CN110636436A - 基于改进chan算法的三维uwb室内定位方法 - Google Patents

基于改进chan算法的三维uwb室内定位方法 Download PDF

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李兆刚
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Abstract

本发明公开了基于改进CHAN算法的三维UWB室内定位方法，基于改进CHAN算法的三维UWB室内定位方法包括接收待测物体携带的待测标签发送的UWB定位信号，并获取每个定位基站接收UWB定位信号的到达时间参数和接收信号强度参数；将每个定位基站的接收信号强度参数进行比较，按从大到小的顺序排列，获取接收信号强度参数排列在前的第二数量个定位基站；分别获取第二数量个定位基站的到达时间参数，确定每个第二数量个定位基站分别到达待测标签的距离；计算待测标签到达每个第二数量个定位基站与到达参考基站的距离差rif；获取距离差，并基于CHAN算法得到待测物体的估计位置。有效减小了非视距误差的影响，提高了定位精度，提高了定位结果的准确度。

Description

基于改进CHAN算法的三维UWB室内定位方法
技术领域
本发明涉及定位导航技术领域，尤其涉及一种基于改进CHAN算法的三维UWB室内定位方法。
背景技术
超宽带(UWB)定位是指利用事先布置好的已知位置的锚节点，与新加入的盲节点进行通信，获取与距离相关的参数如TOA(到达时间)、TDOA(到达时间差)、AOA(到达角度)、RSSI(接收信号强度)等，由参数得到距离，然后采取相应的定位算法得到盲节点位置。
CHAN算法是一种基于TDOA模型的定位算法，利用传统CHAN算法进行超宽带(UWB)定位的方法在视距环境下，由于测量误差较小且服从高斯分布，因此定位精度较高，定位结果较准确。但利用传统CHAN算法进行超宽带(UWB)定位的方法在非视距环境下，由于一个或多个非视距误差的引入，会使得定位精度下降，定位结果较不准确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于改进CHAN算法的三维UWB室内定位方法，旨在解决非视距误差的引入，会使得定位精度下降，定位结果不准确的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于改进CHAN算法的三维UWB室内定位方法，包括：
在第一数量个定位基站的环境下，接收待测物体携带的待测标签发送的UWB定位信号，并同时获取每个所述定位基站接收所述UWB定位信号的到达时间参数和接收信号强度参数；
根据UWB定位信号在传播过程中接收信号强度和距离的变化函数，将每个所述定位基站接收所述UWB定位信号的接收信号强度参数进行比较，按从大到小的顺序排列，获取所述接收信号强度参数排列在前的第二数量个定位基站；
分别获取第二数量个定位基站接收所述UWB定位信号的到达时间参数，根据第一函数确定每个第二数量个定位基站分别到达待测标签的距离；
计算待测标签到达每个第二数量个定位基站与到达参考基站的距离差rif，其中所述参考基站f为第二数量个定位基站中的一个；
获取所述距离差rif，并基于CHAN算法得到待测物体的估计位置。
优选的，所述变化函数的计算方式为：
Figure BDA0002179113560000021
其中，d为定位基站和待测标签之间的距离，d0为参考距离，n为路径损耗系数；χθ为均值为0，方差为δ的高斯随机噪声变量，PL(d0)为距离待测标签d0处信号的参考强度。
优选的，所述第一函数的计算方式为：
di＝c*ti；
其中，di为第二数量个定位基站到达待测标签的距离；ti为第二数量个定位基站接收所述UWB定位信号的到达时间；c为常数。
优选的，所述获取距离差，并基于CHAN算法得到待测物体的估计位置，包括：
根据第二函数和第三函数确定待测物体的位置估计值。
优选的，所述根据第二函数和第三函数确定待测物体的位置估计值，其中，所述第二函数的计算方式：
rif＝ri-rf；
ri 2＝(rif+rf)2；
将ri 2＝(rif+rf)2展开：
2rifrf＝ki-kf-rif 2-2χifχ-2yify-2zifz；
其中，
ki＝χi 2+yi 2+zi 2，kf＝χf 2+yf 2+zf 2，χif＝χi-χf，yif＝yi-yf，zif＝zi-zf；
第二数量个定位基站的坐标为BSi(χi，yi，zi)；ri为第二数量个定位基站到待测标签之间的距离；rf为参考基站到待测标签之间的距离；
引入测量误差：
rif＝rif 0+c(ti-tf)＝rif 0Δtif；
将2rifrf＝ki-kf-rif 2-2χifχ-2yify-2zifz写成矩阵形式：
