或计算机程序产品。因此，本发明的多个方面可以具体实现为以下形式，即，可以是完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)、或者本文一般称为“电路”、“模块”或“***”的软件部分与硬件部分的组合。此外，在一些实施例中，本发明还可以实现为一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序码。
可以使用一个或多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电的、磁的、光的、电磁的、红外线的、或半导体的***、装置、器件或任何以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括以下：有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任何合适的组合。在本文件的语境中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形的介质，该程序被指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可包括在基带中或者作为载波一部分传播的、其中体现计算机可读的程序码的传播的数据信号。这种传播的信号可以采用多种形式，包括——但不限于——电磁信号、光信号或任何以上合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，所述计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括——但不限于——无线、电线、光缆、RF等等，或者任何合适的上述组合。
用于执行本发明的操作的计算机程序码，可以以一种或多种程序设计语言的任何组合来编写，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言-诸如Java、Smalltalk、C++之类，还包括常规的过程式程序设计语言-诸如”C”程序设计语言或类似的程序设计语言。程序码可以完全地在用户的计算上执行、部分地在用户的计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户的计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情形中，远程计算机可以通过任何种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)-连接到用户的计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
以下参照本发明实施例的方法、装置(***)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述本发明的多个方面。要明白的是，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，比如指令，这些指令可以通过计算机或其它可编程数据处理装置执行，从而产生相应装置以实现流程图和/或框图中的方框中规定的功能/操作。
也可以把这些计算机程序指令存储在能指令计算机或其它可编程数据处理装置以特定方式工作的计算机可读介质中，这样，存储在计算机可读介质中的指令产生出一个包括实现流程图和/或框图中的方框中规定的功能/操作的指令的制造品(manufacture)。
也可以把计算机程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机或其它可编程装置上执行的指令能够实现流程图和/或框图中的方框中规定的功能/操作。
图2示出了按照本发明的室内电子地图生成方法流程图。其中所述室内可被配置为布置有无线传感器节点与至少一个移动节点，所述移动节点可以在所述室内进行移动，并且所述移动节点可以与所述无线传感器节点进行无线信号传输。在步骤201测量所述移动节点在室内不同位置处与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度。比如，针对每个无线传感器节点，计算所述移动节点在室内不同位置处与每个无线传感器节点间传输的无线信号强度。在步骤203对所述移动节点在至少一个位置处所测量的无线信号强度进行平滑处理。在步骤205，根据上述平滑处理后的无线信号强度生成室内电子地图。可选的，步骤205根据上述平滑处理后的所述移动节点与不同无线传感器节点间传输的无线信号强度的组合生成室内电子地图，所述室内电子地图表示所述移动节点在室内不同位置处与多个无线传感器节点间传输的无线信号强度。
