CN110213813B - 一种室内定位技术中惯性传感器的智能管理方法 - Google Patents
一种室内定位技术中惯性传感器的智能管理方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种室内定位技术中惯性传感器的智能管理方法,获取待定位节点标签的环境观测值;将获取的环境观测值输入隐马尔可夫模型获取隐马尔可夫模型的隐藏状态;根据获取的隐藏状态判断是否启动惯性传感器;所述隐藏状态包括:通信良好状态、第一通信衰减状态、第二通信衰减状态、通信部分中断状态和通信完全中断状态;当定位节点标签的环境观测值处于第二通信衰减状态、通信部分中断状态和通信完全中断状态的任一状态时,同时启动惯性传感器和行人导航算法;本发明提供的管理方法,能够准确预估标签的定位环境,智能管理惯性传感器的启动或关闭,以达到低功耗的目的,从而大大增加标签的续航能力。
Description
技术领域
本发明属于室内定位技术领域,尤其涉及一种室内定位技术中惯性传感器的智能管理方法。
背景技术
随着智能制造、物联网***的发展,在极端环境下的室内定位技术开始大范围引用,其中,超宽带定位与行人导航算法相结合是前景最好的方案之一。两种方法相结合可以规避各个算法自身存在的缺陷,达到较强的抗干扰能力。但行人导航算需要惯性传感器一直运行才能够完成定位,这回大大增加标签的功耗。首先,算法需要传感器一直保持运行,传感器本身就会增加标签的功耗;其次,控制芯片也要保持与传感器的通信并保存数据,这会导致控制芯片频繁从低功耗模式被唤醒,也会增加大量功耗;最后,行人导航算法较为复杂,该计算过程过占用大量时间,同样也会增加功耗。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有存在的技术问题,本发明提供一种室内定位技术中惯性传感器的智能管理方法,能够准确预估标签的定位环境,智能管理惯性传感器的启动或关闭,以达到低功耗的目的,从而大大增加标签的续航能力。
(二)技术方案
为了达到上述目的,本发明采用的主要技术方案包括:
一种室内定位技术中惯性传感器的智能管理方法,包括如下步骤:
获取待定位节点标签的环境观测值;
将获取的环境观测值输入隐马尔可夫模型获取隐马尔可夫模型的隐藏状态;
根据获取的隐藏状态判断是否启动惯性传感器;
所述隐藏状态包括:通信良好状态、第一通信衰减状态、第二通信衰减状态、通信部分中断状态和通信完全中断状态;
当定位节点标签的环境观测值处于第二通信衰减状态、通信部分中断状态和通信完全中断状态的任一状态时,同时启动惯性传感器和行人导航算法;
当定位节点标签的环境观测值处于第一通信衰减状态时,启动惯性传感器,不启动行人导航算法;
当定位节点标签的环境观测值处于通信良好状态时,关闭惯性传感器,不启动行人导航算法。
优选地,所述环境观测值包括:基站接收到标签信息的信号强度和接收到标签信息的基站数量。
优选地,环境观测值的时序状态为马尔可夫模型。
优选地,基站接收到标签信息的信号强度与距离之间符合如下表达式:
其中,d为距离,RSSI表示信号强度,A为基站和标签相距1米时的信号强度,n表示环境衰减因子。
优选地,环境观测值中的基站接收到标签信息的信号强度为:
abs(dr-dt)*k
其中,dr与dt分别为通过信号强度与信号飞行时间计算的距离,k为待定系数。
优选地,环境观测值中的基站数量为n。
优选地,隐马尔可夫模型需要训练数据集以计算状态转移矩阵,计算状态转移矩阵的公式为:
状态qi转移到qj的概率为aij,在训练集中转移的频率为Aij。
优选地,隐马尔可夫模型的初始隐藏状态为通信良好状态。
优选地,隐马尔可夫模型中隐藏状态的判断与预测使用维特比算法完成。
(三)有益效果
本发明的有益效果是:本发明提供的一种室内定位技术中惯性传感器的智能管理方法具有以下有益效果:
