一种基于共轭梯度法的室内定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于共轭梯度法的室内定位方法，属于室内定位方法领域，其基于信号强度的测距方法来进行未知标签的位置估计，并采用最优化的方法对结果进行最优估计，得出误差最小的位置结果，该方法考虑在对数常态传输损耗模型的条件下，测得接收信号的强度值，考虑到RSSI值受多方面因素的影响，采用高斯模型和均值法对RSSI值进行修正，利用最小二乘法对距离进行修正，通过三边定位算法求出未知标签位置，采用最优化方法中的共轭梯度法求出未知标签的准确位置，本发明专利技术能提高室内定位的精度，减小定位误差。

【技术实现步骤摘要】
一种基于共轭梯度法的室内定位方法
本专利技术涉及室内定位方法领域，特别涉及一种基于共轭梯度法的室内定位方法。
技术介绍
室内定位技术是指在室内环境中实现位置定位，主要采用无线通讯、基站定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。在室内环境无法使用卫星定位时，使用室内定位技术作为卫星定位的辅助定位，解决卫星信号到达地面时较弱、不能穿透建筑物的问题。本专利技术采用的是基于RFID的WSN定位技术。RFID定位技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据，实现移动设备识别和定位的目的。它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围大、成本较低是室内定位技术的研究前沿。目前的RFID定位算法主要是在一个特定区域内布置多个RFID读取装置，RFID标签通过天线发射RFID标识信号，发出的信号随着距离按照一定的规律衰减，根据读取装置接收的信号强度大小，结合质心算法求出标签的坐标。但是如果在复杂的信道模型中，RFID载波信号易受到绕射、折射和散射等因素的影响，导致接收信号强度测量不准确，而且传统的质心算法的误差相对较大。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
的缺陷，提出一种基于共轭梯度法的室内定位方法，实现如何解决RFID定位技术中质心算法定位不准确的问题。本专利技术的上述技术问题是通过以下技术方案得以实现的：一种基于共轭梯度法的室内定位方法，包括以下步骤：一种基于共轭梯度法的室内定位方法，其特征是：包括以下步骤：步骤1：建立对数常态传输消耗模型，对距离为1的时候接受信号强度值A和衰减因子n分别取值，三个RFID阅读器同时接收RFID标签的信号，在同一个RFID阅读器采集z个RSSI值；步骤2：分析步骤1中采集的z个RSSI值，通过高斯分布模型对其进行收缩，进而求得数据分布的中心点步骤3：若则保留该RSSI值，否则，去除该RSSI值；步骤4：采用算术平均法分别求出三个RFID接收到的RSSI值的平均值分别为步骤5：把步骤4中求得的代入对数常态传输损耗模型中，得到理论距离d1,d2,d3，在实际环境中布RFID阅读器和RFID定位标签，求出RFID阅读器和RFID定位标签间的实际距离a1,a2,a3，采用最小二乘法对实际距离和理论距离进行修正，得到修正值d1',d'2,d3'；步骤6：根据步骤5得到的d1',d'2,d3'，利用三边定位算法求出未知标签的坐标x0(x,y)，并令此坐标值为步骤7中的初始值；步骤7：对所求出的坐标值x0进行最优估计，采用最优化技术中的共轭梯度法进行求解；步骤8：执行xk+1＝xk+αk*pk，其中，xk的初始值为x0，xk+1是求解出来的下一个迭代点，αk是步长，pk是下降方向，其中p0＝-g0，p0是初始下降方向，g0是把初始x0代进去的一阶偏导值；步骤9：若||gk||≤阈值，则输出最优解xk，否则，继续执行步骤8。进一步的，步骤1中，对数常态传输损耗模型为：其中，Xσ是系统误差，并取Xσ＝0，且默认接收信号的功率P(d0)是在距离RFID阅读器d0＝1处RFID定位标签的接收功率，d是RFID阅读器和标签之间的距离，简化为：当d0＝1时，令P(d0)＝A，此时的Xσ忽略不计，则RSSI的测距公式简化为RSSI＝-(10nlgd+A)。进一步的，步骤2中，高斯分布式模型公式为：进一步的，步骤4中，选取RSSI值比较大的前100个数据，对此100个数据求取平均值。进一步的，所述步骤5包括以下步骤：步骤5.1：在室内环境中布置好RFID阅读器m1,m2,m3和RFID标签m，设RFID阅读器为(xi,yi)和RFID标签为(x,y)，参考节点和RFID标签在室内环境中是已知的，求出RFID标签和RFID阅读器间的实际距离a1,a2,a3；步骤5.2：依据对数常态传输损耗模型，通过测得的三组不同的信号强度值采用式RSSI＝-(10nlgd+A)来估计RFID阅读器与RFID标签之间的距离，得出RFID阅读器m1,m2,m3到RFID标签m的理论距离d1,d2,d3；步骤5.3：利用最小二乘法，即使di'(i＝1,2,3)和ai(i＝1,2,3)之间呈线性表示，使di'＝γ·ai+β，其中γ,β是修正参数，满足偏差平方和最小，即最小，通过对F(γ,β)求偏导得出γ,β的值，实现对距离d1,d2,d3进行修正，得到d1',d'2,d3'；进一步的，步骤6中：列出三组方程式为：分别求出三组解，每一组方程组求解出两组解，表示两个RFID阅读器在测量距离上相交的点，其中舍去离剩下的第三个RFID阅读器位置最远的解，三组解分别设为(s1,w1),(s2,w2),(s3,w3)，利用三边定位算法估计出(x,y)的坐标，即并令此坐标值为步骤7中的初始值。