下面结合图3-5对上面的方法进行详细说明。图3示出了按照本发明的一个实施例的无线传感器节点布局示意图。假设现在要对图3所示的室内的目标进行定位，在定位前需要对图3所示的室内的无线线号进行一系列的处理，以为室内定位做好准备。假设图3中的室内布置有8个无线传感器节点，分别为N1-N8。这8个无线传感器节点可以发射无线信号(如WiFi、ZigBee等)，比如可以用现在业界比较通用的Mica2节点实现。
此外还有一个移动节点(图3中未示出)，该移动节点可以接收无线传感器节点所发出的无线信号。该移动节点可以与笔记本电脑、手机等其他设备绑定在一起，也可以构成一个单独的装置(下文中会有更详细的描述)。该移动节点可以在室内各个位置采样以接收由各个无线传感器节点所发出的无线线号。如果该移动节点与笔记本电脑、手机等其他设备绑定在一起，则其可以由人体携带在室内各个位置采样。如果该移动节点构成一个单独的装置，其可以设计为一个机器人以在室内各个位置采样。
假设图3中的移动节点从起点出发沿直线移动测量从各个无线传感器点N1-N8发出的无线信号强度并最终到达终点，假设所述移动节点沿直线行走，从起点到终点一共42米的长度。当然，本实施例中的直线行走的例子只是为了说明的方便，在实际测量中移动节点可以按照预定义的路线或需要的任何路线移动，而不一定像本实施例这样沿直线移动。
尽管下文中以无线传感器节点发射无线信号，移动节点接收无线线号为例进行说明。本发明也可以实现由移动节点发射无线信号，并且由无线传感器节点接收无线信号。也就是说，图2步骤201即可以测量从无线传感器节点向移动节点发射的无线信号强度，也可以测量从移动节点向无线传感器节点发射的无线信号强度。并且本发明中的移动节点可以为一个也可以为多个。
图4示出了按照本发明的一个实施例的测量得到的移动节点与一个无线传感器节点间传输的无线信号强度随位置变化的示意图。图4的横轴表示移动节点距离起点的距离，其单位为米(m)。纵轴表示移动节点在当前位置处所接收到的无线传感器节点N2所发射出的无线信号的强度度量(signal strength measure)，通常无线信号的强度度量与无线信号强度相反，无线信号的强度越大，其强度度量值越小，无线信号的强度越小，其强度度量值越大。由于Mica2节点的无线信号强度度量被统一在0-255这个区间，所以图4所示的实施例中的无线信号强度度量值也都在0-255这个区间内。当然，本发明并不限于使用Mica2节点进行无线信号的传输，如果使用其他的无线传感器节点，其无线信号强度也可以有别的度量方式，本发明对此不做限定，仅以Mica2节点为例进行说明。
假设移动节点每间隔0.5米对N2所发出的无线信号进行采样，并将测量的无线信号强度以无线信号强度度量值的形式记录在图4中。这样，在移动节点从起点移动到终点的过程中，共测量得到85个位置处的无线信号强度度量值。从图4中可以看出，由于移动节点测量的是从N2发出的无线信号强度，N2处于离起点12米处，因此移动节点在离起点12米处测量的无线信号强度最强(无线信号强度度量值最小)，而当移动节点远离N2后，其测量的N2发出的无线信号强度逐渐变弱(无线信号强度度量值变大)。
在某一个采样位置处，对同一无线传感器节点所发出的无线信号的无线信号强度度量值，移动节点可以仅测量一次，也可以测量多次然后记录均值和方差。在图4所示的例子中，对于每一个采样位置，移动节点测量了多次无线信号强度度量值，并记录了其均值与方差，均值表现为一个个黑色圆点，方差表现为两个短横线之间的距离。
从图4中可以看出，由于在每个采样位置所测量的多次无线信号强度值差别不大，因此每个采样点的方差并不大。因此按照本发明的另一个实施例，可以在每个采样位置仅进行一次测量，即仅测量一次无线线号强度。这样可以节省计算资源和节省计算时间，并且也未对最终获得的电子地图的准确性产生实质性影响。
同理，可以针对多个无线传感器节点中的每一个所发出的无线信号进行测量，并绘制与图4类似的无线信号强度随移动节点位置变化的示意图。按照图3所示的实施例，共可以绘制8幅无线信号强度随移动节点位置变化的示意图。
