CN107976186B - 无锚点的相对定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无锚点的相对定位方法，主要解决现有技术在初始位置未知的情况下不能确定两个移动设备相对位置的问题。其实现步骤为：1.测量两个移动设备的初始相对距离；2.进行第一次移动，记录两个移动设备的移动距离、移动方向角并测量移动后两个移动设备的相对距离；3.计算移动后两个移动设备相对坐标，若坐标唯一，则直接确定相对位置，若坐标不唯一，再进行第二次移动，若第二次移动满足条件，则记录两个移动设备第二次移动距离和方向角并测量移动后两个移动设备的相对距离；4.计算两个移动设备的相对方位角，确定相对位置。本发明在无锚点、初始位置未知情况下，通过移动确定两个移动设备的相对位置。

Description

无锚点的相对定位方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种相对定位方法，可用于在初始位置未知的情况下确定两个移动设备之间的相对位置。

背景技术

现有的定位技术主要有蓝牙定位技术、超宽带定位技术、Wi-Fi定位技术和惯性传感器定位技术等。其中：

蓝牙定位技术，是使用智能手机的蓝牙模块，需要在定位环境中部署蓝牙基站，其定位精度最高可以达到亚米级，但是这种定位方法成本高，在复杂的环境中，稳定性欠妥、受噪声干扰明显。

超宽带定位技术，不依赖传统通信所必须的载波信号，需要极窄的脉冲信号，其在无遮挡的室内环境下可以达到厘米级的定位精度，但这种定位方法的不足是对硬件性能要求高，在复杂的室内环境下容易出现较大的定位误差。

Wi-Fi定位技术，是利用访问接入点AP组成的WLAN网，可以完成复杂环境中的定位任务，它以节点的位置数据为依据和前提，其最高精度在1米至20米之间，由于AP通常的覆盖半径在百米以内，容易被其他信号影响，降低其定位精度，且定位功耗也较高。

基于惯性传感器的定位技术，主要分为两种：一种是传统惯性传感器定位方法，另一种是行人航迹推算方法。这两种方法均应用于智能手机，即利用智能手机携带的传感器设备，先采集运动数据，然后通过计算获取手机的位置信息。

其中，传统惯性传感器定位方法利用牛顿运动定理，对加速度进行二次积分获得速度和位移，优点是不易受到外界环境的干扰，缺点是计算复杂，同时由于加速度测量值与实际值存在一定的偏差，这些误差会对定位结果产生影响，随着时间的累积，累计误差会越来越大；行人航迹推算方法，是在已知起始点坐标的基础上，根据运动的位移和方向来确定下一点的坐标，这种定位方法对加速度传感器的精度要求低，可以进一步减少硬件***误差对于定位精度的影响，定位数据更为稳定，并且加入航向检测，可以单独作为定位技术使用，缺点是定位误差会随着时间的增加而累积。

以上定位技术中，蓝牙定位技术、超宽带定位技术、Wi-Fi定位技术都是用来确定绝对位置，惯性传感器定位技术可以用来确定相对位置，但是需要已知运动物体的初始点坐标，而且主要应用于确定同个物体两次运动前后的相对位置，无法确定两个物体之间的相对位置。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于无锚点相对定位方法，旨在初始位置未知的情况下，获得两个移动设备之间的相对位置。

本发明的技术方案是这样实现的：

一.技术原理

本发明的基本思想是基于惯性传感器定位技术的行人航迹推算方法。

行人航迹推算是一种基于人行走或运动时的运动规律和周期性信息，分析加速度传感器的输出值，识别这些运动特征，对行人行走的步频和步幅进行检测和估计，再结合陀螺仪得到的角速度信息，从而可通过行人的移动距离、方向信息最终得到位置信息的方法。该算法包括步频检测、步长估计和航向检测。

所述步频检测，是利用人行走的周期性，根据运动时加速度传感器在垂直方向的加速度变化规律来求解，即先获取加速度信息，去除由于手机抖动带来的异常点并做平滑处理，再设定动态阈值，如果出现超过阈值的两个连续波峰则记为一步。

