CN105137393B - 一种用于网络的空间多传感器快速定位方法 - Google Patents

一种用于网络的空间多传感器快速定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及目标检测技术领域，公开的一种用于网络的空间多传感器快速定位方法，是根据多传感器网络中各探测节点的坐标位置及测距结果，选取能覆盖所有目标点位置的最小立方体区域，并进行栅格化；并将每个栅格中心点作为待选目标点，通过约束规则选取合适的待选目标点作为初始目标概位点，并以该点为中心点坐标，重新选取立方体覆盖区，迭代计算目标概位点坐标，直到立方体覆盖区的边长符合精度要求，此时得到的目标概位点即为目标位置。本发明能够应用于各类基于距离的传感器装置，完成空间目标的快速精确定位。并且快速精确定位的方法简单，计算精度高。

Description

一种用于网络的空间多传感器快速定位方法
技术领域
本发明涉及目标检测技术领域，尤其涉及一种用于网络的空间多传感器快速定位方法。
背景技术
多传感器网络，是指按一定覆盖率要求，由部署在某一特定区域的多个传感器称为网络节点组成的网络***。随着无线移动通讯和移动终端技术的迅速发展，多传感器网络在民用领域掀起了研究的热潮。
应用于目标定位的多传感器网络的工作原理是，充分利用多个平台上的传感器资源，对多个平台观测到的信息数据进行融合，去除多余的信息，获取对被测目标的一致性认识。依据感知信息的方式不同，实现目标定位的主要手段有测距定位、测向定位、时差定位、频差定位等。目前，时差定位、频差定位实现起来成本高且存在技术难题，在一些实际工程应用中尚受到限制，而测向定位方法存在算法复杂度高、精度低、定位精度对方向测量误差过于敏感等问题，因此测距定位成为多传感器目标定位的常用手段。
理论上，利用距离信息进行定位，若要定位空间目标则需要4个不共面传感器节点，以这四个节点为球心，所测距离为半径的四个球面的交点，即为目标位置。但实际情况下，由于***设备和环境干扰等因素的影响，使得测距数据产生误差，导致球面交点无解，影响定位精度。为提高定位精度，通常采用增加探测节点数量（提高网络的覆盖率）的方法，但探测节点数量增多会增大硬件成本和定位算法的时间复杂度，不利用实际工程应用。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种用于网络的空间多传感器快速定位方法。本发明计算简单，精度高，可以应用于各类基于距离的传感器装置，完成空间目标的快速精确定位。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于网络的空间多传感器快速定位方法，根据多传感器网络中各探测节点的坐标位置及测距结果，选取能覆盖所有目标点位置的最小立方体区域，并进行栅格化；并将每个栅格中心点作为待选目标点，通过约束规则选取合适的待选目标点作为初始目标概位点，并以该点为中心点坐标，重新选取立方体覆盖区，迭代计算目标概位点坐标，直到立方体覆盖区的边长符合精度要求，此时得到的目标概位点即为目标位置，其步骤如下：
步骤一：根据已知探测节点位置，选取立方体覆盖区；
设有n个已知传感器探测节点，已获得n个探测节点位置和对目标点的测距结果，每个探测节点对应的可能目标位置是以此节点为中心，以到目标的测距结果为半径的球面上；选取最小的立方体覆盖区，以覆盖所有的可能目标点位置；
实现方法为：设n个已知传感器探测节点的位置坐标分别为Di(xdi,ydi,zdi)（i=1,2…n），探测节点对目标点的测距结果为di（i=1,2…n），则
xmax=max（xd1+d1，xd2+d2，xd3+d3，…xdn+dn）
xmin=min（xd1-d1，xd2-d2，xd3-d3，…xdn-dn）
ymax=max（yd1+d1，yd2+d2，yd3+d3，…ydn+dn）
ymin=min（yd1-d1，yd2-d2，yd3-d3，…ydn-dn）
zmax=max（zd1+d1，zd2+d2，zd3+d3，…zdn+dn）
zmin=min（zd1-d1，zd2-d2，zd3-d3，…zdn-dn）
然后求出立方体覆盖区的边长为：
L=max（xmax-xmin，ymax-ymin，zmax-zmin）
以L为边长，建立一个以（xmax，ymax，zmax）为顶点，向（xmin，ymin，zmin）方向延伸的立方体覆盖区域；
步骤二：栅格化立方体覆盖区，若立方体覆盖区边长为L，立方体边长等分值取值为a，则立方体覆盖区可栅格化为m个小立方体，其中m=a3，每个小立方体边长为L/a。以每个小立方体的中心点作为待选目标点Tj（j=1,2…m）；
步骤三：获取初始目标概位点，计算每个待选目标点与所有探测节点间的距离，选取待选目标点与探测节点间距离和探测节点已测目标距离的差的平方和最小的待选目标点作为初始目标概位点；
待选目标点Tj（j=1,2…m）与探测节点间距离和探测节点已测目标距离的差的平方和为：
Rsqj为第j个待选目标点与探测节点间距离和探测节点已获取目标距离的差的平方和；
di为第i个探测节点获取的目标距离；
Rji为第j个待选目标点到第i个探测节点的距离；
取（Rsq1，Rsq2 …Rsqm）中最小值时的待选目标点作为初始目标概位点，若目标概位点与真实目标点完全重合，目标概位点到探测节点的距离与真实目标点到探测节点的距离应相等，即Rsq=0；因此，在立方体内获取的目标概位点的Rsq应为最小，并无限逼近0；