按照本发明的一个实施例，本发明进一步确定所述移动节点在所测量的无线信号强度下所处的室内位置。确定室内位置有助于在后续的室内目标定位过程中通过寻找与目标无线信号强度组最接近的参考无线信号强度组来定位目标(具体过程将在下文中进行详细阐述)。当然，确定所述移动节点在所测量的无线信号强度下所处的室内位置可以通过多种途径实现。在一种实施例中，可以人工测量并记录所述移动节点在每次测量无线传感器节点所发出的无线信号的强度时所处的准确的室内位置。在另一种实施例中，可以在移动节点所移动的路径上布置多个短距离信号发射器(所述发射器可以发射蓝牙信号或RFID信号中的至少一种)，比如已知移动节点将按照直线从起点移动到终点(共42米)，并且每0.5米测量一次无线信号强度，则可以在从起点到终点的85个点上布置85个短距离信号发射器，通过与短距离信号发射器进行通信可以确定移动节点当前所处的室内位置。在又一种实施例中，如果所述移动节点被安装在机器人上在室内按照预订路线自动移动并测量无线信号强度(下文中将对机器人进行更详细说明)，则可以根据机器人的室内移动路径，移动速度事先确定每次测量无线信号强度时所处的室内位置。当然，本发明并不排除通过其他的途径确定移动节点在每次测量无线信号强度时所处的室内位置。
在图2的步骤203中，对所述移动节点在至少一个位置处所测量的无线信号强度进行平滑处理。下面结合图5对此进行说明。
图5示出了按照本发明的一个实施例的对所测量的无线信号强度进行平滑处理后的示意图。上文中已经提到过多径效应对信号传输所带来的负面影响，为了减小多径效应的负面影响，本发明创造性的提出对无线信号强度进行平滑处理。按照本发明的一个实施例，所述平滑处理包括对所述移动节点在所述至少一个位置处及其相邻一个或多个位置处所测量的无线信号强度进行平均作为所述移动节点在所述至少一个位置处的无线信号强度，比如将平均前后共5个位置处所测量的无线信号强度度量值作为本位置处的无线信号强度度量值。本发明也可以采用其他实施例对对无线信号强度进行平滑处理，比如通过傅里叶变换将图5中的信号强度度量转换到频域上，再使用低通滤波器滤掉高频波从而获得经过平滑处理的无线信号强度度量值分布，最终得到优化的室内电子地图。当然本发明还可以采用其他的方法进行平滑处理。
图5是在图4的基础上对无线信号强度度量值进行平滑处理的结果，在图5中，用连续的小圆圈表示平滑处理后的无线信号强度度量值。
可选的，所述进行平滑处理可以进一步包括对平滑处理后的无线线号强度再进行平滑处理，以达到进一步减小多径效应的影响的效果，比如可以连续进行3次平滑处理。进行平滑处理的次数取决于多径效应的严重程度，本发明对此不做限定。
在图2中的步骤205，根据上述平滑处理后的无线信号强度生成室内电子地图。下面结合公式1对此进行说明。
按照前文所假设的，假如一共有85个采样点，8个无线传感器节点，在平滑处理后将获得85×8(共680)个无线信号强度度量值。所述度量值可以用V(i，j)表示，其中i为1-85，j为1-8，V(i，j)表示经过平滑处理后在第i个位置处，从第j个无线传感器节点接收到的无线信号强度度量值。
[V(1，1)，V(1，2)，V(1，3)，V(1，4)，V(1，5)，V(1，6)，V(1，7)，V(1，8)]
[V(2，1)，V(2，2)，V(2，3)，V(2，4)，V(2，5)，V(2，6)，V(2，7)，V(2，8)]
……                                                                  公式1
[V(85，1)，V(85，2)，V(85，3)，V(85，4)，V(85，5)，
V(85，6)，V(85，7)，V(85，8)]
其中[V(1，1)......V(1，8)]被称为一个参考无线信号强度组。参考无线信号强度组表示移动节点某个位置上与不同无线传感器节点间传输的无线信号的强度的组合。在本例中，其表示所述移动节点在第1个位置处从8个无线传感器节点接收的无线信号经过平滑处理后的信号强度度量值矢量(vector)。公式1由85个参考无线信号强度组组成，公式1就是室内电子地图的一种表示方法。
室内电子地图可以以公式、表格、图形等多种方式表示，本发明对电子地图的数据结构不进行任何限定，上文中仅以公式为例进行说明。
下面将结合图6A-6D说明如何通过多天线设置进一步减少多径效应的影响。
图6A示出了按照本发明的一个实施例的单输入单输出SISO信号传输结构示意图。在图6A所示的例子中，一个无线传感器节点安装有一个发射天线，一个移动节点安装有一个接收天线。移动节点通过单一的接收天线接收无线传感器节点所发出的无线信号。
