CN103957510B - 基于协作通信的环境自适应的室内定位算法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于协作通信的环境自适应的室内定位算法，定位节点接收到未知节点发送的信号RSSI强度值，计算后返回距离值d，未知节点接收到周围定位节点的距离值，设定一个通信半径的标准门限值dt，根据已知节点小于dt的数量来选择采取定位方法。本发明提供了一种利用网路协作通信思想的环境自适应定位算法，能够根据无线环境的好坏自动调节定位精度，既能够保证在无线环境较差时不会无法定位，也能在无线环境较好时，有效的提高定位精度。

Description

基于协作通信的环境自适应的室内定位算法
技术领域
本发明涉及一种基于协作通信的环境自适应的室内定位算法。
背景技术
基于无线自组织网络的室内定位技术作为节点定位技术研究的一个分支和热点，具有广阔的市场前景和需求。基于接收信号强度指示(RSSI)，基于RSSI 的测距方法中，已知发射节点的发生信号强度，接收节点根据收到信号的强度，计算出信号传播的损耗，利用理论模型将传输损耗转化为距离值；但是因为无线信号环境受反射、多径效应和非视距传播等问题的影响，极大地影响了定位精度。
基于RSSI的基本原理是，通过三边测量法来定位未知节点的信息，具体的实现就是通过周围三个已知节点接收到未知节点发送的RSSI值和无线环境参数 A，n，计算出未知节点到每个已知节点的距离，再利用二维平面的几何性质定位未知节点的坐标，理想情况如图1。
在实际***中，由于无线环境的复杂性和不确定性，当采用三边测量法定位未知节点时，往往与理想情况有较大的出入。由于信号在传播过程中的路径损耗，带入计算的RSSI值小于信号实际强度，所以带入公式计算出来的d大于实际节点之间的d，造成几何图形中三个圆两两相交的情况，如图2所示。
现有算法存在的问题是不能很好的适应无线环境的变化，若无线环境较差时，即未知节点不能和周围三个定位节点取得通信则无法利用三边测量法进行定位；若无线环境较好时，即未知节点可以与多余三个定位节点进行通信，又没有很好的利用这个条件来提高定位精度。
发明内容
基于RSSI无线定位算法，不需要额外的硬件设备，实现方法简单，是一种低功率、廉价的测距技术。但是基于RSSI的测距精度不是很高，误差可达到20％，且需要通过周围三个已知节点的位置信息，采用三边测量法对未知节点进行定位。本发明根据现有的RSSI定位技术，提出一种改进的协作通信环境自适应的定位算法。
本发明的技术解决方案是：
一种基于协作通信的环境自适应的室内定位算法，
定位节点接收到未知节点发送的信号RSSI强度值，计算后返回距离值d，未知节点接收到周围定位节点的距离值，设定一个通信半径的标准门限值dt，根据已知节点小于dt的数量来选择采取定位方法。
进一步地，当参与通信的定位节点数量小于3个，利用协作通信的原理，即当周围其他未知节点定位后获取自身坐标信息，作为定位节点协作未知节点定位，再采用改进的三边测量法和质心算法计算未知节点坐标；
进一步地，当参与通信的定位节点数量等于3个，采用现有的三边测量法结合质心算法对未知节点进行定位。
进一步地，当参与通信的定位节点数量多于3个，即若无线环境较理想，先利用定位节点相互通信，确定包含未知节点的定位节点之间构成多个三角形，分别通过改进的三边测量法定位出未知节点坐标，再根据三角形面积大小对未知节点位置的权重影响，对坐标进行加权平均处理，最终定位未知节点。
进一步地，距离值d采用公式(1)计算；
取参考距离d0＝1m，采用无线信号在空间中传输的理论模型是shadowing模型：
RSSI＝-(A+10nlog10d) (1)
其中，A表示在距离发射节点1m处接收到平均能力绝对值，单位为dbm； n是信号传输常数，和传输环境有关；d是接收节点和发射节点的距离。
进一步地，采用改进的三边测量法和质心算法计算未知节点坐标如下：
三个定位节点为A(xa，ya)，B(xb，yb)，C(xc，yc)，基于RSSI计算出到未知节点的距离分别为da，db，dc，分别以上述三个定位节点为圆心、上述距离为半径作圆，三个圆两两相交，以其交点A',B',C'为顶角作三角形，取三角形的质心为未知节点的坐标；
由三角形的性质得出未知节点坐标如下，(xd,yd)＝其中，x′a为交点A′的横坐标， x′b为交点B′的横坐标，x′c为交点C′的横坐标，y′a为交点A′的纵坐标，y′b交点B′的纵坐标，y′c交点C′的纵坐标。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种利用网路协作通信思想的环境自适应定位算法，能够根据无线环境的好坏自动调节定位精度，既能够保证在无线环境较差时不会无法定位，也能在无线环境较好时，有效的提高定位精度。
附图说明
图1是理想情况下三边测量法几何示意图；
图2是实际情况下三边测量法几何示意图；
图3是定位节点多余三个时定位算法的几何示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例通过对现有的基于RSSI定位***的定位算法的改进，结合协作通信的思想，构成环境自适应的定位***，并且提高定位精度。
由于在实际的室内定位***中，正常的无线环境只需要三个节点进行定位，但是遇到一些突然情况会导致无线信号的不稳定，这时候就会影响定位的精度和无线网络的健壮性。
实施例通过定位节点接收到未知节点发送的信号RSSI强度值，计算后返回距离值d，未知节点接收到周围定位节点的距离值，设定一个通信半径的标准门限值dt，根据已知节点小于dt的数量来采取不同的定位方法，从而能够保证在无线环境较差时不会无法定位，也能在无线环境较好时，有效的提高定位精度。
实施例针对现有的基于RSSI的无线定位算法存在的测距精度不是很高，健壮性较差不能很好适应无线环境的问题，提出了以下改进措施。首先，对三边测量法加以改进，结合三角形质心算法得到更为精确的定位坐标；其次，根据未知节点所处的无线环境的好坏，与周围的节点相互通信，协助定位的未知节点越多，则定位精度越高。
RSSI算法的基本原理：信号强度随传输距离的增大而减小，所以在信号强度值和传输距离之间建立关系式。普遍采用无线信号在空间中传输的理论模型是 shadowing模型：
对公式进行简单的化简，取参考距离d0＝1m，化简后的公式为：
RSSI＝-(A+10nlog10d) (1)
其中，A表示在距离发射节点1m处接收到平均能力绝对值，单位为dbm； n是信号传输常数，和传输环境有关；d是接收节点和发射节点的距离。
实施例的改进措施在于，定位节点接收到未知节点发送的信号RSSI强度值，计算后返回距离值d，未知节点接收到周围定位节点的距离值，设定一个通信半径的标准门限值dt，根据已知节点小于dt的数量来采取不同定位方法。
当参与通信的定位节点数量小于3个，无法直接采用三边测量法进行定位。利用协作通信的原理，即当周围其他未知节点定位后，获取自身坐标信息，作为定位节点协作未知节点定位，再采用改进的三边测量法和质心算法计算未知节点坐标。
当参与通信的定位节点数量等于3个，参照现有的三边测量法结合质心算法对未知节点进行定位。
当参与通信的定位节点数量多于3个，即若无线环境较理想，就先利用定位节点相互通信，确定包含未知节点的定位节点之间构成多个三角形，分别通过改进的三边测量法定位出未知节点坐标，再根据三角形面积大小对未知节点位置的权重影响，对坐标进行加权平均处理最终定位未知节点，做进一步改进。具体实现原理如下图3。
从图3中不难看出，假设未知节点为O，且能与周围4个定位节点进行通信。首先利用四个节点之间的位置信息，判断节点O在哪几个定位节点组成的三角形中，不难得出节点O在三角形ABD，三角形ABC中，在两个三角形中再分别利用三边测量法加质心算法计算出未知节点O的坐标OABD和OABC，根据三角形ABD，ABC的面积大小对未知节点坐标进行加权求平均，面积越小对坐标影响权重越大，最后得出节点O的坐标值。

