CN104808176A - 一种室内定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种室内定位方法，包括：1）于定位空间设置若干个固定设备，各固定设备形成双向链形结构；2）各固定设备上电后进行同步定标，***运行后根据各个固定设备之间的误差累计情况决定两次同步定标之间的时间间隔；3）移动设备进入定位范围内并开启定位功能后，与临近若干固定设备进行同步定标；4）移动设备按照其接收到各固定设备信号的时间以及光速转换成距离，并据此确定移动设备的位置。本发明通过对固定设备及移动设备进行同步定标后，根据信号收发时间计算移动设备与固定设备之间的距离，进而确定移动设备的位置坐标，相比于根据信号强度进行定位的方法来说，具有算法简单、定位精确等优点。

Description

一种室内定位方法

技术领域

本发明涉及电子、信号处理、信号传输领域，特别是涉及一种室内定位方法。

背景技术

室内定位在商场、医院等人流密集场所有着广阔的应用前景，如导购，导医，保护老人、小孩等。由于芯片技术的发展，目前出现了很多低功耗、小型化的处理器和传感器。通过这些处理器和传感器的协同，可以实时、连续、方便的对所感兴趣的人和物实现定位，并在此基础上推送信息(如商品介绍)，寻找走失的老人小孩等。

目前Wi-Fi技术已经在现代生活中被广泛应用，无论是在咖啡厅等休闲场所还是政府公共场所，都能够随时随地连接与各大运营商的无线网络进行连接。Wi-Fi除了有既定的联机速度优势之外，也同样能够应用于定位技术。

虽然目前定位技术应用最广泛的依旧是GPS，使用者能够直接通过手机来完成GPS定位。不过GPS在相关应用上仍然有其限制性，往往存在着于室内环境里就无法顺利完成定位的问题。

而通过Wi-Fi定位技术恰好能够弥补GPS这方面的弱点，不仅能够强化GPS在室内定位不准或无法定位的缺点，同时又能够提供更完善的室内定位应用服务，以创造更大的商机及社会服务。

Wi-Fi定位的原理是采用三角定位的方式，也就是通过移动设备和三个无线网络热点的无线信号交流，以便识别移动设备目前所在的位置，其主要是通过移动设备与三个无线热点之间的距离的不同，反应在无线热点上的移动设备信号强度会有差异，根据信号强度的不同，通过特定的算法来定位用户移动设备所在位置。然而，这种通过信号强度不同来换算距离的方法，数据处理方式较复杂，并且难以非常精确地反应用户当前所在的位置。

鉴于以上原因，提供一种能够精确定位用户所在位置的室内定位方法实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种室内定位方法，用于解决现有技术中的室内定位方法的定位较为复杂且不够精确的问题。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供一种室内定位方法，所述室内定位方法包括步骤：

1)于定位空间设置若干无线数据收发设备作为固定设备，这些固定设备中的每个设备j仅对某个确定设备i发出的信息转发，i称为j的前驱，j称为i的后继，其中有一个固定设备仅有后继，另有一个固定设备仅有前驱，所有固定设备形成双向链形结构；任一固定设备及其前驱信号互相可靠覆盖，设备及其后继同样；

2)对各固定设备上电后进行同步定标，以实现各固定设备在时间上的同步，完成初始化，***运行后根据各个固定设备之间的误差累计情况决定两次同步定标之间的时间间隔；

3)移动设备进入定位范围内并开启定位功能后，与临近固定设备进行同步定标，实现移动设备与各固定设备在时间上的同步；

4)移动设备收到多个固定设备的信号后，记录收到这些信号的时间，并从信号中提取发送时间，这两者的时间差就是电磁波在光速下从固定设备传播到移动设备的时间，据此可以计算出移动设备当前到各个固定设备的距离，并根据该距离确定移动设备的位置。

