CN1841084A - 混合测距方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种混合测距方法，以提高室内定位的精度并减小节点消耗的能量，该方法包括步骤：第一节点以预定的比例同时发射超声波信号和无线电信号，所述超声波信号包括一个无线电同步信号；第二节点计算从接受无线电同步信号到接收到超声波信号之间的超声波传输时间；第二节点利用超声波传输时间计算出第一节点和第二节点之间的超声波测距结果；第二节点计算接收的无线电信号的信号强度，并利用该信号强度从参考数据库中得到第一节点和第二节点之间的无线电测距结果；第二节点计算超声波测距结果和无线电测距结果的平稳度；第二节点根据超声波测距结果和无线电测距结果的平稳度确定最终测距结果。

Description

混合测距方法

技术领域

本发明涉及一种实现室内精确和快速的无线测距方法，用于通过测量节点之间距离来实现定位，本发明尤其容涉及如何将TDOA(TimeDifference of Arrival)和RSSI(Received Signal Strength Indictor)两种测距方法结合以提高在室内无线测距的精度和速度。

背景技术

室内定位技术作为一种有效的监测和控制技术，在现代的生产和生活中得到了广泛的重视。随着微机电技术、无线网络技术的发展，在室内布置定位网络，得到用户与设备的位置信息用于新的服务在技术上已经可行的。应用的不断推广，引发了人们对于定位***各项性能的更高要求。这些需求极大地推动了实现精确、快速和节能的定位技术的发展。

目前现有的无线测距技术有TOA(Time of Arrival)，TDOA(TimeDifference of Arrival)，AOA(Angle of Arrival)，RSSI(Received Signal StrengthIndictor)等定位技术。在上述技术中，RSSI有测距简单快速等优点，但是受室内环境影响严重，通常需要事先预建环境信息数据库；而TDOA有测距准确的优点，但是测距的方向性强，而且频繁使用超声波通信，能量消耗大。

图1示出了现有的超声波和无线电双重通信功能的节点的结构框图。如图1所示，节点包括：用于存储数据的存储器模块10，、与存储器模块连接的处理器模块11、与外部进行超声波通信的超声波通信模块13、与外部进行无线电通信的无线电通信模块14、用于将来自超声波通信模块13和无线电通信模块14的模拟信号转换成数字信号并发送给处理器模块11的A/D转换模块12。

为实现传感器网络节点的定位，首先要得到该网络中给节点的位置信息。而要确定给节点的位置，根据三角定位方法，需要知道3个已知位置的固定节点和未知节点同固定节点之间的距离。本设计的中心内容为如何使用无线信号的方法准确测定未知节点和固定节点之间的距离。

图2示出了现有的超声波测距的示意图。在超声波TDOA测距中，假设节点1为超声波和无线信号发射端，而节点2为接收端，则测距过程如下：

a)节点1同时发射无线电同步信号和超声波测距信号；

b)节点2接收到无线信号开始计时，记下初始时间T_s；

c)节点2接收到超声波测距信号，记下接受时间T_e，然后计算超声波传输时间T_D＝T_e-T_s；

d)通过以下公式计算求得节点1和节点2之间的距离D，其中V_sound是超声波的速度：

            D＝T_D×V_sound                  (1)

在RSSI测距中，无线电波在传输过程中要受到不同程度的衰减。RSSI(Received Signal Strength Indictor)通过测量接收到的无线电波的强度，并根据无线电波的衰减和距离之间的关系推算出波的传输距离。具体的计算方法通常为根据一段时间内接收到的波的数量N和其强度S_i的总和S_N，计算平均值S作为信号的强度，如下式所示：

$\stackrel{\‾}{S}=\frac{S_N}{N},$ 其中 $S_N=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i---\left(2\right)$

在求得信号强度之后，根据存储在存储器中的预先测出的信号强度和距离的对应关系-参照数据库，将强度值转化为距离长度。

上述两种方法的测距都不同程度上的存在一定不足。超声波测距时要发射超声波信号，因此能耗较大；同时，由于超声波的发射有明显的方向性，因此当通信双方的节点不在传输方向之内时，测量的距离会有较大的偏差。