步骤四：以步骤三中获取的初始目标概位点为中心，将立方体边长减半，重新划定立方体覆盖区域，重复步骤二、三、四，迭代计算目标概位点位置，直到立方体覆盖区的边长符合精度要求，此时的目标概位点坐标即为目标点空间定位坐标。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：
本发明是根据多传感器网络中各探测节点的坐标位置及测距结果，选取能覆盖所有目标点位置的最小立方体区域，并进行栅格化；并将每个栅格中心点作为待选目标点，通过约束规则选取合适的待选目标点作为初始目标概位点，并以该点为中心点坐标，重新选取立方体覆盖区，迭代计算目标概位点坐标，直到立方体覆盖区的边长符合精度要求，此时得到的目标概位点即为目标位置。
本发明是计算简单，精度高，可以应用于各类基于距离的传感器装置，完成空间目标的快速精确定位。
附图说明
图1所示是立方体覆盖区选取示意图。
图2和图3分别为图1在xy，xz方向的俯视图。
图4所示是边长等分值为2时的立方体覆盖区栅格化示例。
图5是一种用于网络的空间多传感器快速定位方法流程图。
具体实施方式
如图1、2、3、4、5所示，一种用于网络的空间多传感器快速定位方法，根据多传感器网络中各探测节点的坐标位置及测距结果，选取能覆盖所有目标点位置的最小立方体区域，并进行栅格化；并将每个栅格中心点作为待选目标点，通过约束规则选取合适的待选目标点作为初始目标概位点，并以该点为中心点坐标，重新选取立方体覆盖区，迭代计算目标概位点坐标，直到立方体覆盖区的边长符合精度要求，此时得到的目标概位点即为目标位置。
图1所示是立方体覆盖区选取示意图，假设有四个探测节点，分别为D1(xd1,yd1,zd1)、D2(xd2,yd2,zd2)、D3(xd3,yd3,zd3)、D4(xd4,yd4,zd4)，探测节点各自获取的目标距离为d1、d2、d3、d4。图中所示以d1、d2、d3、d4为半径的四个球面即为各探测节点对应的可能目标位置。立方体覆盖区为覆盖这四个球面的最小立方体区域，它以（xmax，ymax，zmax）为顶点，向（xmin，ymin，zmin）延伸，边长为L。
图2和图3分别为图1在xy，xz方向的俯视图，由图可看出，xmax= xd3+d3，xmin= xd1-d1，ymax= yd1+ d1，ymin= yd3-d3，zmin= zd2+d2，zmin= zd3-d3。立方体覆盖区的边长为：L=max（xmax-xmin，ymax-ymin，zmax-zmin）。
图4所示是边长等分值为2时的立方体覆盖区栅格化示例。图中立方体覆盖区一顶点为（xmax，ymax，zmax），边长为L，可被栅格化为23=8个小立方体，每个小立方体的中心点作为待选目标点Tj（j=1,2…8），O点为真实目标点。根据步骤三计算可得出T3为最优解，因此选取T3作为目标概位点，执行步骤四。通过多次迭代逼近，得出O点坐标。
图5是一种用于网络的空间多传感器快速定位方法流程图，其步骤如下：
步骤一：传感器将探测节点位置坐标和各探测节点测距结果发送至定位主机。定位主机接收数据成功后，选取最小的立方体覆盖区，以覆盖所有的可能目标点位置。
实现方法为：设n个已知传感器探测节点的位置坐标分别为Di(xdi,ydi,zdi)（i=1,2…n），探测节点对目标点的测距结果为di（i=1,2…n），则
xmax=max（xd1+d1，xd2+d2，xd3+d3，…xdn+dn）
xmin=min（xd1-d1，xd2-d2，xd3-d3，…xdn-dn）
ymax=max（yd1+d1，yd2+d2，yd3+d3，…ydn+dn）
ymin=min（yd1-d1，yd2-d2，yd3-d3，…ydn-dn）
zmax=max（zd1+d1，zd2+d2，zd3+d3，…zdn+dn）
zmin=min（zd1-d1，zd2-d2，zd3-d3，…zdn-dn）
然后求出立方体覆盖区的边长为：
L=max（xmax-xmin，ymax-ymin，zmax-zmin）
以L为边长，建立一个以（xmax，ymax，zmax）为顶点，向（xmin，ymin，zmin）方向延伸的立方体覆盖区域。
步骤二：选取立方体边长精度和边长等分值，并将立方体覆盖区根据边长等分值划分为一定数量的小立方体。
栅格化立方体覆盖区，若立方体覆盖区边长为L，立方体边长等分值取值为a，则立方体覆盖区可栅格化为m个小立方体，其中m=a3，每个小立方体边长为L/a。以每个小立方体的中心点作为待选目标点Tj（j=1,2…m）。
步骤三：栅格化确定完成后，提取每个小立方体的中心点坐标，作为待选目标点。计算每个待选目标点与所有探测点间距离，选取待选目标点与探测节点间距离和探测节点已测目标距离的差的平方和最小的待选目标点作为目标概位点。
步骤四：以目标概位点为中心，将立方体边长减半，重新选取立方体覆盖区。判定立方体覆盖区边长是否小于所选边长精度，若大于边长精度，则重复步骤二、步骤三、步骤四，迭代计算新的目标概位点；反之，则此概位点即为目标点，输出定位结果，完成目标定位。
利用本发明方法进行仿真试验。选取40个探测节点，随机取4个为一组，进行200次定位计算，统计定位误差的均值和方差，分别为0.96和0.7，试验结果表明，该方法可以在满足一定精度要求的前提下，快速完成空间目标定位。