图6B示出了按照本发明的一个实施例的单输入多输出SIMO信号传输结构示意图。在图6B所示的例子中，一个无线传感器节点安装有一个发射天线，一个移动节点安装有两个接收天线。该移动节点通过两个接收天线可以从一个无线传感器节点接收两个无线信号。由于移动节点所安装的两个天线的位置不同，因此接收到的两个无线信号强度度量值也会有所差别。在不考虑多径效应的情况下，这两个无线信号强度应该基本相同，但是在存在多径效应的情况下，这种差别可能比较明显。因此，通过计算所述移动节点采用不同天线与所述无线传感器节点间的传输的无线信号强度的平均值，可以从一定程度上消除多径效应的影响。按照本发明的一个实施例，可以先测量所述移动节点采用不同天线与所述无线传感器节点间的传输的无线信号强度，然后计算所述无线信号强度的平均值，进而再对经过平均后的无线信号强度按照上文所详细描述的方法进行平滑处理。按照本发明的另一个实施例，可以先测量所述移动节点采用不同天线与所述无线传感器节点间的传输的无线信号强度，然后按照上文所详细描述的方法对所测量的无线线号进行平滑处理，之后再进一步计算所述移动节点采用不同天线所获得的平滑处理后的无线信号的信号强度的平均值。
图6C示出了按照本发明的一个实施例的多输入单输出MISO信号传输结构示意图。在图6C所示的例子中，一个无线传感器节点安装有两个发射天线，一个移动节点安装有一个接收天线。该移动节点通过一个接收天线可以从一个无线传感器节点接收两个无线信号。同理，在不考虑多径效应的情况下，这两个无线信号强度应该基本相同，但是在存在多径效应的情况下，这两个无线信号强度的差别可能比较明显。因此，通过计算所述移动节点与所述至少一个无线传感器节点的不同天线间传输的无线信号强度的平均值，可以从一定程度上消除多径效应的影响。按照本发明的一个实施例，可以先测量所述移动节点与采用不同天线的所述无线传感器节点间的传输的无线信号强度，然后计算所述无线信号强度的平均值，进而再对经过平均后的无线信号强度按照上文所详细描述的方法进行平滑处理。按照本发明的另一个实施例，可以先测量所述移动节点与采用不同天线的所述无线传感器节点间的传输的无线信号强度，然后按照上文所详细描述的方法对所测量的无线线号进行平滑处理，之后再进一步计算所述无线传感器节点采用不同天线所获得的平滑处理后的无线信号的信号强度的平均值。
图6D示出了按照本发明的一个实施例的多输入多输出MIMO信号传输结构示意图。在图6D所示的例子中，一个无线传感器节点安装有两个发射天线，一个移动节点也安装有两个接收天线。该移动节点通过两个接收天线可以从带有两个天线的无线传感器节点接收四个无线信号。同理，在不考虑多径效应的情况下，这四个无线信号的强度应该基本相同，但是在存在多径效应的情况下，这四个无线信号强度的差别可能比较明显。因此，通过对这四个无线信号强度度量值取平均值，可以从一定程度上消除多径效应的影响。同理，本发明对取平均值和进行平滑处理这两个步骤的顺序没有限定，可以在不同实施下根据不同需求安排二者的顺序。
可见，按照本发明的一个实施例，可以通过对取平均值后的无线信号强度度量值进行进一步平滑处理，以进一步消除多径效应的影响，从而实现更准确的室内目标定位。
下面结合图7说明如何通过机器人移动节点测量无线信号的强度。
图7示出了按照本发明的一个实施例的移动节点示意图。图7所示的例子中，移动节点由一个机器人携带，所述机器人可以在室内进行移动从而测量由无线传感器节点发出的无线信号强度。
本发明对机器人的移动方式不做限定。按照本发明的一个实施例，所述机器人可以按照预订路径在室内进行移动。按照本发明的另一个实施例，所述机器人可以被人工遥控在室内进行移动。按照本发明的又一个实施例，所述机器人可以在室内随机移动，在经过足够长的时间后，所述机器人可以遍历室内的所有位置，从而采集足够的无线信号强度数据。当然本发明也不排除使用其他的方式对机器人进行移动。
此外，本发明对机器人的移动速度也不做限定。按照本发明的一个实施例，所述机器人被设置进行匀速移动，从而其上的移动节点测量在被匀速连续移动下在室内不同位置处与所述多个无线传感器节点间的每一个间传输的无线信号强度。在这种实施例下，如果机器人进一步按照预订路径在室内进行匀速移动，就可以事先确定机器人在测量每一无线信号强度时所处的室内位置。特别的，由于机器人是匀速连续移动的，因此机器人在每个采样点上可以对无线传感器节点所发出无线信号进行一次或少量几次测量，这样可以在不实质性影响最终形成的电子地图的准确性的前提下，减少测量成本。当然，按照本发明的其他实施例，所述机器人也可以不进行匀速移动。
