一种基于交点判定的三边定位方法技术

本发明专利技术提供一种基于交点判定的三边定位方法，具体过程为：选择3参考节点；针对每一参考节点设圆，计算3个圆中任意两圆之间的交点；从每一相交两圆的交点中选定一交点作为三角形的顶点，选定准则为：当两圆之间交点存在两个时，判定离第三个圆的圆周最近的交点为三角形的一个顶点；三个顶点构成的三角形重心作为标签节点的位置估计值；计算每一参考节点组合情况的位置估计值；计算所有标签节点位置估计值的均值，并将其作为标签节点的最终位置，实现标签节点的定位。本发明专利技术以第三个圆为参考，通过对两圆之间的两交点进行选取，使得确定的三角形有更好的容错性，三角形重心更接近标签节点，选取方法计算简单，易于实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于传感器节点对标签节点定位
，具体涉及一种基于交点判定的 三边定位方法，该方法能应用于工业、农业、军事、商业以及室内定位领域。
技术介绍
近年来，随着物联网概念的普及，无线传感器网络（Wireless sensor network, WSN)和无线局域网（Wireless Local Network, WLAN)等面向区域的定位技术越 来越被工业、农业、军事、商业等领域的研宄者关注。WSN的目标是通过无线方式使分散而 独立的传感器节点互联，组成分布式无线传感器网络，从而针对实时采集的环境信息进行 处理，以实现用户和环境的交互。环境信息中很重要的一点就是空间位置信息，基于位置的 估计，即定位技术应用于现实生活中的方方面面，如医院病人无线监控系统、博物馆智能导 航系统等。此外，室内定位技术也有着十分广阔的发展前景，目前提出的无线家庭自动网 络（Wireless Home Automation Networks, WHANs)就是专门为智能家居提供的无线传感 器网络相关技术，现有的基于IEEE 802. 15. 4相关协议标准的Zigbee、Z-wave、INSTE0N、 Wavenis和IP的技术都围绕相关硬件标准和协议提供了技术支持。 超宽带（Ultra wideband, UWB)技术自2006年由美国联邦通讯委员会正式通过 了将其用于民用的议案后，大大应用于无线传感器网络定位领域。它通过从时间上分割信 号代替从波段或频率来分割信号，避免了无限细分频谱遇到物理实现上不可逾越的技术瓶 颈。超宽带工作频率为3. 1~10. 6GHz，系统带宽与系统中心频率之比大于20%或系统带 宽至少为500MHz，与传统无限电探测系统相比，无需载波信号，能够直接产生窄脉冲去激励 天线。超宽带技术具有低功耗、抗干扰能力强、对信道衰减不敏感、隐蔽性好、穿透能力强、 定位精度高的特点。近年来，利用亚纳秒级超窄脉冲做近距离精确定位技术大大发展，如 MultispectralSolutions公司和美国海军设施工程服务中心联合开发的UWB精确定位系 统、清华大学研发的LocalSense无线定位系统和唐恩科技有限公司的iLocate?系统。 根据定位过程是否测量实际节点的距离，把定位算法分为：基于测距 (range-based)定位算法和无需测距（range-free)的定位算法。基于测距算法通过测量节 点间点到点距离或角度信息，使用三边测量（trilateration)、三角测量（triangulation) 或最大似然估计等估计算法减小测距误差对定位测量的影响；无需测距算法根据网络连通 性等信息即可实现定位。相比于无需测距算法，基于测距算法更易于硬件实现，而且得到广 泛应用。 基于测距定位算法常用测距技术有TOA、TDOA、TOF和AOA等等。TOA (Time of Arrival)算法需要节点精确地时间同步，无法用于松散親合定位系统；TDOA(Time difference of Arrival)技术受限于超声波传播距离有限和NLOS问题对超声波等信号的 传播影响，超声波通常传播距离为6-9米；AOA(Angle of Arrival)也受外界环境影响，而 且需要额外硬件，在硬件尺寸和功耗上可能无法用于传感器节点；T0F(Time of Flight)技 术是指通过测量单一节点对目标的信号发送和接收时间差，计算出与目标的距离。该算法 无需精确时间同步，且实现简单，消耗硬件资源较少，适用于能量优先的传感器网络，本发 明采用TOF技术进行测距。 三边定位法是通过测量目标点和三个已知坐标点之间的距离确定目标点的绝对 或相对位置的过程。如图1-2所示，目前常用的方法是最小二乘估计和基于几何重心的方 法。