作为本发明的室内定位方法的一种优选方案，步骤1)中，每个固定设备都有一确定的空间坐标。

作为本发明的室内定位方法的一种优选方案，步骤1)中，各固定设备按固定的时间间隔发送自身的身份信息和时间戳，或按照预设函数确定的时间间隔发送自身的身份信息和时间戳。

作为本发明的室内定位方法的一种优选方案，步骤2)中，对各固定设备的同步定标包括步骤：

前驱固定设备发出该前驱设备的时间戳为t₁时刻的信息，后继固定设备在该后继固定设备的时间戳为t₂时刻收到这个信息并立即转发信息，所述前驱固定设备在该前驱固定设备的时间戳为t₃时刻收到该转发信息，则所述后继固定设备比前驱固定设备的时间滞后的差值是dt＝(t₃-t₁)/2-t₂，将该时间差值通过同步定标信息传递给后继固定设备，以完成同步定标。

作为本发明的室内定位方法的一种优选方案，步骤3)中，对移动设备与固定设备的同步定标包括步骤：

前驱固定设备发出该前驱设备的时间戳为t₁时刻的信息，移动设备在该移动设备的时间戳为t₂时刻收到这个信息并立即转发信息，所述前驱固定设备在该前驱固定设备的时间戳为t₃时刻收到该转发信息，则所述移动设备比前驱固定设备的时间滞后的差值是dt＝(t₃-t₁)/2-t₂，将该时间差值通过同步定标信息传递给移动设备，以完成移动设备与固定设备的同步定标。

作为本发明的室内定位方法的一种优选方案，移动设备与固定设备的同步定标在所述移动设备收到任意一个有效的固定设备的信息时进行。

作为本发明的室内定位方法的一种优选方案，步骤4)中，移动设备的位置确定方法包括：

n个固定设备分别在ti时刻向移动设备发送信息，移动设备在ti’时刻收到该n个固定设备所发送的信息，则所述移动设备与n个固定设备之间的距离分别为ai＝(ti’-ti)c，其中，i＝1、2、3……n，c为光速；

n个固定设备所设定坐标分别为(xi,yi,zi)，移动设备坐标为(x,y,z)，根据公式(xi-x)²+(yi-y)²+(zi-z)2＝ai²，可以计算出移动设备的坐标(x,y,z)。

进一步地，当i＝4时，可以直接计算得到移动设备坐标；当i>4时，可以采用最小二乘拟合的方法得到移动设备坐标。

作为本发明的室内定位方法的一种优选方案，所述移动设备可以接受所有固定设备发出的信号，但是仅选择最强信号源的前几个固定设备，其中，选择3个不在同一直线上的固定设备可以作平面位置定位，4个不在同一平面上的固定设备可以作空间位置定位，多于4个不在同一平面上的固定设备可以作空间位置拟合定位。

作为本发明的室内定位方法的一种优选方案，任何一个固定设备，从双向链形结构中解除后，可以成为移动设备，成为被定位对象。

作为本发明的室内定位方法的一种优选方案，固定设备和移动设备之间各种交换信息的一个可行的格式包括：时间戳+身份+信息种类。

作为本发明的室内定位方法的一种优选方案，移动设备定位的方法可以用来确定固定设备的坐标

如上所述，本发明提供一种室内定位方法，所述室内定位方法包括步骤：1)于定位空间设置若干无线数据收发设备作为固定设备，这些固定设备中的每个设备j仅对某个确定设备i发出的信息转发，i称为j的前驱，j称为i的后继，其中有一个固定设备仅有后继，另有一个固定设备仅有前驱，所有固定设备形成双向链形结构；任一固定设备及其前驱信号互相可靠覆盖，设备及其后继同样；2)对各固定设备上电后或者固定时间间隔后进行同步定标，以实现各固定设备在时间上的同步，完成初始化；3)移动设备进入定位范围内并开启定位功能后，与临近固定设备进行同步定标，实现移动设备与各固定设备在时间上的同步；4)移动设备收到多个固定设备的信号后，记录收到这些信号的时间，并从信号中提取发送时间，这两者的时间差就是电磁波在光速下从固定设备传播到移动设备的时间，据此可以计算出移动设备当前到各个固定设备的距离，并根据该距离确定移动设备的位置。本发明具有以下有益效果：本发明通过对固定设备及移动设备进行同步定标后，根据信号收发时间推算移动设备与固定设备之间的距离，进而确定移动设备的位置坐标，相比于根据信号强度进行定位的方法来说，具有算法简单、定位精确等优点。本发明方法简单，在室内定位技术领域中具有良好的应用前景。