此外，本发明并不排除通过由人工携带移动节点(比如移动节点可以安装在笔记本上、手机上或单独的接收设备上)在室内进行匀速连续移动。
从图7中所示的实施例可以看出，机器人采用多天线的方式接收无线传感器节点所发出的无线信号，这样可以进一步减少多径效应所带来的影响。当然在其他的实施例中，机器人也可以采用单天线的方式接收无线信号。
可选的，本发明中的移动节点除了测量无线信号强度外还可以考虑其它的环境因素，比如测量所述移动节点在不同人口密度下在室内不同位置处与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度。由于人体对于无线信号也是有阻挡作用的，因此在一个空旷的室内所测量的电子地图和在一个人员拥挤的室内所测量的电子地图很有可能是不一样的。比如在大型展览会上，如果在空旷的情况下生成电子地图，而在人员拥挤的情况下进行目标定位，那么最后的定位结果很有可能是不准确的。因此需要在不同人口密度的环境下生成电子地图，从而在室内目标定位时根据相同的人口密度的电子地图进行定位。确定人口密度可以通过多种方法进行，在一种实施例中，可以通过摄像机采集室内照片，然后通过图像识别技术识别人口密度；在另一种实施例中，也可以通过人工的方法确定或估算人口密度。
可选的，除了人口密度以外，室内湿度也可以成为影响电子地图的因素之一。因此，按照本发明的一个实施例，还可以测量所述移动节点在不同湿度下在室内不同位置处与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度。这样在室内目标定位时，可以根据相同湿度下所生成的电子地图确定目标的位置。
下面结合图8描述进行室内目标定位的方法。图8示出了按照本发明的进行室内目标定位的方法流程图。在步骤801测量所述目标在待测位置处与不同无线传感器节点间传输的无线信号强度以获得目标无线信号强度组。比如下面公式2中的V’(j)表示目标在室内待测位置处从N1-N8所接收到的无线信号强度度量值，其中j为1-8间的值。
[V’(1)，V’(2)，V’(3)，V’(4)，V’(5)，V’(6)，V’(7)，V’(8)]    公式2
公式2也被称为目标无线信号强度组。当然本发明中目标无线信号强度组可以以公式、表格、图形等任何数据结构进行表示，上文仅以公式为例进行说明，不应理解为对本发明的限定。
在定位目标的过程中也可能碰到和生成室内电子地图过程中一样的问题，即也会受到多径效应的影响。也就是说所测量的所述目标在待测位置处与不同无线传感器节点间传输的无线信号强度也可能由于多径效应的原因而失真。如果测量的所述目标与无线传感器节点间传输的无线信号强度不准确，则会导致在目标定位时产生误判。下面以两种实施例为例介绍如何减少在测量目标与无线传感器节点间传输的无线信号强度时受到多径效应的影响。
在第一种实施例中，可以对目标的移动轨迹进行跟踪，并记录所述目标在移动过程中各个采样点上所测量的所述目标与不同无线传感器节点间传输的无线信号强度(可以以无线信号强度度量值的方式记录)。各个采样点的确定可以有多种方式进行，可以人为定义每隔预定长的距离(比如0.5米)或每隔预定长的时间(比如2秒)测量一次所述目标与不同无线传感器节点间传输的无线信号强度；也可以根据预定的条件判断在哪个采样点上测量所述目标与不同无线传感器节点间传输的无线信号强度(比如如果所述目标移动速度在预定值以下时就测量其与无线传感器节点间传输的无线信号强度)。然后对所测量的所述目标与不同无线传感器节点间传输的无线信号强度进行平滑处理。比如可以通过取邻近采样点的无线信号强度的平均值的方式进行平滑处理，在这种实施例中，由于只能获得所述目标移动的前向轨迹(即在所述待测位置之前目标将向哪个采样点移动)，而无法获得所述目标移动的后向轨迹(即在所述待测位置处之后目标将向哪个采样点移动)，因此所述平滑处理只能根据前向轨迹中邻近采样点处所测量的所述目标与不同无线传感器节点间传输的无线线号进行对待测位置处所测量的无线信号的平滑处理。当然如果所述应用不要求实时对所述目标进行定位，那么则可以利用前向轨迹中的采样点和后向轨迹中的采样点处所测量的无线信号对待测位置处所测量的无线信号进行平滑处理。
