CN108375753A - 基于双模多重加权质心算法的无钥匙进入***定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了基于双模多重加权质心算法的无钥匙进入***定位方法。本方法所包含的步骤：首先构建车内外不同环境下的射频信号衰减模型；然后进行车内外位置的初步判断，并根据车内外不同位置选择不同的衰减模型；接下来利用加权质心定位算法进行钥匙位置的初步估算；最后在定位过程中基于上一次估算的位置再次利用加权质心定位算法得出最终的估计位置。本发明提高了算法的数据利用率以及定位的准确性，适合应用于无钥匙***的钥匙定位中。

Description

基于双模多重加权质心算法的无钥匙进入***定位方法
技术领域
本发明涉及无线定位技术，具体是基于双模多重加权质心算法的无钥匙进入***定位方法。
背景技术
随着社会的进步，车辆已成为了人类社会活动中必不可少的工具。人们对车辆的安全性、舒适性、便利性提出了更高的要求，传统的遥控钥匙已不能满足人们的需求，无钥匙***已被越来多的车主所接受，而作为无钥匙***两大关键技术之一的钥匙定位技术，得到了广泛的研究。
无钥匙***钥匙定位主要有两种技术：一是通过调节接收信号的灵敏度，看建立的射频连接是否稳定，而进行的简易判断技术，其精度十分低。二是基于接收信号强度的无线定位技术，它采用接收信号强度(Received Signal Strength Indicator，RSSI)来实现定位。它能精确定位钥匙的位置。其基本原理是依据接收点接收到的信号强度，根据信号在不同环境下的理论或统计模型，先测量出信号在不同环境下的传播损耗，再计算出接收点到各发射点的距离，依据距离进而进行定位。基于RSSI的测距技术具有开销小、实现复杂度低、不需要额外硬件的特点。但是它受环境因素的影响较大，温度、湿度、反射以及透射等因素都会影响测距结果，造成测距误差。而质心定位算法计算量小、速度快，但是数据利用率低、定位精度有限。
发明内容
本发明的目的是提供基于双模多重加权质心算法的无钥匙进入***定位方法，克服质心定位算法数据利用率低、定位精度有限的缺点，并建立一个较为精确的车内空间射频信号的衰减模型，提高基于RSSI测距技术的测距精度，改进加权质心定位算法，达到无钥匙***工作要求的定位精度。
本发明通过如下技术方案实现。
基于双模多重加权质心算法的无钥匙进入***定位方法，其包括如下步骤：
步骤一、构建车内外不同环境下的信号衰减模型：当钥匙处于车外位置的时候，车的外部空间看作自由空间，并且这时对钥匙的定位精度要求并不高，因而采用自由空间射频信号衰减模型；而当钥匙处于车内位置时，由于车内电磁环境十分复杂，透射衰减对电磁波的能量能造成很大的影响，因此需要对车***频的反射、透射进行分析与计算，得到车内的射频信号传输能量比，据此建立车***频信号衰减模型；
步骤二、位置估计：车上控制器将天线接收到的射频信号RSS值，逐个比较，找出其中最大的两个值，确定钥匙所处位置在平面坐标系中所处的象限；然后根据车内信号衰减模型算出钥匙到天线的距离，再利用几何知识初步确定钥匙是在车内还是在车外；接下来采用不同的信号衰减模型，钥匙在车外时采用三边测量法进行位置估算，钥匙在车内时采用加权质心算法进行位置估算，而后对取得的估算点再次使用加权质心算法进行第二次位置的估算，得到钥匙的最终估算位置。
进一步地，步骤一所述建立车***频信号衰减模型具体包括：将天线安装于车辆的四边中央，采用433.92MHZ射频信号，根据车内座椅材质的相对介电常数与相对磁导率计算车***频信号的传输能量比，设定车***频信号衰减模型的参考距离，确定环境影响因子，建立车***频信号的衰减模型。
进一步地，所述位置的估计包括：控制器将天线接收到的信号能量强度按照从大到小进行排列，确定钥匙所处位置在平面坐标系中所处的象限，选取最小的两个RSS值，依据车***频信号衰减模型计算得到由它们转化出来的距离，将这两个距离分别取它们的平方后求和再与相邻两天线距离的平方进行对比，根据三角形三边性质判断钥匙所处区域；