所述步长估计，现有方法有静态模型法和动态模型法，其中：

静态模型法，是根据行人的性别、年龄、身高设置几个常数步长作为步长的经验估计值，这种模型不能很好地体现行走中速度的变化，模型过于粗糙；

动态模型法，是通过数学模型或学习模型来建立步长的线性表达式，该数学模型指通过加速度与步长、频率与步长之间的线性模型来确定步长；该学习模型指通过机器学习等方法对行走状态进行学习，预测行人行走状态得到的相应步长。

所述航向检测，是利用电子罗盘或陀螺仪实现。电子罗盘将地球磁场映射到其坐标系中，得到罗盘的姿态角度，但是电子罗盘容易受到电场或磁场的干扰，使用前需要事先矫正；陀螺仪利用角动量守恒定理进行角运动检测，它以低成本、低能耗、成本小、可靠性高、易于数字化等优点被大部分智能手机所装配，在短期内数据稳定性好，测向准确度高，但随着时间增加，会有累计误差的风险。

相较于传统惯性传感器定位方法，行人航迹推算定位方法对加速度传感器的精度要求降低，精度主要依赖于步频测量、步长估计和航向检测三个方面，在移动端容易实现，在室内也可以有效地实现高精度定位，为此本发明基于行人航迹推算方法，实现两个移动设备之间相对位置的确定。

二.实现方案

根据上述原理，本发明的技术方案包括如下：

1)利用距离测量方法获取两个移动设备A和B之间的初始相对距离R₁，并记录A的初始位置为A₀，以A₀为坐标原点，B初始位置未知；

2)获取两个移动设备A和B各自的移动距离l₁、l₂和移动方向角β₁、β₂；

3)两个移动设备A和B互通信息，记录第一次移动后各自的位置为A₁和B₁，获取两个移动设备在当前位置A₁与B₁之间的相对距离R₂；

4)计算两个移动设备A和B在当前位置A₁和B₁之间的相对坐标：

4a)根据步骤3)的结果构建如下坐标方程组：

其中，式<1>表示第一次移动后，以移动设备A的位置A₁为圆心，移动设备B在位置B₁的可能坐标所在圆方程；式<2>表示以移动设备A和移动设备B初始相对距离R₁为半径，移动设备B移动后的可能坐标所在圆方程；x、y分别表示移动设备B在位置B₁的横坐标和纵坐标，a表示式<2>所示圆的圆心的横坐标，a＝l₂sinβ₂-l₁sinβ₁，b表示式<2>所示圆的圆心的纵坐标，b＝l₂cosβ₂-l₁cosβ₁；

4b)求解坐标方程组，解得移动设备B在位置B₁的横坐标x和纵坐标y；

4c)根据上述得到的解x、y做出对两个移动设备A和B相对坐标的判断：

当x₁＝x₂＝x，y₁＝y₂＝y时，则确定移动设备B相对移动设备A在位置B₁的坐标为B₁(x,y)；

当x₁≠x₂、y₁≠y₂时，x₁,y₁和x₂,y₂对应移动设备B相对移动设备A在位置B₁的坐标分别为B′₁(x₁,y₁)和B″₁(x₂,y₂)，则不能唯一确定两个移动设备A和B的相对位置，执行步骤5)；

5)重复步骤2)，分别获得两个移动设备A和B第二次移动的移动距离l₃、l₄和移动方向角β₃、β₄，并判断两个移动设备A和B第二次移动的移动方向角β₃和β₄是否相同：

若不相同，执行步骤6)；

若相同，则再次移动两个移动设备，更新l₃、l₄和β₃、β₄的值，直到β₃和β₄不相同，执行步骤6)；

6)记录当前两个移动设备A和B各自的位置为A₂和B₂，获取两个移动设备A和B在位置A₂和B₂之间的相对距离R₃；

7)根据步骤6)所得结果，确定两个移动设备A和B在当前位置A₂和B₂的相对方位角：

7a)分别计算移动设备B在位置B2的两个可能坐标B′₂(x₃,y₃)、B″₂(x₄,y₄)和B′₂(x₃,y₃)到原点的距离d₁、B″₂(x₄,y₄)到原点的距离d₂；