本发明针对融合高精度超宽带定位与行人导航算法的室内定位技术,智能启动惯性传感器,以达到低功耗的目的。
本发明使用隐马尔可夫模型判断是否启动惯性传感器;隐马尔可夫模型将待定位节点(以下简称标签)所处的环境划分为五种环境;隐马尔可夫模型的观测值包括接收标签超宽带信号的各个基站数量、信号强度;隐马尔可夫模型根据观测值预估标签所处的环境,从而决定是否启动惯性传感器。
本发明能够准确预估标签的定位环境,智能管理惯性传感器的启动或关闭,以达到低功耗的目的,从而大大增加标签的续航能力。
附图说明
图1为本发明提供的一种室内定位技术中惯性传感器的智能管理方法中所针对的定位技术结构示意图。
附图标记说明:
1:定位基站;2:超宽带通信;3:标签;4:通信;5:上位机。
具体实施方式
为了更好的解释本发明,以便于理解,下面结合附图,通过具体实施方式,对本发明作详细描述。
本实施例提供一种室内定位技术中惯性传感器的智能管理方法,包括如下步骤:
获取待定位节点标签的环境观测值;
将获取的环境观测值输入隐马尔可夫模型获取隐马尔可夫模型的隐藏状态;
根据获取的隐藏状态判断是否启动惯性传感器;
所述隐藏状态包括:通信良好状态、第一通信衰减状态、第二通信衰减状态、通信部分中断状态和通信完全中断状态;
当定位节点标签的环境观测值处于第二通信衰减状态、通信部分中断状态和通信完全中断状态的任一状态时,同时启动惯性传感器和行人导航算法;
当定位节点标签的环境观测值处于第一通信衰减状态时,启动惯性传感器,不启动行人导航算法;
当定位节点标签的环境观测值处于通信良好状态时,关闭惯性传感器,不启动行人导航算法。
应说明的是:本实施例中所述的环境观测值包括:基站接收到标签信息的信号强度和接收到标签信息的基站数量。
本实施例中环境观测值的时序状态为马尔可夫模型。
应指出的是:基站接收到标签信息的信号强度与距离之间符合如下表达式:
其中,d为距离,RSSI表示信号强度,A为基站和标签相距1米时的信号强度,n表示环境衰减因子。
信号强度受环境影响较大,距离d与超宽带测量的距离差别越大,则表示环境越恶劣。
其次,本实施例中环境观测值中的基站接收到标签信息的信号强度为:
abs(dr-dt)*k
其中,dr与dt分别为通过信号强度与信号飞行时间计算的距离,k为待定系数。
应说明的是:环境观测值中的基站数量为n。
本实施例中隐马尔可夫模型需要训练数据集以计算状态转移矩阵,计算状态转移矩阵的公式为:
状态qi转移到qj的概率为aij,在训练集中转移的频率为Aij。
本实施例中隐马尔可夫模型的初始隐藏状态为通信良好状态。
最后,应说的是:本实施例中隐马尔可夫模型中隐藏状态的判断与预测使用维特比算法完成。
本实施例针对的是超宽带与行人导航融合的室内定位技术中低功耗问题,要求的室内定位技术同时应用基于超宽带的高精度室内定位与基于行人导航算法的定位,并融合两种定位结果。在该定位技术中,要求在环境中布置定位基站1,基站坐标已知。待定位目标为人员并佩戴一个定位标签3,该标签3能够通过超宽带与基站进行无线通信4,如图1。同时标签3内安装有类似于mpu9250这样的9轴惯性传感器,包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计。两种算法的融合能够提高定位精度、提高抗干扰能力,但却会增加能耗,降低标签3续航能力。本实施例针对该问题实现的室内定位技术中惯性传感器的智能管理方法能够有效解决该问题,方案如下:
标签3中安装惯性传感器并实现行人导航算法,但是否启动算法或传感器则由上位机5决定。上位机5使用隐马尔可夫模型判断是否启动惯性传感器和行人导航算法,在模型中,将标签3所处的环境划分五中状态作为隐藏状态,相应地,接收标签超宽带通信2信号的各个基站数量、信号强度作为观测输入。然后,根据环境状态来管理算法与传感器的启动。当需要启动或关闭传感器时,上位机5通过基站将消息传递给标签3。