同时，利用无线电信号强度进行测距时，由于存在多径效应和非视距传输(NLOS，Non-Line-Of-Sight)，受周围环境的影响较为严重。通常情况下，很多***要预先建立一个描述某一特定环境下的信号强度和距离关系的参照数据库，实际测量时根据这个对应关系查出实际距离值。这种方法的缺点是当环境变化时，很难更新参照数据库。

发明内容

鉴于上述问题，完成了本发明，其中在现有的利用超声波时差定位技术和利用信号强度定位的基础之上，通过分析两种定位方法各自的优缺点，将两种定位方法进行互补的结合，同时克服了利用信号强度定位时室内多径效应、NLOS等对测距精度的影响，以及超声波定位技术的中的方向性、反应速度慢和高能耗等问题，使该室内定位技术能够满足监视和跟踪等应用的要求。

在本发明的一个方面，提出了一种混合测距方法，包括步骤：第一节点以预定的比例同时发射超声波信号和无线电信号，所述超声波信号包括一个无线电同步信号；第二节点计算从接受无线电同步信号到接收到超声波信号之间的超声波传输时间；第二节点利用超声波传输时间计算出第一节点和第二节点之间的超声波测距结果；第二节点计算接收的无线电信号的信号强度，并利用该信号强度从参考数据库中得到第一节点和第二节点之间的无线电测距结果；第二节点计算超声波测距结果和无线电测距结果的平稳度；第二节点根据超声波测距结果和无线电测距结果的平稳度确定最终测距结果。

在本发明的另一方面，提出了一种建立参照数据库的方法，包括步骤：第一节点同时发射超声波信号和无线电同步信号；第二节点计算从接受无线电同步信号到接收到超声波信号之间的超声波传输时间；第二节点利用超声波传输时间计算出第一节点和第二节点之间的超声波测距结果；第二节点计算接收的无线电信号的信号强度；第二节点把所述超声波测距结果和所述信号强度对应地存储在存储器中；针对其它节点执行重复执行上述的步骤，建立参照数据库。

利用本发明的方法，能够取得以下有益效果：

a)混合的测距技术减少了方向性对超声波测距的干扰；

b)混合的测距技术减少了用于频繁发射超声波的能量消耗；

c)通过穿插信号强度测距方法实现快速测距，适应移动测距的要求；

d)通过超声波测距，减少了室内环境变化对信号强度测距的影响；

e)通过超声波测距，能动态实时建立信号强度定位的参照数据库。

附图说明

图1示出了现有的超声波和无线电双重通信功能的节点的结构框图；

图2示出了现有的超声波测距的示意图；

图3示出了根据本发明实施例的测距***的示意图；

图4示出了根据本发明实施例的混合测距方法的流程图；

图5示出了结合超声波测距和无线电测距的综合判断方法的流程图；

图6示出了超声波信号和无线电信号在不同位置条件下的传输的示意图；

图7示出了根据本发明实施例的确定发射超声波和无线电强度测距信号的发射比例的流程图；以及

图8示出了根据本发明实施例的建立参照数据库的方法的流程图。

具体实施方式

以下对照附图以具体实施例的方式对本发明的把超声波和信号强度相结合的混合测距方法进行详细的说明。图3示出了根据本发明实施例的测距***的示意图。

在节点1发送无线电同步信息的同时，对该无线电信号的强度进行检测，并将其检测结果作为数据源，利用无线电强度测距的原理计算两节点间的距离。之后，再通过检测的超声波信号计算出另外一个距离。当两个测距结果都得到以后，通过一定的误差分析和统计方法确定实际距离。其具体的流程图如图4所示。