Claims (2)

1.一种基于协作通信的环境自适应的室内定位算法，其特征在于：
定位节点接收到未知节点发送的信号RSSI强度值，计算后返回距离值d，未知节点接收到周围定位节点的距离值，设定一个通信半径的标准门限值dt，根据已知节点小于dt的数量来选择采取定位方法；
当参与通信的定位节点数量小于3个，利用协作通信，当周围其他未知节点定位后获取自身坐标信息，作为定位节点协作未知节点定位，再采用改进的三边测量法和质心算法计算未知节点坐标；
当参与通信的定位节点数量等于3个，采用现有的三边测量法结合质心算法对未知节点进行定位；
当参与通信的定位节点数量多于3个，先利用定位节点相互通信，确定包含未知节点的定位节点之间构成多个三角形，分别通过改进的三边测量法和质心算法定位出未知节点坐标，再根据三角形面积大小对未知节点位置的权重影响，对坐标进行加权平均处理最终定位未知节点；
其中，采用改进的三边测量法和质心算法计算未知节点坐标如下：
三个定位节点为A(xa，ya)，B(xb，yb)，C(x c，yc)，基于RSSI计算出到未知节点的距离分别为da，db，dc，分别以上述三个定位节点为圆心、上述距离为半径作圆，三个圆两两相交，以其交点A',B',C'为顶角作三角形，取三角形的质心为未知节点的坐标；
由三角形的性质得出未知节点坐标如下， 其中，x′a为交点A′的横坐标，x′b为交点B′的横坐标，x′c为交点C′的横坐标，y′a为交点A′的纵坐标，y′b交点B′的纵坐标，y′c交点C′的纵坐标。
2.如权利要求1所述的基于协作通信的环境自适应的室内定位算法，其特征在于，距离值d采用公式(1)计算；
取参考距离d0＝1m，采用无线信号在空间中传输的理论模型是shadowing模型：
RSSI＝-(A+10nlog10d) (1)
其中，A表示在距离发射节点1m处接收到平均能力绝对值，单位为dbm；n是信号传输常数，和传输环境有关；d是接收节点和发射节点的距离。
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