Claims (1)

1.一种用于网络的空间多传感器快速定位方法，根据多传感器网络中各探测节点的坐标位置及测距结果，选取能覆盖所有目标点位置的最小立方体区域，并进行栅格化；并将每个栅格中心点作为待选目标点，通过约束规则选取合适的待选目标点作为初始目标概位点，并以该点为中心点坐标，重新选取立方体覆盖区，迭代计算目标概位点坐标，直到立方体覆盖区的边长符合精度要求，此时得到的目标概位点即为目标位置，其步骤如下：
步骤一：根据已知探测节点位置，选取立方体覆盖区；
设有n个已知传感器探测节点，已获得n个探测节点位置和对目标点的测距结果，每个探测节点对应的可能目标位置是以此节点为中心，以到目标的测距结果为半径的球面上；选取最小的立方体覆盖区，以覆盖所有的可能目标点位置；
步骤二：栅格化立方体覆盖区，若立方体覆盖区边长为L，立方体边长等分值取值为a，则立方体覆盖区可栅格化为m个小立方体，其中m=a3，每个小立方体边长为L/a；以每个小立方体的中心点作为待选目标点Tj（j=1,2…m）；
步骤三：获取初始目标概位点，计算每个待选目标点与所有探测节点间的距离，选取待选目标点与探测节点间距离和探测节点已测目标距离的差的平方和最小的待选目标点作为初始目标概位点；
步骤四：以步骤三中获取的初始目标概位点为中心，将立方体边长减半，重新划定立方体覆盖区域，重复步骤二、三、四，迭代计算目标概位点位置，直到立方体覆盖区的边长符合精度要求，此时的目标概位点坐标即为目标点空间定位坐标；
其中，所述的步骤一中选取最小的立方体覆盖区，以覆盖所有可能目标点位置的；实现方法为：设n个已知传感器探测节点的位置坐标分别为Di(xdi,ydi,zdi)（i=1,2…n），探测节点对目标点的测距结果为di（i=1,2…n），则
xmax=max（xd1+d1，xd2+d2，xd3+d3，…xdn+dn）
xmin=min（xd1-d1，xd2-d2，xd3-d3，…xdn-dn）
ymax=max（yd1+d1，yd2+d2，yd3+d3，…ydn+dn）
ymin=min（yd1-d1，yd2-d2，yd3-d3，…ydn-dn）
zmax=max（zd1+d1，zd2+d2，zd3+d3，…zdn+dn）
zmin=min（zd1-d1，zd2-d2，zd3-d3，…zdn-dn）
然后求出立方体覆盖区的边长为：
L=max（xmax-xmin，ymax-ymin，zmax-zmin）
以L为边长，建立一个以（xmax，ymax，zmax）为顶点，向（xmin，ymin，zmin）方向延伸的立方体覆盖区域；
其中，所述的步骤三中待选目标点Tj（j=1,2…m）与探测节点间距离和探测节点已测目标距离的差的平方和为：
Rsqj为第j个待选目标点与探测节点间距离和探测节点已获取目标距离的差的平方和；
di为第i个探测节点获取的目标距离；
Rji为第j个待选目标点到第i个探测节点的距离；
取（Rsq1，Rsq2 …Rsqm）中最小值时的待选目标点作为初始目标概位点，若目标概位点与真实目标点完全重合，目标概位点到探测节点的距离与真实目标点O到探测节点的距离应相等，即Rsq=0；因此，在立方体内获取的目标概位点的Rsq应为最小，并无限逼近0。
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