附图说明

图1显示为本发明的室内定位方法步骤流程示意图。

图2显示为本发明的室内定位方法中，移动设备的坐标确定方法示意图。

元件标号说明

F1、F2、F3       固定设备

M                移动设备

S11～S14         步骤1)～步骤4)

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1～图2所示，本发明提供一种室内定位方法，所述室内定位方法包括步骤：

如图1所示，首先进行步骤1)S11，于定位空间设置若干无线数据收发设备作为固定设备，这些固定设备中的每个设备j仅对某个确定设备i发出的信息转发，i称为j的前驱，j称为i的后继，其中有一个固定设备仅有后继，另有一个固定设备仅有前驱，所有固定设备形成双向链形结构；任一固定设备及其前驱信号互相可靠覆盖，设备及其后继同样。

作为示例，所述若干个固定设备可以基于Wifi，Beacon等，各个固定设备有各自编号，如采用各自的MAC地址作为编号；

在本实施例中，各个固定设备的安装位置固定，但是没有三个固定设备在一条直线上，以提高固定设备的使用效率。对于整个定位空间来说，每个固定设备都有一确定的空间坐标。

各固定设备按固定的时间间隔发送自身的身份信息和时间戳，或按照预设函数确定的时间间隔发送自身的身份信息和时间戳，所述身份信息包括如固定设备的标号、坐标等。例如，以其中一个固定设备作为主设备，首先发出带有时间戳和自身编号的信号，时间间隔可以固定，或者按照某个函数确定的时间间隔。基于此，所有固定设备形成一个双向链形结构。

如图1所示，然后进行步骤2)S12，对各固定设备上电后或者固定时间间隔后收发信号的同时进行同步定标，以实现各固定设备在时间上的同步，完成初始化。

具体地，对各固定设备的同步定标包括步骤：

前驱固定设备发出该前驱设备的时间戳为t₁时刻的信息，后继固定设备在该后继固定设备的时间戳为t₂时刻收到这个信息并立即转发信息，所述前驱固定设备在该前驱固定设备的时间戳为t₃时刻收到该转发信息，则所述后继固定设备比前驱固定设备的时间滞后的差值是dt＝(t₃-t₁)/2-t₂，所述时间差值包括信号处理时间，将该时间差值通过同步定标信息传递给后继固定设备，以完成同步定标，依据这个方法，可以使得所有固定设备在时钟上的同步。

如图1所示，接着进行步骤3)S13，移动设备进入定位范围内并开启定位功能后，与临近固定设备进行同步定标，以修正移动设备的接收时间，实现移动设备与各固定设备在时间上的同步。

在本实施例中，移动设备与固定设备的同步定标在所述移动设备收到任意一个有效的固定设备的信息时进行。

具体地，在该步骤中，对移动设备与固定设备的同步定标包括步骤：

前驱固定设备发出该前驱设备的时间戳为t₁时刻的信息，移动设备在该移动设备的时间戳为t₂时刻收到这个信息并立即转发信息，所述前驱固定设备在该前驱固定设备的时间戳为t₃时刻收到该转发信息，则所述移动设备比前驱固定设备的时间滞后的差值是dt＝(t₃-t₁)/2-t₂，将该时间差值通过同步定标信息传递给移动设备，以完成移动设备与固定设备的同步定标。