基于最小二乘估计的思想是使位置的联合估计均方差最小，通过对其偏导，确定目标的 估计值，然而在实际定位中，由于给定距离存在误差，并不能真正让三个圆交于一点，因此 在一些情况下存在较大的误差。基于几何重心的方法是指通过求解三个圆两两相交的交 点，对其连线构建一个几何多边形，然后求其几何多边形的几何重心即为目标空间坐标估 计值。该方法能够减少由于测距不准造成的误差，且实现简单，易于计算。然而，由于选取 的两圆交点很可能与目标点相差太远，从而增大了误差。对这一问题，本专利技术提出了交点判 定算法的解决方案。 综上所述，目前定位主要问题还是基于现有硬件基础，实现廉价的高精度低功耗 的定位算法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术针对的问题是受限于信号的多径传播、视距等因素造成测距不 准而带来的两圆交点很可能与目标点相差太远，从而利用传统三边定位法带来较大的定位 误差，以至于无法满足现实生活中定位精度需求；本专利技术提出一种基于交点判定的三边定 位方法，该方法在确定两圆交点的过程中，采用了交点判定准则，利用该准则能选取离目标 较近的交点，该准则操作简单，易于实现，能够在不造成计算负担的情况下，很好达到提高 定位精度的目的。 实现本专利技术的技术方案如下： -种基于交点判定的三边定位方法，具体过程为： (一）从空间布设的N个锚节点中选择3个作为参考节点； (二）针对每一参考节点，以其所处位置为圆心，以其与所需定位的标签节点之间 的距离为半径设圆；计算3个圆中任意两圆之间的交点； (三）从每一相交两圆的交点中选定一交点作为三角形的顶点，选定准则为：当两 圆之间只存在一个交点时，将该交点作为三角形的顶点，当两圆之间交点存在两个时，判定 离第三个圆的圆周最近的交点为三角形的一个顶点； (四）将由步骤（三）确定的三个顶点构成的三角形重心作为标签节点的位置估 计值； (五）重新选择3个锚节点作为参考节点，按照步骤（二）_(四）的方式计算标签 节点的位置估计值，直至所有参考节点的组合形式均被遍历为止； (六）计算所有标签节点位置估计值的均值，并将其作为标签节点的最终位置，实 现标签节点的定位。 有益效果 本专利技术提供的方法，以第三个圆为参考，通过对两圆之间的两交点进行选取，使得 确定的三角形有更好的容错性，三角形重心更接近标签节点，从而可提高目标坐标的估计 精度，该选取方法计算简单，易于实现。【附图说明】 图1为理想情况下三边定位法示意图。 图2为基于重心法的三边定位法示意图。 图3为本专利技术基于交点判定的三边定位方法的流程图。 图4为锚节点和标签节点布局示意图。 图5为本专利技术提出的三边定位法和传统的三边定位法在不同锚节点数的定位结 果。 图6为本专利技术提出的三边定位法和基于质心穿透三边定位法在不同锚节点数的 定位误差。【具体实施方式】 下面结合具体实例对本专利技术进行详细说明。 在标签节点（目标）定位功能启动时，标签节点向外发送请求；空间布设的销节点 接收到来自标签节点请求后，立即发送超宽带脉冲信号给标签节点；标签节点接收到来自 锚节点的超宽带脉冲信号后，立即将该超宽带脉冲信号传回给锚节点；锚节点计算信号的 飞行时间ToF，从而计算出与标签节点的距离Cl i，并储存到硬件寄存器中；锚节点将分配给 自身的ID号i、距离Cli和位置信息（X i，yi) (i = 1，2,…）发送给网关；网关将收到的信息， 采用本专利技术提出的三边定位法计算标签本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于交点判定的三边定位方法，其特征在于，具体过程为：(一)从空间布设的N个锚节点中选择3个作为参考节点；(二)针对每一参考节点，以其所处位置为圆心，以其与所需定位的标签节点之间的距离为半径设圆；计算3个圆中任意两圆之间的交点；(三)从每一相交两圆的交点中选定一交点作为三角形的顶点，选定准则为：当两圆之间只存在一个交点时，将该交点作为三角形的顶点，当两圆之间交点存在两个时，判定离第三个圆的圆周最近的交点为三角形的一个顶点；(四)将由步骤(三)确定的三个顶点构成的三角形重心作为标签节点的位置估计值；(五)重新选择3个锚节点作为参考节点，按照步骤(二)‑(四)的方式计算标签节点的位置估计值，直至所有参考节点的组合形式均被遍历为止；(六)计算所有标签节点位置估计值的均值，并将其作为标签节点的最终位置，实现标签节点的定位。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邓方，李佳洪，陈杰，窦丽华，关胜盘，陈文颉，白永强，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11