在图4中，执行如下的步骤：

S401：节点1同时发送无线电同步信号和超声波信号；

S402：节点2接受无线电同步信号，启动内部时钟计时，记下初始时间T_s’；

S403：节点2接收到超声波信号，记下接受时间T_e，然后计算超声波传输时间T_D＝T_e-T_s；

S404：节点2利用超声波的传输时间T_D计算出两节点之间的超声波测距结果D_sound＝T_D×V_sound，其中V_sound是超声波的速度；

S405：节点2计算接收的无线电同步信号的信号强度并利用该信号强度从参考数据库中得到节点1和节点2之间的无线电测距结果D_strength；

S406：节点2计算超声波测距结果D_sound和无线电测距结果D_strength的平稳度；

S407：根据超声波测距结果D_sound和无线电测距结果D_strength的平稳度得出最终测距结果。

由于本发明的方法中包括通过超声波信号和通过无线电信号强度两种方式来确定两节点之间的距离，如何正确处理这两种数据以求得到更加准确的测距结果在很大程度上决定了测量的精度。因此，可以根据历史数据变化分别对无线电测量的距离和超声波测量的距离进行判断，看是否存在干扰，从而有效的剔除了干扰数据，并且可以进一步增强了对干扰源的鲁棒性。

在无线电强度测距过程中，直接利用从发射端传来的数据包来分析强度，实现了一次传输信号两种应用的目的。由于一个数据包中包括20个以上的字节，因此当一次接收到多个无线电强度信号之后，取其平均值作为该次测量的信号强度。同时，计算这些点的方差作为误差分析的根据。如果该方差较大，说明在该数据包传输过程中，外界干扰影响了信号的质量。因此，可以根据事先确定的方差阈值决定该次测量结果有效与否。其具体步骤如下：

1、当探测到一个数据包时，初始化接收信号数量N_i＝0；

2、接收该数据包中的无线电信号i，测量该无线电信号的强度S_i；

3、累计无线电信号数量N_s＝N_s+1；

4、该数据包接收完成时，计算平均信号强度 $\stackrel{\‾}{S}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i}{N_s};$

5、计算该数据包信号方差值 $E_{\mathrm{sqrt}}=\frac{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}{(S_i-\stackrel{\‾}{S})}^2}}{N_s};$

6、根据是否E_sqrt＞E确定 S的取舍，其中E是预定的方差阈值；

7、根据确定的强度均值从参照数据库中获得相应的距离。

同样，在超声波测距过程中，由于超声波容易受到方向性、遮挡物等存在，使测量结果出现一定程度的波动。因此，如果在接受端将一段时间内的测量的距离存储起来，并比较历史数据和当前数据的变化幅度，可以计算出测距结果变化幅度。例如，根据该数据曲线的光滑可导程度，即平稳度，来判断当前数据有效性。如果数据曲线光滑可导，则表明当前的数据是有效的，如果数据曲线存在阶跃，则表明当前的数据是无效的。

对于无线电强度测距值，可按与超声波同样的处理方式进行存储分析，同样可得到表明当前测距结果是否有效的判断结果。该结果结合超声波的判断结果可最后决定当前测距的实际值。也就是说，在获得超声波测距结果和无线电测距结果之后，判断二者之中变动小的测距结果，并用变动小的测距结果校正变动大的测距结果，来得到最终的测距结果。

图5示出了结合超声波测距和无线电测距的综合判断方法。

S501：获得超声波测距结果和无线电测距结果；

S502：通过对测距结果构成的曲线求导数，来获得平稳度，并与预定的阈值相比较来判断两种测距结果是否变动平稳；

S503：如果超声波测距结果变动平稳，而无线电强度测距结果变动较大，说明该环境中可能存在电磁干扰，则放弃无线电强度测距的结果，以超声波测距的结果作为最终的测距结果；

S504：如果无线电强度测距结果变动平稳，而超声波测距结果变动较大，说明该环境中可能存在障碍干扰。在这样的情况下，该次测量结果最终值D_i ⁿ可利用该次无线电强度测距结果D_radio ⁿ和上次无线电强度测距的数据D_radio ^n-1对上次超声波的测距结果D_sound ^n-1进行修正，其方法为

$D_i^n=D_{\mathrm{sound}}^{n-1}+(D_{\mathrm{radio}}^n-D_{\mathrm{radio}}^{n-1});$