在第二个实施例中，可以采用多天线技术减少多径效应的影响(采样多天线技术减小多径效应的影响的原理已经在上文中进行了详细阐述，在此不再赘述)。可以在所述目标上设置多个天线从而与所述不同无线传感器节点进行无线信号的传输，并计算所述目标采用不同天线与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度的平均值。也可以在所述每个无线传感器节点上设置多个天线与所述目标进行无线信号的传输，并计算所述目标与所述至少一个无线传感器节点的不同天线间传输的无线信号强度的平均值。或者还可以在所述目标和所述每个无线传感器节点上都设置多个天线从而进行无线信号的传输，并对不同天线所传输的无线信号强度进行平均。
在步骤803在所述室内电子地图中搜索与所述目标无线信号强度组匹配的参考无线信号强度组。按照本发明的一个实施例，可以通过下面公式3计算目标无线信号强度组V’(j)到任一参考无线信号强度组V(i，j)的距离D(i)。
D ( i ) = Σ ( V ′ ( j ) - V ( i , j ) ) 2 , 其中j＝1-8         公式3
D(i)表示所述目标无线信号强度组与第i个位置处的参考无线信号强度组的距离，D(i)的值越大说明所述目标离第i个位置越远，D(i)的值越小说明所述目标离第i个位置越近。
本发明还可以采用其他方式比较两个矢量之间的距离，比如通过∑|V′(j)-V(i，j) |计算两个矢量之间的距离。上文仅是举例性说明计算两个矢量之间距离的实施例，并不构成对本发明的限定。
在步骤805根据所述参考无线信号强度组确定所述目标在室内的位置。比如确定使D(i)最小的位置为所述目标在室内的位置。
下面结合图9和图10进一步说明采用本发明所带来的实现更准确定位的效果。图9示出了未消除多径效应所产生的室内定位误差的信号强度示意图。图9的横坐标表示到起点的距离。图7的纵坐标表示未使用本发明对无线信号强度度量值进行平滑处理的情况下所获得的目标无线信号强度组到第i个位置下的参考无线信号强度组的距离D(i)(其中i＝1-85)。假设目标停留的实际位置在位于起点15.5米处，受到多径效应的影响，计算得到的目标无线信号强度组与第22米处测量的参考无线信号强度组的距离最近，因此将目标定位在距离起点22米处，显然这属于一个误判，误差达到6.5米。
图10示出了按照本发明的一个实施例的减小多径效应从而提高定位准确度的信号强度示意图。在图10所示的例子中由于使用了本发明的方法对无线信号强度度量值进行了平滑处理，因此大大减小了由于多径效应所带来的影响。图10的横坐标表示到起点的距离。图10的纵坐标表示使用本发明对无线信号强度度量值进行平滑处理的情况下所获得的目标无线信号强度组到第i个位置下的参考无线信号强度组的距离D(i)(其中i＝1-85)。在图8所示的例子中，目标被定位在距起点第15米处，与目标的真实位置(距起点第15.5米处)仅差0.5米，误差仅为0.5米。可见，采用本发明可以大大提高室内定位的准确度。
上文描述了本发明中的室内电子地图生成方法以及室内目标定位方法，下面将结合图11和图12描述在同一发明构思下所发明的室内电子地图生成***以及室内目标定位***，其中相同或相应的实现细节由于在上文中已经进行了详细和完整的描述，因此在下文中将不再进行赘述。
图11示出了按照本发明的室内电子地图生成***框图。其中所述室内可被配置为布置有无线传感器节点与至少一个移动节点，所述移动节点可以在所述室内进行移动，并且所述移动节点可以与所述无线传感器节点进行无线信号传输。图11所示的***包括第一测量装置、平滑装置以及生成装置。其中第一测量装置被配置为测量所述移动节点在室内不同位置处与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度。平滑装置被配置为对所述移动节点在至少一个位置处所测量的无线信号强度进行平滑处理。生成装置，被配置为根据上述平滑处理后的无线信号强度生成室内电子地图。可选的，所述生成装置被配置为根据上述平滑处理后的所述移动节点与不同无线传感器节点间传输的无线信号强度的组合生成室内电子地图。
可选的，所述平滑装置进一步被配置为：对所述移动节点在所述至少一个位置处及其相邻一个或多个位置处所测量的无线信号强度进行平均作为所述移动节点在所述至少一个位置处的无线信号强度。
可选的，所述平滑装置进一步被配置为：对平滑处理后的无线线号强度再进行平滑处理。
可选的，至少一个无线传感器节点采用多个天线进行无线信号的传输，所述室内电子地图生成***进一步包括：第一计算装置，被配置为计算所述移动节点与所述至少一个无线传感器节点的不同天线间传输的无线信号强度的平均值。
可选的，所述移动节点采用多个天线进行无线信号的传输，所述室内电子地图生成***进一步包括：第二计算装置，其被配置为计算所述移动节点采用不同天线与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度的平均值。