7b)利用步骤(6)所得结果对移动设备B在位置B₂的坐标选取作出判断：

若d₁＝R₃，则B′₂(x₃,y₃)为以移动设备A为原点，移动设备B的坐标；

若d₂＝R₃，则B″₂(x₄,y₄)为以移动设备A为原点，移动设备B的坐标；

7c)计算移动设备A和移动设备B在位置A₂和B₂的相对方位角γ。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明由于在确定两个移动设备的相对位置的过程中，不需要获得移动设备的初始位置，通过两次符合条件的移动来最终确定两个移动设备的相对位置，是对现有技术中利用行人航迹推算定位方法对单个物体绝对定位的补充，扩大了行人航迹推算定位方法的使用范围；

2、本发明由于基于行人航迹推算方法，不需要外界环境配置，使用移动设备自带装置，在无锚点的情况下进行定位，降低了环境配置不均或者信号遮挡等因素对定位精度的影响。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明中确定两个移动设备相对位置的子流程图。

具体实施方案

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。

参照图1，一种无锚点的相对定位方法，包括以下步骤：

步骤1，获取两个移动设备A和B之间的初始相对距离。

本实例利用距离测量方法获取两个移动设备A和B之间的初始相对距离R₁，并记录A的初始位置为A₀，以A₀为坐标原点，B初始位置未知，该距离测量方法包括基于接收信号强度RSSI、基于到达时间TOA、基于到达时间差TDOA和基于到达角度AOA等，本实例使用但不限于RSSI测距方法测量两个移动设备A和B之间的初始相对距离为R₁。

步骤2，获取两个移动设备A和B各自的移动距离l₁、l₂和移动方向角β₁、β₂。

本实例获取移动距离l₁、l₂和移动方向角β₁、β₂按如下方法进行：

利用加速度传感器分别获得移动设备A的加速度信息a₁和移动设备B的加速度信息b₁，并根据加速度信息进行步频检测和步长估计，分别得到移动设备A的移动距离l₁和移动设备B的移动距离l₂；

利用陀螺仪分别获得移动设备A和B的角速度信息，并根据角速度信息进行航向检测，分别得到移动设备A的移动方向角β₁和移动设备B的移动方向角β₂。

步骤3，获取两个移动设备在当前位置A₁与B₁之间的相对距离R₂。

本实例中两个移动设备A和B互通信息，分别记录第一次移动后各自的位置为A₁和B₁；

利用RSSI测距方法获取两个移动设备在当前位置A₁和B₁之间的相对距离R₂。

步骤4，两个移动设备A和B通过两次移动确定相对位置。

参照图2，本步骤的具体实现如下：

4a)计算两个移动设备A和B在当前位置A₁和B₁的相对坐标：

4a1)根据步骤3的结果构建坐标方程组：

其中，式<1>表示第一次移动后，以移动设备A的位置A₁为圆心，移动设备B在位置B₁的可能坐标所在圆方程；式<2>表示以移动设备A和移动设备B初始相对距离R₁为半径，移动设备B移动后的可能坐标所在圆方程；x、y分别表示移动设备B在位置B₁的横坐标和纵坐标，a表示式<2>所示圆的圆心的横坐标，a＝l₂sinβ₂-l₁sinβ₁，b表示式<2>所示圆的圆心的纵坐标，b＝l₂cosβ₂-l₁cosβ₁；式<1>所指圆在图2中标识为圆(1)，半径为R₂，式<2>所指圆在图2中标识为圆(2)，半径为R₁；