S505：如果两测距结果均变动平稳，同时存储量数据并以超声波测距结果为最终结果；

S506：如果两测距结果均变动较大，说明环境中可能同时存在电磁干扰和障碍干扰。该情况下，可放弃当前数据并保持上次数据。

利用上述方法，可以进一步提高混合测距的精度。

作为有超声波和无线通讯双重模块的传感器节点来说，通讯中的能量消耗是一个不忽视的问题。传感器节点一般都是靠电池供电的，频繁的发射超声波信号会导致能量消耗，从而严重缩短了传感器节点的使用寿命。因此，高效的利用超声波进行测距是传感器节点节能问题上的一个重要环节。

同时，由于超声波信号有很强的方向性，不适于某些具体的应用。比如，对于移动节点的测距问题，由于在移动过程中，不可避免的发生节点位置和方向的变化，故不可能时刻保证超声波发射端和接受端的严格相对状态。当发射端和接受端的方向发生变化时，两节点之间的测距结果将发生变化。这种现象严重影响了测量的精度。图6示出了超声波信号和无线电信号在不同位置条件下的传输的示意图。图6中的(a)表示超声波正常情况下的相向传输，(b)表示在移动过程中超声波的变向传送，(c)表示无线电波在正常情况下的相向传输，(d)表示在移动过程中无线电波的向传输。

在本发明的测距***中，在进行超声波信号测量同时，还通过无线电强度信号进行节点间距离的估计。由于无线电发射所需功率远小于超声波发射功率，故通过调节超声波和无线电强度信号的发射次数比例，可在不损失测量精度的基础上，达到节约节电能量的目的。同时，通过无线电信号强度测距的方法对方向性不敏感，故该估计值可一定程度上修正由于方向性带来的误差。

本发明采用反馈的方式确定发射超声波和无线电强度测距信号的发射比例。在***中，为了适应移动定位的需要，两节点之间要定期进行测距。超声波和无线电信号强度测距便可以通过分析多次测距结果变化的策略来控制超声波和无线电信号的发射。具体的实现方法如下。

图7示出了根据本发明实施例的确定发射超声波和无线电强度测距信号的发射比例的流程图。

S701：发射端按一定的设定初始比例发射超声波信号和无线电信号，因超声波耗能较大，通常可设超声波的通信次数小于无线电强度测距次数，如F_sound∶F_radio＝1∶5，在这种情况下，可以约定5个无线电信号中的一个，例如最后一个为同步信号；

S702：接受端根据当前超声波信号和无线电信号计算并存储相应的测距结果；

S703：通过对测距结果构成的曲线求导数来获得平稳度，并与预定的阈值相比较来判断两种测距结果是否平稳变化；

S704：如果测距结果连续变化，则存储当前数据并重复；

S705：如果测距结果发生阶跃，表明可能出现较大干扰，则不存储当前值；

S706：如果发生阶跃的结果为无线电强度测距结果，则说明环境中可能存在电磁干扰源，此时，通知发射端重新发射N次该无线电信号；

S706-1)若从重发的无线电信号得到的测距结果仍存在较大阶跃，说明可能为固定干扰源，则减少无线电信号的发射次数，例如F_sound∶F_radio＝1∶2，并把超声波测距结果最为最终测距结果；

S706-2)若从重发的无线电信号得到的测距结果阶跃减少，说明干扰源可能为暂时干扰源，记录当前值并继续；

S707：若阶跃结果为超声波结果，则增加无线电信号的发射次数例如将比例变为F_sound∶F_radio＝1∶8，并按无线电强度测距结果修正测距值。

在发射端实施上述策略的基本思想是在信号稳定的场合，尽量以无线电强度测距代替超声波测距，通过减少超声波测距次数来减少能量消耗。同时，由于两种传播媒介的干扰源不同(超声波对遮挡物干扰反应灵敏，而无线电波对电磁等干扰源反应灵敏)，可以通过在受干扰的情况下增加不受干扰测距方式的数量，提高最终测距结果的抗干扰能力。