如图1所示，最后进行步骤4)S14，移动设备收到多个固定设备的信号后，按照其接收到各固定设备信号的时间以及光速转换成与各固定设备间的距离，并根据该距离确定移动设备的位置。

作为示例，所述移动设备可以接受所有固定设备发出的信号，但是仅选择最强信号源的前几个固定设备，其中，选择3个不在同一直线上的固定设备可以作平面位置定位，4个不在同一平面上的固定设备可以作空间位置定位，多于4个不在同一平面上的固定设备可以作空间位置拟合定位。

作为示例，在该步骤中，移动设备的位置确定方法包括：

n个固定设备分别在ti时刻向移动设备发送信息，移动设备在ti’时刻收到该n个固定设备所发送的信息，则所述移动设备与n个固定设备之间的距离分别为ai＝(ti’-ti)c，其中，i＝1、2、3……n，c为光速；

n个固定设备所设定坐标分别为(xi,yi,zi)，移动设备坐标为(x,y,z)，根据公式(xi-x)²+(yi-y)²+(zi-z)2＝ai²，可以计算出移动设备的坐标(x,y,z)。

进一步地，当i＝4时，可以直接计算得到移动设备坐标；当i>4时，可以采用最小二乘拟合的方法得到移动设备坐标。

如图2所示，以三个固定设备及一个移动设备为例进行说明，具体如下：

图2中有三个固定设备F1、F2、以及F3，它们的坐标分别是(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,3；一个移动设备M，坐标为(x,y,z)。F1在时刻t₁发出信息，在时刻t₁’被M收到；F2在收到F1的信息后，延时T，在时刻t₂发出信息，在时刻t₂’被M收到；F3收到F₂的信息后，延时T，在时刻t₃发出信息，在时刻t₃’被M收到。所有固定设备的时间都已经同步。

假设移动设备M到固定设备F1，F2，F3的距离分别是a₁,a₂,a₃，那么有

a₁＝(t′₁-t₁)c

a₂＝(t′₂-t₂)c

a₃＝(t′₃-t₃)c

由上式可以给出a₁,a₂,a₃。

由几何可知：

${(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2=a_1^2$

${(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2=a_2^2$

${(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_3-z)}^2=a_3^2$

当固定设备多于4个时，可以通过最小二乘拟合的方法拟合出(x,y,z)。当固定设备等于4个时，拟合的效果等同于直接解出。

另外在本实施例中，任何一个固定设备，从双向链形结构中解除后，可以成为移动设备，成为被定位对象，基于这个特点，只需要确定前几个固定设备的坐标后，便可通过本实施例的室内定位方法精确地得出所有固定设备的坐标，即移动设备定位的方法可以用来确定固定设备的坐标，大大简化了固定设备的坐标测量时间，并有效提高定位的精确性。

同时，采用移动设备定位方法，可以对大部分固定设备定位，确定它们的坐标，用于以后移动设备的定位。

如上所述，本发明提供一种室内定位方法，所述室内定位方法包括步骤：1)于定位空间设置若干无线数据收发设备作为固定设备，这些固定设备中的每个设备j仅对某个确定设备i发出的信息转发，i称为j的前驱，j称为i的后继，其中有一个固定设备仅有后继，另有一个固定设备仅有前驱，所有固定设备形成双向链形结构；任一固定设备及其前驱信号互相可靠覆盖，设备及其后继同样；2)对各固定设备上电后或者固定时间间隔后进行同步定标，以实现各固定设备在时间上的同步，完成初始化；3)移动设备进入定位范围内并开启定位功能后，与临近固定设备进行同步定标，实现移动设备与各固定设备在时间上的同步；4)移动设备收到多个固定设备的信号后，记录收到这些信号的时间，并从信号中提取发送时间，这两者的时间差就是电磁波在光速下从固定设备传播到移动设备的时间，据此可以计算出移动设备当前到各个固定设备的距离，并根据该距离确定移动设备的位置。本发明具有以下有益效果：本发明通过对固定设备及移动设备进行同步定标后，根据信号收发时间推算移动设备与固定设备之间的距离，进而确定移动设备的位置坐标，相比于根据信号强度进行定位的方法来说，具有算法简单、定位精确等优点。本发明方法简单，在室内定位技术领域中具有良好的应用前景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种室内定位方法，其特征在于，所述室内定位方法包括步骤：

