CN109581287B - 一种基于Wi-Fi的震后压埋人员定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于空间定位技术领域,是一种涉及数据挖掘的基于Wi‑Fi的震后压埋人员定位方法。本发明基于Wi‑Fi探针技术,以压埋人员Wi‑Fi设备的Wi‑Fi信号以最小信号损耗抵达各个传感器对应的信号在压埋物表面穿出位置(最优信号穿出点)的加权中心作为压埋人员的平面位置,结合阿氏圆(阿波罗尼斯圆)理论实现了压埋人员Wi‑Fi设备的精确定位,较好地克服了压埋导致的信号非视距和多路径传播的问题。实现震后压埋人员的定位,为压埋人员的存活提供更大的可能。
Description
技术领域
本发明属于空间定位技术领域,是一种涉及数据挖掘的基于Wi-Fi的震后压埋人员定位方法。
背景技术
世界上每年都会发生许多起由地震、滑坡等自然灾害造成的人员压埋事故,其造成的生命损失不可估量,其中因未能被及时救出而死亡的占比较大。
现今对被困人员的搜寻方式主要是借助“生命探测仪”、“热红外生命探测仪”、“声波振动生命探测仪”等逐点探测设备。然而此类设备在面临如地震之类的大区域灾害的时候显得非常吃力,搜寻速度慢、受环境影响大且消耗大量的人力物力。目前没有一种能够大范围自动探测震后压埋人员位置的技术手段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Wi-Fi的震后压埋人员定位方法,以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是:
一种基于Wi-Fi的震后压埋人员定位方法,包括以下步骤:
(一)、Wi-Fi设备探测装置的固定与布置。
(二)、各Wi-Fi探针探测控制区域手机发出的Wi-Fi信号的信号损耗及对应的手机MAC地址。
(三)、对获取的各Wi-Fi设备的相对距离值进行近高斯拟合。
(四)、对近高斯拟合之后的距离数据进行卡尔曼滤波处理。
(五)、解算得到压埋人员的平面位置。
(六)、压埋人员平面位置输出。
作为本发明的进一步技术方案,所述步骤(一)中,探测装置固定与布置步骤为:1)在每根竖杆上分别于顶部及沿竖杆向下距顶部d处固定Wi-Fi探针;2)将装好Wi-Fi探针的四根竖杆分别立在矩形范围的四个角点,分别为左上角A点、右下角B点、左下角C点、以及右上角D点。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明无需能够适应所有压埋环境,降低了对压埋人员的搜寻成本、提高了搜寻效率,构建了一套从软件到硬件的压埋人员定位***,为震后压埋人员搜救工作提供了及时、准确的位置依据,对增加人员生还可能、提高救援效率及促进社会稳定有重要意义。
附图说明
图1为固定有Wi-Fi探针的竖杆布置相对位置图;
图2最优信号穿出点示意图;
图3最优信号穿出点所属阿氏球示意图;
图4压埋人员平面位置MATLAB可视化输出图。
具体实施方式
下面将本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动性前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
一种基于Wi-Fi的震后压埋人员定位方法。包含以下步骤:
步骤(1)、探测装置固定与布置。
1)在每根竖杆上分别于顶部及沿竖杆向下距顶部d处固定Wi-Fi探针;
2)将装好Wi-Fi探针的四根可伸缩的竖杆分别立在矩形范围的四个角点,分别为左上角A点、右下角B点、左下角C点、以及右上角D点,统一竖杆顶部的高程,如图1所示。
3)将打开Wi-Fi功能的手机埋于矩形区域或附近,如图1所示。
步骤(2)、各Wi-Fi探针探测被压埋的手机发出的Wi-Fi信号损耗及对应的手机MAC地址。
Wi-Fi信号从压埋人员所在位置到传感器的所有路径中存在一条最优路径,即以最小损耗穿出压埋物,再径直传播到对应传感器所在位置。该路径与压埋物表面的交点即Wi-Fi设备对应该传感器最优路径下的信号穿出点——最优信号穿出点。
参考Devasirvatham模型:
dB=32.4+20lgf+20lgL (1)
上式为信号在自由空间中传播的距离损耗公式,其中dB为传播过程中的信号损耗,f为信号频率,L为传播距离。
由公式(1)可知,当信号在自由空间传播的过程中存在一个额外的信号损耗,经公式(1)解算得到的传播距离值为实际值的某个小于1的倍数。假设抵达同一水平方向传感器的Wi-Fi信号在压埋物下有着相同的最小信号损耗,从同一信号穿出点传出,如图2所示。经Wi-Fi探针测得的传播距离值为实际值的相同倍数。
步骤(3)、对获取的各Wi-Fi设备的相对距离值进行近高斯拟合。