在接受端，通过对历史测距数据和当前两种测距数据的比较分析，可以粗略的推断出当前测距数据中是否存在外界的干扰因素。通过对干扰的分析，可以对测距结果进行取舍，从而减少环境干扰带来的误差。

由于存在室内的多径和NLOS等干扰，RSSI在室内定位的精度较低。为了提高精度，通常需要事先建立一个环境数据库。具体的实现方法是先通过对一些已知位置的节点进行测距，估计出由于环境导致的误差，并将这些误差保存在一个数据库中。在实际测量节点之间距离的时候，通过对数据库中的误差进行分析，将实际测量得到的误差进行修正，从而得到准确的距离值。

上述测距方法的一个明显缺点是对需要预先在已知位置处布置大量节点和预建数据数，并且该数据库的内容不能随环境的变化而变化。为克服这个缺点，提出了一种通过超声波测距建立数据库并实施更新数据库的方法。图8示出了根据本发明实施例的建立参照数据库的方法的流程图。

S801：从节点1同时发射无线电同步信号和超声波测距信号；

S802：节点2接收到无线信号开始计时，记下初始时间T_s；

S803：节点2接收到超声波测距信号，记下接受时间T_e，然后计算超声波传输时间T_D＝T_e-T_s；

S804：通过以下公式计算求得节点1和节点2之间的距离D：

       D＝T_D×V_sound，其中V_sound是超声波的速度；

S805：节点2计算接收的无线电同步信号的信号强度；

S806：将节点1和节点2之间的距离D和所述无线电同步信号的信号强度相对应地存储在存储器中；

S807：针对其它节点执行重复执行上述的步骤，建立参照数据库。

超声波测距在室内定位中的重要优势就是精度高而且受室内环境的影响小。在室内的情况下，超声波测距在10米之内可以达到1厘米左右的精度，而在10米以上可以达到小于5厘米的测距精度。通过无障碍的超声波测距并将其结果作为节点之间的实际距离，可以方便的建立起无线电强度测距所需的初始数据库。同时，在实际的测距过程中，当环境变化时，还可以利用超声波测距的结果为依据，动态的更改数据库中的内容。这样，整个***不仅减少了初始安装时的负担，还增强了***适应环境变化的能力。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (15)

1、一种混合测距方法，包括步骤：

第一节点以预定的比例同时发射超声波信号和无线电信号，所述超声波信号包括一个无线电同步信号；

第二节点计算从接受无线电同步信号到接收到超声波信号之间的超声波传输时间；

第二节点利用超声波传输时间计算出第一节点和第二节点之间的超声波测距结果；

第二节点计算接收的无线电信号的信号强度，并利用该信号强度从参考数据库中得到第一节点和第二节点之间的无线电测距结果；

第二节点计算超声波测距结果和无线电测距结果的平稳度；

第二节点根据超声波测距结果和无线电测距结果的平稳度确定最终测距结果。

2、如权利要求1所述的混合测距方法，其特征在于，还包括步骤：

第二节点根据超声波测距结果和无线电测距结果的平稳度调整发射超声波信号和无线电信号的比例。

3、如权利要求1或2所述的混合测距方法，其特征在于，第二节点通过对超声波测距结果和无线电测距结果构成的曲线求导，来计算超声波测距结果和无线电测距结果的平稳度。

4、如权利要求3所述的混合测距方法，其特征在于，第二节点根据超声波测距结果和无线电测距结果的平稳度确定最终测距结果的步骤包括：

将所述平稳度与预定的阈值相比较来判断超声波测距结果和无线电测距结果是否变动平稳；

如果超声波测距结果变动平稳，而无线电强度测距结果变动较大，则放弃无线电强度测距的结果，以超声波测距的结果作为最终测距结果；

如果无线电强度测距结果变动平稳，而超声波测距结果变动较大，利用该次无线电强度测距结果D_radio ⁿ和上次无线电强度测距的数据D_radio ^n-1对上次超声波的测距结果D_sound ^n-1进行修正，来得到最终测距结果；