本实施例将标签3(定位标签)所处环境的时序状态链视为马尔科夫过程,即当前时刻t的环境状态概率只与上一时刻t-1的环境状态相关。相应地,将其划分为五个状态:通信良好状态;第一通信衰减状态;第二通信衰减状态;通信部分中断状态;通信完全中断状态。而行人导航算法和惯性传感器的启动与环境状态相关。其中当标签3环境处于状态第二通信衰减状态、通信部分中断状态、通信完全中断状态时,标签3启动惯性传感器,启动行人导航算法;当标签3环境处于第一通信衰减状态时,启动惯性传感器,但不启动行人导航算法;当标签3环境处于通信良好状态时,关闭惯性传感器,不启动行人导航算法。
在隐马尔可夫模型的观测值输入方面,本实施例主要参考两个方面:信号强度、接收到标签3信息的基站数量。
基站接收到标签信息的信号强度与距离之间存在如下关系:
其中,d为距离,RSSI表示信号强度,A为基站和标签3相距1米时的信号强度,n表示环境衰减因子。
信号强度受环境影响较大,距离d与超宽带测量的距离差别越大,则表示环境越恶劣。
环境状况观测(环境观测值)的一个参数为:
abs(dr-dt)*k
其中,dr与dt分别为通过信号强度与信号飞行时间计算的距离,k为待定系数。
环境状态观测的另一个参数为基站数量n,n越大表示换将状态越好。
模型建立后,要求一定数量的训练数据集以计算状态转移矩阵,计算方法为:
在算法中,本发明假设状态qi转移到qj的概率为aij,在训练集中转移的频率为Aij。
隐马尔可夫模型的初始状态为通信良好状态,然后通过维特比算法完成隐藏状态的预测与判断,进而完成对行人导航算法与惯性传感器的启动管理。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理,这些描述只是为了解释本发明的原理,不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释,本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式,这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种室内定位技术中惯性传感器的智能管理方法,其特征在于,包括如下步骤:
获取待定位节点标签的环境观测值;
将获取的环境观测值输入隐马尔可夫模型获取隐马尔可夫模型的隐藏状态;
根据获取的隐藏状态判断是否启动惯性传感器;
所述隐藏状态包括:通信良好状态、第一通信衰减状态、第二通信衰减状态、通信部分中断状态和通信完全中断状态;
当定位节点标签的环境观测值处于第二通信衰减状态、通信部分中断状态和通信完全中断状态的任一状态时,同时启动惯性传感器和行人导航算法;
当定位节点标签的环境观测值处于第一通信衰减状态时,启动惯性传感器,不启动行人导航算法;
当定位节点标签的环境观测值处于通信良好状态时,关闭惯性传感器,不启动行人导航算法;
所述环境观测值包括:基站接收到标签信息的信号强度和接收到标签信息的基站数量;
环境观测值的时序状态为马尔可夫模型;
基站接收到标签信息的信号强度与距离之间符合如下表达式:
其中,d为距离,RSSI表示信号强度,A为基站和标签相距1米时的信号强度,n表示环境衰减因子;
环境观测值中的基站接收到标签信息的信号强度为:
abs(dr-dt)*k
其中,dr与dt分别为通过信号强度与信号飞行时间计算的距离,k为待定系数。
2.根据权利要求1所述的管理方法,其特征在于,
环境观测值中的基站数量为n。
4.根据权利要求3所述的管理方法,其特征在于,隐马尔可夫模型的初始隐藏状态为通信良好状态。
5.根据权利要求4所述的管理方法,其特征在于,隐马尔可夫模型中隐藏状态的判断与预测使用维特比算法完成。
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