4a2)求解坐标方程组，计算移动设备B在位置B₁的横坐标x和纵坐标y，得到两个可能解：

其中

4a3)根据4a2)得到的解x₁、y₁和x₂、y₂做出对两个移动设备A和B相对位置的判断：

当x₁＝x₂＝x且y₁＝y₂＝y时，则确定移动设备B相对移动设备A在位置B₁的坐标为B₁(x,y)；

当x₁≠x₂、y₁≠y₂时，x₁,y₁和x₂,y₂对应移动设备B相对移动设备A在位置B₁的坐标分别为B′₁(x₁,y₁)和B″₁(x₂,y₂)，则不能唯一确定两个移动设备A和B的相对位置，执行步骤4b；

4b)获得两个移动设备A和B第二次移动的移动距离l₃、l₄和移动方向角β₃、β₄并对移动方向角进行判断：

本步骤重复步骤2，首先分别获得移动设备A第二次移动的移动距离l₃、移动方向角β₃和移动设备B第二次移动的移动距离l₄、移动方向角β₄，再判断两个移动设备A和B第二次移动的移动方向角β₃和β₄是否相同：

若不相同，则执行4c)；

若相同，则再次移动两个移动设备，更新l₃、l₄和β₃、β₄的值，直到β₃和β₄不相同，执行4c)：

4c)获取两个移动设备A和B在位置A₂和B₂之间的相对距离R₃：

本实例记录当前两个移动设备A和B各自的位置为A₂和B₂，利用RSSI测距方法获取两个移动设备A和B在位置A₂和B₂之间的相对距离R₃；

4d)确定两个移动设备A和B在当前位置A₂和B₂的相对方位角：

4d1)分别计算移动设备B在位置B₂的两个可能坐标B′₂(x₃,y₃)、B″₂(x₄,y₄)和B′₂(x₃,y₃)到原点的距离d₁、B″₂(x₄,y₄)到原点的距离d₂：

其中：x₃＝x₁+l₄sinβ₄-l₃sinβ₃，y₃＝y₁+l₄cosβ₄-l₃cosβ₃，

x₄＝x₂+l₄sinβ₄-l₃sinβ₃，y₄＝y₂+l₄cosβ₄-l₃cosβ₃；

4d2)利用4c)所得结果对移动设备B在位置B₂的坐标选取做出判断：

若d₁＝R₃，则B′₂(x₃,y₃)为以移动设备A为原点，移动设备B的坐标；

若d₂＝R₃，则B″₂(x₄,y₄)为以移动设备A为原点，移动设备B的坐标；

4d3)计算移动设备A和移动设备B在位置A₂和B₂的相对方位角γ，利用4d2)所得结果，分不同情况计算：

若B′₂(x₃,y₃)为所选坐标，即：

当x₃>0时，则

当x₃＜0时，则

若B″₂(x₄,y₄)为所选坐标，即：

当x₄>0时，则

当x₃＜0时，则

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无锚点的相对定位方法，其特征在于，包括：

1)利用距离测量方法获取两个移动设备A和B之间的初始相对距离R₁，并记录A的初始位置为A₀，以A₀为坐标原点，B初始位置未知；

2)获取两个移动设备A和B各自的移动距离l₁、l₂和移动方向角β₁、β₂；

3)两个移动设备A和B互通信息，记录第一次移动后各自的位置为A₁和B₁，获取两个移动设备在当前位置A₁与B₁之间的相对距离R₂；

4)计算两个移动设备A和B在当前位置A₁和B₁之间的相对坐标：

4a)根据步骤3)的结果构建如下坐标方程组：

其中，式<1>表示第一次移动后，以移动设备A的位置A₁为圆心，移动设备B在位置B₁的可能坐标所在圆方程；式<2>表示将移动设备B初始位置所在圆，沿移动方向角β₂移动距离l₂后的圆方程；x、y分别表示移动设备B在位置B₁的横坐标和纵坐标，a表示式<2>所示圆的圆心的横坐标，a＝l₂sinβ₂-l₁sinβ₁，b表示式<2>所示圆的圆心的纵坐标，b＝l₂cosβ₂-l₁cosβ₁；