然后根据钥匙所处的区域，采用不同的信号衰减模型，钥匙在车外时采用三边测量法进行位置估算，钥匙在车内时采用加权质心算法进行位置估算，依据误差因子随距离的增大而加大，选取权值因子，对取得的估算点再次使用加权质心算法进行第二次位置的估算，得到钥匙的最终估算位置。
进一步地，步骤一中包括：对汽车内部射频信号透射情况分析，这里的透射是指在车***频信号穿透汽车座椅的情况，根据传输线理论计算出车内情况下射频信号的传输能量比，对比自由空间射频信号衰减模型，将这个传输能量比考虑进来，就能得到车***频信号衰减模型。
进一步地，步骤二中钥匙处于车内位置时的定位，测量距离与误差成正比，取得一次加权权值因子的数值，进行加权质心定位算法计算，得到四个估测位置，再对这四个估测位置进行第二次加权质心计算。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：本发明建立了双模射频信号的衰减模型，考虑了射频信号在车内穿透障碍物的因素，提高了短距离内测距的精度，减小了车内定位的误差，增强了衰减模型的有效性。在优化定位系数矩阵的基础上，根据RSS值容易受环境因素影响，可能存在较大偏差的问题，在算法上考虑了各种约束条件，对明显偏离的值进行过滤，一定程度上保证了数值的真实度。针对加权质心算法数据利用不充分的缺点，引入了二次加权因子，进行第二次加权，对定位结果进行了进一步的修正，使得定位精度达到了既定要求。与一般定位算法相比，本发明在短距离内减小了计算量，提高了定位的精度与速度。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中的工作流程示意图。
图2是433.92MHZ射频信号穿透座椅靠背的衰减示意图。
图3是钥匙处于车内外位置预判的示意图。
图4是双重加权质心定位算法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
基于双模多重加权质心定位算法的无钥匙进入***钥匙定位方法，可以由车内衰减模型的建立、位置估计、双重加权质心定位算法运算三个部分组成，如图1所示。
1、双模RSSI信号衰减模型的建立具体实施步骤为：
车外信号衰减模型：
车的外部空间基本可以看作自由空间，将空气的介电常数视为1。因而，当钥匙处于车外位置时，可以采用自由空间模型。自由空间电波的传播损耗可表达分贝形式：
L0＝32.44+20lgd(Km)+20lgf(MHz)
其中L0是路径损耗，d为距离，f为电磁波的频率。这样，只要得到接收的功率损耗值就可以求出d这个距离。
车内信号衰减模型：
如图2所示，频率为434MHZ的电磁波穿透10厘米厚的汽车座椅靠背，已知空气的介电常数μ0＝4π×10-7，磁导率εo＝8.85×10-12，座椅(聚氨基甲酸酯)这种材质的相对介电常数μr，与相对磁导率εr。先得到材料的固有阻抗，计算在两个边界上的一次反射系数及传输系数，再计算出聚氨基甲酸酯，可以求出聚氨基甲酸酯(汽车座椅)的传输系数。
车内电磁波的传播模型必须考虑多路径损耗的影响，在某个距离上接收到的信号功率是个随机的值，最好使用一个渐变模型，它以某一点的平均能量为参考，考虑环境因素的影响，而后扩展为合适的统计模型。某个距离d上接收到的信号功率可以表示为：这样就需要对确定距离d0的点的信号强度进行计算。设定d0后，可以求得p(d0)，根据座椅的传输系数，解出环境影响因子n，误差值σ。由此可以得到一种车内衰减模型。
2、车内外位置的预判具体实施步骤为：
(1)利用信号强度信息判断钥匙处于哪一个象限。将四根接收天线接收到的信号强度进行两两对比，如将天线A1与A4、A2与A3接收到的信号强度进行对比，就可以判断出钥匙所处的方位。
(2)判断钥匙处于本象限的车内还是车外。如图3所示：M代表钥匙所在位置，以d1、d2、d3分别代表钥匙到天线A1、A2、A3的距离。如果钥匙M在车外，那么∠A1MA2为锐角，由A1、M、A2组成的三角形是锐角三角形。如果钥匙M在车内，那么∠A1MA2为钝角，由A1、M、A2组成的三角形是钝角三角形。那么根据余弦定理可知：钥匙M在车外；钥匙M在车内。