受环境影响,RSSI数据存在奇异值且波动性较强一般意义而言,更小的信号损耗对应着更少的多路径效应。由公式(1)可知,解算距离随信号损耗的增大指数增加,波动也随之增大。基于以上,损耗最小的信号为RSSI数据的主要来源。
直接对Wi-Fi探针测得距离值进行处理,先使用近高斯拟合方法剔除奇异值,公式如下:
|Li-μ|≤kσ (2)
上式中,Li为Wi-Fi探针测得某Wi-Fi设备的第i个测量距离,μ为测量距离的均值,σ为对应的标准差,k取1。
步骤(4)、对近高斯拟合之后的距离数据进行卡尔曼滤波处理。
步骤(5)、解算得到目标人员的平面位置。
如图2所示,Li2j为i位置传感器固定装置上部位置的Wi-Fi探针到j号Wi-Fi设备经步骤(4)、(5)得到的对应最优信号穿出点的“测量距离”,Li1j为j位置传感器固定装置下部位置的Wi-Fi探针到i号Wi-Fi设备经步骤(4)、(5)得到的对应最优信号穿出点的“测量距离”,xij为j位置Wi-Fi设备对应i号传感器固定装置在最优信号传输路径下的压埋损耗系数,为两个Wi-Fi探针的高程差。
因此,最优信号穿出点在到两个传感设备对应“测量距离”之比的阿氏球(阿波罗尼斯球)球面上,见图3。
根据阿氏圆定理与传感器布设情况可知,上述阿氏球的圆心在传感器布设装置上,且在2号传感设备之下。其与2号传感设备的高度差Hi2j以及半径Rij为:
取来自同一Wi-Fi设备的阿氏球的加权中心点作为该Wi-Fi设备的空间位置。假设某压埋Wi-Fi设备的空间坐标为对应j位置Wi-Fi传感器固定装置上两个Wi-Fi探针的阿氏球的球心坐标为(Xij,Yij,Zij),半径为Rij,其中j=1,2,3,4。该压埋Wi-Fi设备到对应阿氏球球心距离的误差即:
令:
V=[vi1 vi2 vi3 vi4]T (5)
误差方程中每个参数均为独立观测解算所得,互不相关,协因数为0,即:
Qvv=0 (6)
距离越远,数据越不稳定,取观测距离的倒数作为对应误差方程的权重值:
按最小二乘原理,公式(5)要满足VTPV=min的要求,即:
通过粒子群寻优算法解得满足公式(8)的待估计信号最优信号穿出点的三维坐标,以该点的平面位置近似压埋Wi-Fi设备的平面位置,即压埋人员的平面位置。
(六)、压埋人员平面位置输出。
MATLAB可视化输出,见图4。
Claims (2)
1.一种基于Wi-Fi的震后压埋人员定位方法,其特征在于,包括以下步骤:
(一)、Wi-Fi设备探测装置的固定与布置;
(二)、震后压埋人员的平面位置的空间解算,步骤如下:
1)使用近高斯拟合处理各点Wi-Fi探针所获取同一MAC地址Wi-Fi设备的相对距离数据;
2)使用卡尔曼滤波处理近高斯拟合之后的距离数据;
3)基于阿波罗尼斯圆理论与最小二乘原理的目标人员平面坐标解算,具体解算方法为:
Li2j为j位置传感器固定装置上部位置的Wi-Fi探针到i号Wi-Fi设备经近高斯拟合与卡尔曼滤波后得到的对应最优信号穿出点的“测量距离”,Li1j为j位置传感器固定装置下部位置的Wi-Fi探针到i号Wi-Fi设备的“测量距离”,xij为i号Wi-Fi设备对应j号传感器固定装置在最优信号传输路径下的压埋损耗系数,d为两个Wi-Fi探针的高程差,因此,最优信号穿出点在到两个传感设备对应“测量距离”之比的阿波罗尼斯球球面上;
根据阿波罗尼斯圆定理与传感器布设情况可知,上述阿波罗尼斯球的球心在传感器布设装置上,且在上部位置传感设备之下,其与上部位置传感设备的高度差的Hi2j以及半径Rij为:
取来自同一Wi-Fi设备的阿波罗尼斯球的加权中心点作为该Wi-Fi设备的空间位置,假设某压埋Wi-Fi设备的空间坐标为对应j位置Wi-Fi传感器固定装置上两个Wi-Fi探针的阿波罗尼斯球的球心坐标为(Xij,Yij,Zij),半径为Rij,其中j=1,2,3,4,该压埋Wi-Fi设备到对应阿波罗尼斯球球心距离的误差即:
令:
V=[vi1 vi2 vi3 vi4] (3)
误差方程中每个参数均为独立观测解算所得,互不相关,协因数为0,即:
Qvv=0 (4)
距离越远,数据越不稳定,取观测距离的倒数作为对应误差方程的权重值:
按最小二乘原理,公式(3)要满足ⅤTPV=min的要求,即:
通过粒子群寻优算法解得满足公式(6)的待估计信号最优信号穿出点的三维坐标,以该点的平面位置近似压埋Wi-Fi设备的平面位置,即压埋人员的平面位置;
4)基于MATLAB可视化输出压埋人员平面位置。
2.如权利要求1所述的一种基于Wi-Fi的震后压埋人员定位方法,其特征在于:所述步骤(一)中,Wi-Fi设备探测装置的固定与布置步骤为:1)在每根竖杆上分别于顶部及沿竖杆向下距顶部d处固定Wi-Fi探针;2)将装好Wi-Fi探针的四根竖杆分别立在矩形范围的四个角点,分别为左上角A点、右下角B点、左下角C点、以及右上角D点。
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