θ＝h-GaZa；
其中，
n表示第二数量个。
优选的，所述根据第二函数和第三函数确定待测物体的位置估计值，其中，所述第三函数的计算方式：
使用加权最小二乘法：
Figure BDA0002179113560000042
优选的，所述根据第二函数和第三函数确定待测物体的位置估计值，其中待测物体的位置估计值为：
本发明的一种基于改进CHAN算法的三维UWB室内定位方法，通过接收待测物体携带的待测标签发送的UWB定位信号，并获取每个定位基站接收UWB定位信号的到达时间参数和接收信号强度参数；将每个定位基站的接收信号强度参数进行比较，按从大到小的顺序排列，获取接收信号强度参数排列在前的第二数量个定位基站；分别获取第二数量个定位基站的到达时间参数，确定每个第二数量个定位基站分别到达待测标签的距离；计算待测标签到达每个第二数量个定位基站与到达参考基站的距离差rif；获取距离差，并基于CHAN算法得到待测物体的估计位置。有效减小了非视距误差的影响，提高了定位精度，提高了定位结果的准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明基于改进CHAN算法的三维UWB室内定位方法的流程示意图。
图2是本发明基于改进CHAN算法的三维UWB室内定位示例的结构示意图；
图3是本发明的误差累积概率分布曲线图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1，本发明提供一种基于改进CHAN算法的三维UWB室内定位方法的流程示意图。具体的，如图1所示，所述基于改进CHAN算法的三维UWB室内定位方法可以包括以下步骤：
S101、接收待测物体携带的待测标签发送的UWB定位信号，并同时获取每个所述定位基站接收所述UWB定位信号的到达时间参数和接收信号强度参数。
本发明实施例中，UWB是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。抗干扰性能强，传输速率高，***容量大发送功率非常小，通信设备可以用小于1mW的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长***电源工作时间。而且，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小。在第一数量个定位基站的环境下，第一数量个定位基站分别接收待测物体携带的待测标签发送的UWB定位信号，定位软件获取每个所述定位基站接收所述UWB定位信号的到达时间参数和接收信号强度参数，其中定位软件为现有技术的UWB定位软件。
S102、将每个所述定位基站接收所述UWB定位信号的接收信号强度参数进行比较，按从大到小的顺序排列，获取所述接收信号强度参数排列在前的第二数量个定位基站。
本发明实施例中，根据UWB定位信号在传播过程中接收信号强度和距离的变化函数，将每个所述定位基站接收所述UWB定位信号的接收信号强度参数进行比较。所述变化函数的计算方式为：
Figure BDA0002179113560000061
其中，d为定位基站和待测标签之间的距离，d0为参考距离，n为路径损耗系数；χθ为均值为0，方差为δ的高斯随机噪声变量，PL(d0)为距离待测标签d0处信号的参考强度。
由上述变化函数的计算方式可知，当环境中的噪声误差较小且与待测标签的距离较近时，接收信号强度较大。因此需要选择接收所述UWB定位信号的接收信号强度参数大的定位基站，来确定距离待测物体最近的或者是噪声误差较小的对应所述定位基站。将每个所述定位基站接收所述UWB定位信号的接收信号强度参数按从大到小的顺序排列，获取所述接收信号强度参数排列在前的第二数量个定位基站。
S103、分别获取第二数量个定位基站接收所述UWB定位信号的到达时间参数，根据第一函数确定每个第二数量个定位基站分别到达待测标签的距离
本发明实施例中，所述第一函数的计算方式为：
di＝c*ti；
其中，di为第二数量个定位基站到达待测标签的距离；ti为第二数量个定位基站接收所述UWB定位信号的到达时间；c为常数。
获取分别获取第二数量个定位基站接收所述UWB定位信号的到达时间参数，由上述公式计算出每个第二数量个定位基站分别到达待测标签的距离。
S104、计算待测标签到达每个第二数量个定位基站与到达参考基站的距离差rif，获取所述距离差rif，并基于CHAN算法得到待测物体的估计位置。
本发明实施例中，根据第二函数和第三函数确定待测物体的位置估计值。其中，所述第二函数的计算方式：
Figure BDA0002179113560000071
rif＝ri-rf；
ri 2＝(rif+rf)2；
将ri 2＝(rif+rf)2展开：
2rifrf＝ki-kf-rif 2-2χifχ-2yify-2zifz；
其中，