可选的，所述室内电子地图生成***进一步包括确定装置，其被配置为确定所述移动节点在所测量的无线信号强度下所处的室内位置。
可选的，所述确定装置进一步被配置为通过读取蓝牙信号或RFID信号中的至少一种确定所述移动节点所处的室内位置。
可选的，所述第一测量装置进一步被配置为测量所述移动节点在被匀速连续移动下在室内不同位置处与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度。
可选的，所述第一测量装置进一步被配置为测量所述移动节点在不同人口密度下在室内不同位置处与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度。
图12示出了按照本发明的进行室内目标定位的***框图。图12所示的室内目标定位***是根据图11所示的室内电子地图生成***所生成的电子地图进行室内目标定位的***。图12所示的***包括第二测量装置、搜索装置以及定位装置。其中第二测量装置被配置为测量所述目标在待测位置处与不同无线传感器节点间传输的无线信号强度以获得目标无线信号强度组。搜索装置被配置为在所述室内电子地图中搜索与所述目标无线信号强度组匹配的参考无线信号强度组。定位装置，被配置为根据所述参考无线信号强度组确定所述目标在室内的位置。
可选的，至少一个无线传感器节点采用多个天线进行无线信号的传输，所述室内目标定位***进一步包括第三计算装置(图中未示出)，所述第三计算装置被配置为计算所述目标与所述至少一个无线传感器节点的不同天线间传输的无线信号强度的平均值。
可选的，所述目标采用多个天线进行无线信号的传输，所述室内目标定位***进一步包括第四计算装置(图中未示出)，所述第四计算装置被配置为计算所述目标采用不同天线与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度的平均值。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的***、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个相连的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的硬件***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
已经叙述了对本发明的各实施例的说明，上述说明是示例性的，而并非穷尽性的，也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于所属技术领域的技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使所属技术领域的其它技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (20)

1.一种室内电子地图生成方法，其中所述室内可被配置为布置有无线传感器节点与至少一个移动节点，所述移动节点可以在所述室内进行移动，并且所述移动节点可以与所述无线传感器节点进行无线信号传输，所述方法包括：
测量所述移动节点在室内不同位置处与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度；
对所述移动节点在至少一个位置处所测量的无线信号强度进行平滑处理；以及
根据上述平滑处理后的无线信号强度生成室内电子地图。
2.一种如权利要求1所述的方法，其中所述进行平滑处理进一步包括：
对所述移动节点在所述至少一个位置处及其相邻一个或多个位置处所测量的无线信号强度进行平均作为所述移动节点在所述至少一个位置处的无线信号强度。
3.一种如权利要求1或2所述的方法，其中所述进行平滑处理进一步包括：
对平滑处理后的无线线号强度再进行平滑处理。
4.一种如权利要求1-3中任意一个所述的方法，其中至少一个无线传感器节点采用多个天线进行无线信号的传输，所述方法进一步包括：
计算所述移动节点与所述至少一个无线传感器节点的不同天线间传输的无线信号强度的平均值。
5.一种如权利要求1-4中任意一个所述的方法，其中所述移动节点采用多个天线进行无线信号的传输，所述方法进一步包括：