3、多重加权质心定位算法运算具体实施步骤为：
提出约束条件。设天线A1、A2、A3、A4至坐标原点的距离分别为d1、d2、d3、d4，天线A1至A2、A1至A3、A2至A4、A3至A4的距离分别为D1、D2、D3、D4，这些线段可以构成多个三角形，根据三角形两边之和大于第三边的原理，可以得到一些约束条件。
选取权值因子。由于误差值σ的引入，使得计算的结果不是一个确定的位置，而是一个三个圆的交集。对处于交集上的三个点进行第一次加权，对于第一个点M1(xg1,yg1)它由dj1、dj2、dj3确定，权值因子分别取：
W11＝(d2+d3)/2(d1+d2+d3)；
W12＝(d1+d3)/2(d1+d2+d3)；
W13＝(d1+d2)/2(d1+d2+d3)。
进行双重加权质心定位算法计算。如图4所示，加权后再用质心算法求出M1(xg1,yg1)的估测值，同理可求出其它三种组合得到的M2(xg2,yg2)、M3(xg3,yg3)、M4(xg4,yg4)的估测位置。引入二次加权因子，进行第二次加权，根据提出的二次加权因子，对这四个估测点进行二次加权质心计算，最终得到M的最终估测位置。

Claims (5)

1.基于双模多重加权质心算法的无钥匙进入***定位方法，其特征包括如下步骤：
步骤一、构建车内外不同环境下的信号衰减模型：当钥匙处于车外位置的时候，车的外部空间看作自由空间，并且这时对钥匙的定位精度要求并不高，因而采用自由空间射频信号衰减模型；而当钥匙处于车内位置时，对车***频的反射、透射进行分析与计算，得到车内的射频信号传输能量比，据此建立车***频信号衰减模型；
步骤二、位置估计：车上控制器将天线接收到的射频信号RSS值，逐个比较，找出其中最大的两个值，确定钥匙所处位置在平面坐标系中所处的象限；然后根据车内信号衰减模型算出钥匙到天线的距离，再利用几何知识初步确定钥匙是在车内还是在车外；接下来采用不同的信号衰减模型，钥匙在车外时采用三边测量法进行位置估算，钥匙在车内时采用加权质心算法进行位置估算，而后对取得的估算点再次使用加权质心算法进行第二次位置的估算，得到钥匙的最终估算位置。
2.根据权利要求1所述的基于双模多重加权质心算法的无钥匙进入***定位方法，其特征在于步骤一所述建立车***频信号衰减模型具体包括：将天线安装于车辆的四边中央，采用433.92MHZ射频信号，根据车内座椅材质的相对介电常数与相对磁导率计算车***频信号的传输能量比，设定车***频信号衰减模型的参考距离，确定环境影响因子，建立车***频信号的衰减模型。
3.根据权利要求1所述的基于双模多重加权质心算法的无钥匙进入***定位方法，其特征在于所述位置的估计包括：控制器将天线接收到的信号能量强度按照从大到小进行排列，确定钥匙所处位置在平面坐标系中所处的象限，选取最小的两个RSS值，依据车***频信号衰减模型计算得到由它们转化出来的距离，将这两个距离分别取它们的平方后求和再与相邻两天线距离的平方进行对比，根据三角形三边性质判断钥匙所处区域；
然后根据钥匙所处的区域，采用不同的信号衰减模型，钥匙在车外时采用三边测量法进行位置估算，钥匙在车内时采用加权质心算法进行位置估算，依据误差因子随距离的增大而加大，选取权值因子，对取得的估算点再次使用加权质心算法进行第二次位置的估算，得到钥匙的最终估算位置。
4.根据权利要求1所述的基于双模多重加权质心算法的无钥匙进入***定位方法，其特征在于步骤一中包括：对汽车内部射频信号透射情况分析，根据传输线理论计算出车内情况下射频信号的传输能量比，对比自由空间射频信号衰减模型，将这个传输能量比考虑进来，就能得到车***频信号衰减模型。
5.根据权利要求1所述的基于双模多重加权质心算法的无钥匙进入***定位方法，其特征在于步骤二中钥匙处于车内位置时的定位，测量距离与误差成正比，取得一次加权权值因子的数值，进行加权质心定位算法计算，得到四个估测位置，再对这四个估测位置进行第二次加权质心计算。
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