ki＝χi 2+yi 2+zi 2，kf＝χf 2+yf 2+zf 2，χif＝χi-χf，yif＝yi-yf，zif＝zi-zf；
第二数量个定位基站的坐标为BSi(χi，yi，zi)；ri为第二数量个定位基站到待测标签之间的距离；rf为参考基站到待测标签之间的距离；
引入测量误差：
rif＝rif 0+c(ti-tf)＝rif 0Δtif；
将2rifrf＝ki-kf-rif 2-2χifχ-2yify-2zifz写成矩阵形式：
θ＝h-GaZa；
其中，
Figure BDA0002179113560000081
Figure BDA0002179113560000082
n表示第二数量个。
其中，所述第三函数的计算方式：
使用加权最小二乘法：
Figure BDA0002179113560000083
得到待测物体的位置估计值：
Figure BDA0002179113560000084
现举例说明，如图2所示，本实施例对由UWB无线传感网络构成的三维定位***进行仿真，其中定位***由部署在室内的七个定位基站(UWB基站1、UWB基站2、UWB基站3、UWB基站4、UWB基站5、UWB基站6、UWB基站7)和携带标签的待测物体构成，其中，UWB基站3与携带标签的待测物体之间有遮挡物1，UWB基站4与携带标签的待测物体之间有遮挡物2，存在非视距干扰。
待测物体携带待测标签，放置在有七个定位基站的环境下，待测标签发送UWB信号，七个定位基站接收UWB定位信号，并同时获取七个定位基站接收UWB定位信号的到达时间参数和接收信号强度参数；将七个接收信号强度参数按照从大到小的顺序排列，取出参数最大的五个定位基站(UWB基站1、UWB基站2、UWB基站5、UWB基站6、UWB基站7)；将五个定位基站根据接收UWB定位信号的到达时间参数由第一函数di＝c*ti；分别计算出待测标签与五个基站的距离；将五个定位参考基站中的UWB基站1选择为参考基站，计算待测标签到达每个第二数量个定位基站与到达参考基站的距离差r21、r51、r61、r71；五个定位基站(UWB基站1、UWB基站2、UWB基站5、UWB基站6、UWB基站7)的坐标值分别为BS1(χ1，y1，z1)、BS2(χ2，y2，z2)、BS5(χ5，y5，z5)、BS6(χ6，y6，z6)、BS7(χ7，y7，z7)；五个定位基站分别到待测标签之间的距离为：
Figure BDA0002179113560000091
Figure BDA0002179113560000092
Figure BDA0002179113560000093
距离差为：r21＝r2-r1；r51＝r5-r1；r61＝r6-r1；r71＝r7-r1；
r21＝r2-r1展开后为：2r21r1＝k2-k1-r21 2-2χ21χ-2y21y-2z21z；
其中，
k2＝χ2 2+y2 2+z2 2，k1＝χ1 2+y1 2+z1 2，χ21＝χ2-χ1，y21＝y2-y1，z21＝z2-z1；
引入测量误差：
r21＝r21 0+c(t2-t1)＝r21 0Δt21；
r51＝r5-r1展开后为：2r51r1＝k5-k1-r51 2-2χ51χ-2y51y-2z51z；
其中，
k5＝χ5 2+y5 2+z5 2，k1＝χ1 2+y1 2+z1 2，χ51＝χ5-χ1，y51＝y5-y1，z51＝z5-z1；
引入测量误差：
r51＝r51 0+c(t5-t1)＝r51 0Δt51；
r61＝r6-r1展开后为：2r61r1＝k6-k1-r61 2-2χ61χ-2y61y-2z61z；
其中，
k6＝χ6 2+y6 2+z6 2，k1＝χ1 2+y1 2+z1 2，χ61＝χ6-χ1，y61＝y6-y1，z61＝z6-z1；
引入测量误差：
r61＝r61 0+c(t6-t1)＝r61 0Δt61；
r71＝r7-r1展开后为：2r71r1＝k7-k1-r71 2-2χ71χ-2y71y-2z71z；
其中，
k7＝χ7 2+y7 2+z7 2，k1＝χ1 2+y1 2+z1 2，χ71＝χ7-χ1，y71＝y7-y1，z71＝z7-z1；
引入测量误差：
r71＝r71 0+c(t7-t1)＝r71 0Δt71；
将上式写成矩阵形式：
θ＝h-GaZa；
其中，
Figure BDA0002179113560000112
使用加权最小二乘法：
得到待测物体的位置估计值为：
Figure BDA0002179113560000114
如图3所示，将采用本发明定位方法与使用传统CHAN算法的定位方法得到的误差累积概率分布曲线进行对比，本发明方法有效的减小了非视距误差的影响，提高了定位精度，提高了定位结果准确度。
上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以作出各种修改或改型。