4b)求解坐标方程组，解得移动设备B在位置B₁的横坐标x和纵坐标y；

4c)根据上述得到的解x、y做出对两个移动设备A和B相对坐标的判断：

当x₁＝x₂＝x，y₁＝y₂＝y时，则确定移动设备B相对移动设备A在位置B₁的坐标为B₁(x,y)；

当x₁≠x₂、y₁≠y₂时，x₁、y₁和x₂、y₂对应移动设备B相对移动设备A在位置B₁的坐标分别为B′₁(x₁,y₁)和B″₁(x₂,y₂)，则不能唯一确定两个移动设备A和B的相对位置，执行步骤5)；

5)重复步骤2)，分别获得两个移动设备A和B第二次移动的移动距离l₃、l₄和移动方向角β₃、β₄，并判断两个移动设备A和B第二次移动的移动方向角β₃和β₄是否相同：

若不相同，执行步骤6)；

若相同，则再次移动两个移动设备，更新l₃、l₄和β₃、β₄的值，直到β₃和β₄不相同，执行步骤6)；

6)记录当前两个移动设备A和B各自的位置为A₂和B₂，获取两个移动设备A和B在位置A₂和B₂之间的相对距离R₃；

7)根据步骤6)所得结果，确定两个移动设备A和B在当前位置A₂和B₂的相对方位角：

7a)分别计算移动设备B在位置B₂的两个可能坐标B′₂(x₃,y₃)、B″₂(x₄,y₄)和B′₂(x₃,y₃)到原点的距离d₁、B″₂(x₄,y₄)到原点的距离d₂；

7b)利用步骤6)所得结果对移动设备B在位置B₂的坐标选取做出判断：

若d₁＝R₃，则B′₂(x₃,y₃)为以移动设备A为原点，移动设备B的坐标；

若d₂＝R₃，则B″₂(x₄,y₄)为以移动设备A为原点，移动设备B的坐标；

7c)计算移动设备A和移动设备B在位置A₂和B₂的相对方位角γ。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤1)所述的距离测量方法，常用的距离测量方法有基于接收信号强度RSSI、基于到达时间TOA、基于到达时间差TDOA和基于到达角度AOA等。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤2)中获取两个移动设备A和B的各自的移动距离和移动方向角，按如下步骤进行：

2a)利用加速度传感器分别获得移动设备A和B的加速度信息a₁和b₁，并根据加速度信息进行步频检测和步长估计，分别得到移动设备A和B的移动距离l₁和l₂；

2b)利用陀螺仪分别获得移动设备A和B的角速度信息，并根据角速度信息进行航向检测，分别得到移动设备A和B的移动方向角β₁和β₂。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤4b)中求解坐标方程组，求解坐标方程组，解得移动设备B在位置B₁的横坐标x和纵坐标y，求解结果如下：

其中

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤7a)中分别计算移动设备B在位置B₂的两个可能坐标B′₂(x₃,y₃)、B″₂(x₄,y₄)和B′₂(x₃,y₃)到原点的距离d₁、B″₂(x₄,y₄)到原点的距离d₂，计算结果如下：

两个坐标分别为B′₂(x₃,y₃)和B″₂(x₄,y₄)，两个坐标距原点的距离分别为和

其中x₃＝x₁+l₄sinβ₄-l₃sinβ₃，y₃＝y₁+l₄cosβ₄-l₃cosβ₃，x₄＝x₂+l₄sinβ₄-l₃sinβ₃，y₄＝y₂+l₄cosβ₄-l₃cosβ₃；

6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤7c)中计算移动设备A和移动设备B在位置A₂和B₂的相对方位角γ，是根据步骤7b)所得结果，分不同情况计算：

若B′₂(x₃,y₃)为所选坐标，即：

当x₃＞0时，则当x₃＜0时，则

若B″₂(x₄,y₄)为所选坐标，即：

当x₄＞0时，则当x₄＜0时，则