计算所述移动节点采用不同天线与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度的平均值。
6.一种如权利要求1所述的方法，进一步包括：
确定所述移动节点在所测量的无线信号强度下所处的室内位置。
7.一种如权利要求1所述的方法，其中测量无线信号强度包括：
测量所述移动节点在被匀速连续移动下在室内不同位置处与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度。
8.一种根据权利要求1到7中任意一个所述的方法进行室内目标定位的方法，包括：
测量所述目标在待测位置处与所述不同无线传感器节点间传输的无线信号强度以获得目标无线信号强度组；
在所述室内电子地图中搜索与所述目标无线信号强度组匹配的参考无线信号强度组；以及
根据所述参考无线信号强度组确定所述目标在室内的位置。
9.一种如权利要求8所述的方法，其中至少一个无线传感器节点采用多个天线进行无线信号的传输，所述方法进一步包括：
计算所述目标与所述至少一个无线传感器节点的不同天线间传输的无线信号强度的平均值。
10.一种如权利要求8或9所述的方法，其中所述目标采用多个天线进行无线信号的传输，所述方法进一步包括：
计算所述目标采用不同天线与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度的平均值。
11.一种室内电子地图生成***，其中所述室内可被配置为布置有无线传感器节点与至少一个移动节点，所述移动节点可以在所述室内进行移动，并且所述移动节点可以与所述无线传感器节点进行无线信号传输，所述***包括：
第一测量装置，被配置为测量所述移动节点在室内不同位置处与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度；
平滑装置，被配置为对所述移动节点在至少一个位置处所测量的无线信号强度进行平滑处理；以及
生成装置，被配置为根据上述平滑处理后的无线信号强度生成室内电子地图。
12.一种如权利要求11所述的***，其中所述平滑装置进一步被配置为：
对所述移动节点在所述至少一个位置处及其相邻一个或多个位置处所测量的无线信号强度进行平均作为所述移动节点在所述至少一个位置处的无线信号强度。
13.一种如权利要求11或12所述的***，所述平滑装置进一步被配置为：
对平滑处理后的无线线号强度再进行平滑处理。
14.一种如权利要求11-13中任意一个所述的***，其中至少一个无线传感器节点采用多个天线进行无线信号的传输，所述***进一步包括：
第一计算装置，被配置为计算所述移动节点与所述至少一个无线传感器节点的不同天线间传输的无线信号强度的平均值。
15.一种如权利要求11-14中任意一个所述的***，其中所述移动节点采用多个天线进行无线信号的传输，所述***进一步包括：
第二计算装置，被配置为计算所述移动节点采用不同天线与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度的平均值。
16.一种如权利要求11所述的***，进一步包括：
确定装置，被配置为确定所述移动节点在所测量的无线信号强度下所处的室内位置。
17.一种如权利要求11所述的***，其中所述第一测量装置进一步被配置为：
测量所述移动节点在被匀速连续移动下在室内不同位置处与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度。
18.一种根据权利要求11到17中任意一个所述的***进行室内目标定位的***，包括：
第二测量装置，被配置为测量所述目标在待测位置处与不同无线传感器节点间传输的无线信号强度以获得目标无线信号强度组；
搜索装置，被配置为在所述室内电子地图中搜索与所述目标无线信号强度组匹配的参考无线信号强度组；以及
定位装置，被配置为根据所述参考无线信号强度组确定所述目标在室内的位置。
19.一种如权利要求18所述的***，其中至少一个无线传感器节点采用多个天线进行无线信号的传输，所述***进一步包括：
第三计算装置，计算所述目标与所述至少一个无线传感器节点的不同天线间传输的无线信号强度的平均值。
20.一种如权利要求18或19所述的***，其中所述目标采用多个天线进行无线信号的传输，所述***进一步包括：
第四计算装置，计算所述目标采用不同天线与所述无线传感器节点间传输的无线信号强度的平均值。
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