Claims (7)

1.一种基于改进CHAN算法的三维UWB室内定位方法，其特征在于，包括：
在第一数量个定位基站的环境下，接收待测物体携带的待测标签发送的UWB定位信号，并同时获取每个所述定位基站接收所述UWB定位信号的到达时间参数和接收信号强度参数；
根据UWB定位信号在传播过程中接收信号强度和距离的变化函数，将每个所述定位基站接收所述UWB定位信号的接收信号强度参数进行比较，按从大到小的顺序排列，获取所述接收信号强度参数排列在前的第二数量个定位基站；
分别获取第二数量个定位基站接收所述UWB定位信号的到达时间参数，根据第一函数确定每个第二数量个定位基站分别到达待测标签的距离；
计算待测标签到达每个第二数量个定位基站与到达参考基站的距离差，其中所述参考基站f为第二数量个定位基站中的一个；
获取所述距离差，并基于CHAN算法得到待测物体的估计位置。
2.如权利要求1所述的基于改进CHAN算法的三维UWB室内定位方法，其特征在于，所述变化函数的计算方式为：
Figure FDA0002179113550000011
其中，d为定位基站和待测标签之间的距离，d0为参考距离，n为路径损耗系数；χθ为均值为0，方差为δ的高斯随机噪声变量，PL(d0)为距离待测标签d0处信号的参考强度。
3.如权利要求1所述的基于改进CHAN算法的三维UWB室内定位方法，其特征在于，所述第一函数的计算方式为：
di＝c*ti；
其中，di为第二数量个定位基站到达待测标签的距离；ti为第二数量个定位基站接收所述UWB定位信号的到达时间；c为常数。
4.如权利要求1所述的基于改进CHAN算法的三维UWB室内定位方法，其特征在于，所述获取距离差，并基于CHAN算法得到待测物体的估计位置，包括：
根据第二函数和第三函数确定待测物体的位置估计值。
5.如权利要求4所述的基于改进CHAN算法的三维UWB室内定位方法，其特征在于，所述根据第二函数和第三函数确定待测物体的位置估计值，其中，所述第二函数的计算方式：
Figure FDA0002179113550000021
rif＝ri-rf；
ri 2＝(rif+rf)2；
将ri 2＝(rif+rf)2展开：
2rifrf＝ki-kf-rif 2-2χifχ-2yify-2zifz；
其中，
ki＝χi 2+yi 2+zi 2，kf＝χf 2+yf 2+zf 2，χif＝χi-χf，yif＝yi-yf，zif＝zi-zf；
第二数量个定位基站的坐标为BSi(χi，yi，zi)；ri为第二数量个定位基站到待测标签之间的距离；rf为参考基站到待测标签之间的距离；
引入测量误差：
rif＝rif 0+c(ti-tf)＝rif 0Δtif；
将2rifrf＝ki-kf-rif 2-2χifχ-2yify-2zifz写成矩阵形式：
θ＝h-GaZa；
其中，
Figure FDA0002179113550000031
Figure FDA0002179113550000032
n表示第二数量个。
6.如权利要求5所述的基于改进CHAN算法的三维UWB室内定位方法，其特征在于，所述根据第二函数和第三函数确定待测物体的位置估计值，其中，所述第三函数的计算方式：
使用加权最小二乘法：
Figure FDA0002179113550000033
7.如权利要求6所述的基于改进CHAN算法的三维UWB室内定位方法，其特征在于，所述根据第二函数和第三函数确定待测物体的位置估计值，其中待测物体的位置估计值为：
Figure FDA0002179113550000034
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