1)于定位空间设置若干无线数据收发设备作为固定设备，这些固定设备中的每个设备j仅对某个确定设备i发出的信息转发，i称为j的前驱，j称为i的后继，其中有一个固定设备仅有后继，另有一个固定设备仅有前驱，所有固定设备形成双向链形结构；任一固定设备及其前驱信号互相可靠覆盖，设备及其后继同样；

2)对各固定设备上电后进行同步定标，以实现各固定设备在时间上的同步，完成初始化，***运行后根据各个固定设备之间的误差累计情况决定两次同步定标之间的时间间隔；

3)移动设备进入定位范围内并开启定位功能后，与临近固定设备进行同步定标，实现移动设备与各固定设备在时间上的同步；

4)移动设备收到多个固定设备的信号后，记录收到这些信号的时间，并从信号中提取发送时间，这两者的时间差就是电磁波在光速下从固定设备传播到移动设备的时间，据此可以计算出移动设备当前到各个固定设备的距离，并根据该距离确定移动设备的位置。

2.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于：步骤1)中，每个固定设备都有一确定的空间坐标。

3.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于：步骤1)中，各固定设备按固定的时间间隔发送自身的身份信息和时间戳，或按照预设函数确定的时间间隔发送自身的身份信息和时间戳。

4.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于：步骤2)中，对各固定设备的同步定标包括步骤：

前驱固定设备发出该前驱设备的时间戳为t₁时刻的信息，后继固定设备在该后继固定设备的时间戳为t₂时刻收到这个信息并立即转发信息，所述前驱固定设备在该前驱固定设备的时间戳为t₃时刻收到该转发信息，则所述后继固定设备比前驱固定设备的时间滞后的差值是dt＝(t₃-t₁)/2-t₂，将该时间差值通过同步定标信息传递给后继固定设备，以完成同步定标。

5.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于：移动设备与固定设备的同步定标在所述移动设备收到任意一个有效的固定设备的信息时进行。

6.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于：步骤4)中，移动设备的位置确定方法包括：

n个固定设备分别在ti时刻向移动设备发送信息，移动设备在ti’时刻收到该n个固定设备所发送的信息，则所述移动设备与n个固定设备之间的距离分别为ai＝(ti’-ti)c，其中，i＝1、2、3……n，c为光速；

n个固定设备所设定坐标分别为(xi,yi,zi)，移动设备坐标为(x,y,z)，根据公式(xi-x)²+(yi-y)²+(zi-z)²＝ai²，可以计算出移动设备的坐标(x,y,z)。

7.根据权利要求6所述的室内定位方法，其特征在于：当i＝4时，可以直接计算得到移动设备坐标；当i>4时，可以采用最小二乘拟合的方法得到移动设备坐标。

8.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于：所述移动设备可以接受所有固定设备发出的信号，但是仅选择最强信号源的前几个固定设备，其中，选择3个不在同一直线上的固定设备可以作平面位置定位，4个不在同一平面上的固定设备可以作空间位置定位，多于4个不在同一平面上的固定设备可以作空间位置拟合定位。

9.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于：任何一个固定设备，从双向链形结构中解除后，可以成为移动设备，成为被定位对象。

10.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于：固定设备和移动设备之间各种交换信息的一个可行的格式包括：时间戳+身份+信息种类。

11.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于：移动设备定位的方法可以用来确定固定设备的坐标。