如果两测距结果均变动平稳，同时存储量数据并以超声波测距结果为最终结果；

如果两测距结果均变动较大，放弃当前测量结果并保持上次的测量结果。

5、如权利要求4所述的混合测距方法，其特征在于，通过下式来修正上次超声波的测距结果D_sound ^n-1进行修正，来获得最终测量结果

$D_i^n=D_{\mathrm{sound}}^{n-1}+(D_{\mathrm{radio}}^n-D_{\mathrm{radio}}^{n-1}).$

6、如权利要求3所述的混合测距方法，其特征在于，第二节点根据超声波测距结果和无线电测距结果的平稳度调整发射超声波信号和无线电信号的比例的步骤包括：

将所述平稳度与预定的阈值相比较来判断超声波测距结果和无线电测距结果是否变动平稳；

如果测距结果变动平稳，则存储当前测距结果；

如果测距结果变动较大，则不存储当前测距结果；

如果无线电强度测距结果变动较大，则通知第一节点重新发射该无线电信号；

如果超声波结果变动较大，则增加无线电信号的发射次数，并利用该次无线电强度测距结果D_radio ⁿ和上次无线电强度测距的数据D_radio ^n-1对上次超声波的测距结果D_sound ^n-1进行修正，来得到最终测距结果。

7、如权利要求6所述的混合测距方法，其特征在于：

如果从重发的无线电信号得到的测距结果仍变动较大，则减少无线电信号发射次数，并把超声波测距结果最为最终测距结果；

如果从重发的无线电信号得到的测距结果变动平稳，存储录当前测量结果。

8、如权利要求6所述的混合测距方法，其特征在于，通过下式来修正上次超声波的测距结果D_sound ^n-1进行修正，来获得最终测量结果

$D_i^n=D_{\mathrm{sound}}^{n-1}+(D_{\mathrm{radio}}^n-D_{\mathrm{radio}}^{n-1}).$

9、如权利要求1所述的混合测距方法，其特征在于，第二节点计算从接受无线电同步信号到接收到超声波信号之间的超声波传输时间的步骤包括：

第二节点接受无线电同步信号，启动时钟计时，记下初始时间；

第二节点接收到超声波信号，记下接受时间，然后通过从接受时间减去初始时间来计算超声波传输时间。

10、如权利要求1或9所述的混合测距方法，其特征在于，第二节点利用超声波传输时间计算出第一节点和第二节点之间的超声波测距结果的步骤包括：

通过将超声波传输时间与超声波速度相乘来计算出第一节点和第二节点之间的超声波测距结果。

11、如权利要求1所述的混合测距方法，其特征在于，第二节点计算接收的无线电信号的信号强度的步骤包括：

计算所述无线电信号的信号强度的均值，作为最终的信号强度。

12、如权利要求11所述的混合测距方法，其特征在于：

计算所述无线电信号的信号强度的方差；

将所述方差大于预定方差阈值的均值作为最终的信号强度。

13、一种建立参照数据库的方法，包括步骤：

第一节点同时发射超声波信号和无线电同步信号；

第二节点计算从接受无线电同步信号到接收到超声波信号之间的超声波传输时间；

第二节点利用超声波传输时间计算出第一节点和第二节点之间的超声波测距结果；

第二节点计算接收的无线电信号的信号强度；

第二节点把所述超声波测距结果和所述信号强度对应地存储在存储器中；

针对其它节点执行重复执行上述的步骤，建立参照数据库。

14、如权利要求13所述的方法，其特征在于，第二节点计算从接受无线电同步信号到接收到超声波信号之间的超声波传输时间的步骤包括：

第二节点接受无线电同步信号，启动时钟计时，记下初始时间；

第二节点接收到超声波信号，记下接受时间，然后通过从接受时间减去初始时间来计算超声波传输时间。

15、如权利要求13或14所述的混合测距方法，其特征在于，第二节点利用超声波传输时间计算出第一节点和第二节点之间的超声波测距结果的步骤包括：

通过将超声波传输时间与超声波速度相乘来计算出第一节点和第二节点之间的超声波测距结果。

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