进一步的，步骤7包括以下步骤：步骤7.1：建立目标方程minW(x,y)＝|α1|+|α2|+|α3|＝(x-x1)2+(y-y2)2-d1'2+(x-x2)2+(y-y2)2-d'22+(x-x3)2+(y-y3)2-d3'2改写为：化为无条件等式约束为：步骤7.2：对目标函数中的x,y分别求偏导步骤7.3：采用共轭梯度法的公式xk+1＝xk+αk*pk，pk＝-gk+βk-1*pk-1，以步骤6中的(x,y)值为初始值，代入目标函数，求出αk，进而求出迭代的下一步。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、本专利技术在室内定位过程中采用了RFID和无线传感网结合的技术，能够实现对RFID标签的准确定位，实际应用中提高了定位的准确度；2、本专利技术采用RSSI测距技术的RFID定位技术，通过对数常态传输损耗模型，得到接收信号的强度，通过去噪处理，获得了准确的RSSI值；3、本专利技术在基于RFID的无线传感器网络进行室内定位的过程中，考虑到由对数常态传输损耗模型中计算出的距离会产生误差，所以结合最小二乘法对距离进行修正；4、本专利技术采用了共轭梯度发对定位目标进行优化，可以取得良好的定位效果；5、本专利技术与传统的用三边定位算法进行室内定位的方法相比，能够加快运行效率，提高定位位置精度。附图说明图1为本专利技术的网络结构图。图2为本专利技术的具体方法的示意图。图3为本专利技术的方法流程图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步详细说明。如图1所示，本专利技术中由于RFID传输距离远，定位精度高，一般定位空间选取比较大，本专利技术实际布设RFID时，考虑成本和其它因素，选取三个RFID阅读器和一个RFID标签，RFID阅读器和RFID标签的实际具体为20m。如图2所示为本专利技术的三边定位算法的示意图，分别以三个参考节点为圆心，修正后的距离为半径，三个圆交于一个区域，列出三组方程式：分别求出三组解，每一组方程组中求的解舍去离剩下的第三个点最远的解，三组解分别设为(s1,w1),(s2,w2),(s3,w3)，利用三边定位算法估计出(x,y)的坐标，即，如图3所示为本专利技术方法的流程图，包括：第一步，根据实际的室内环境，采集RSSI信号强度值，第二步，根据实际环境布置RFID阅读器和RFID标签，测出RFID阅读器和RFID标签的实际距离，第三步，对采集的RSSI值采用高斯模型和均值法进行去噪处理，第四步，利用对数常态损本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于共轭梯度法的室内定位方法，其特征是：包括以下步骤：步骤1：建立对数常态传输消耗模型，对距离为1的时候接受信号强度值A和衰减因子n分别取值，三个RFID阅读器同时接收RFID标签的信号，在同一个RFID阅读器采集z个RSSI值；步骤2：分析步骤1中采集的z个RSSI值，通过高斯分布模型对其进行收缩，进而求得数据分布的中心点

【技术特征摘要】
1.一种基于共轭梯度法的室内定位方法，其特征是：包括以下步骤：步骤1：建立对数常态传输消耗模型，对距离为1的时候接受信号强度值A和衰减因子n分别取值，三个RFID阅读器同时接收RFID标签的信号，在同一个RFID阅读器采集z个RSSI值；步骤2：分析步骤1中采集的z个RSSI值，通过高斯分布模型对其进行收缩，进而求得数据分布的中心点步骤3：若则保留该RSSI值，否则，去除该RSSI值；步骤4：采用算术平均法分别求出三个RFID接收到的RSSI值的平均值分别为步骤5：把步骤4中求得的代入对数常态传输损耗模型中，得到理论距离d1,d2,d3，在实际环境中布RFID阅读器和RFID定位标签，求出RFID阅读器和RFID定位标签间的实际距离a1,a2,a3，采用最小二乘法对实际距离和理论距离进行修正，得到修正值d1',d'2,d3'；步骤6：根据步骤5得到的d1',d'2,d3'，利用三边定位算法求出未知标签的坐标x0(x,y)，并令此坐标值为步骤7中的初始值；步骤7：对所求出的坐标值x0进行最优估计，采用最优化技术中的共轭梯度法进行求解；步骤8：执行xk+1＝xk+αk*pk，其中，xk的初始值为x0，xk+1是求解出来的下一个迭代点，αk是步长，pk是下降方向，其中p0＝-g0，p0是初始下降方向，g0是把初始x0代进去的一阶偏导值；步骤9：若||gk||≤阈值，则输出最优解xk，否则，继续执行步骤8。2.根据权利要求1所述的一种基于共轭梯度法的室内定位方法，其特征是：步骤1中，对数常态传输损耗模型为：其中，Xσ是系统误差，并取Xσ＝0，且默认接收信号的功率P(d0)是在距离RFID阅读器d0＝1处RFID定位标签的接收功率，d是RFID阅读器和标签之间的距离，简化为：当d0＝1时，令P(d0)＝A，此时的Xσ忽略不计，则RSSI的测距公式简化为RSSI＝-(10nlgd+A)。3.根据权利要求1所述的一种基于共轭梯度法的室内定位方法，其特征是：步骤2中，高斯分布式模型公式为：。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：董恒，张志伟，谭建勇，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32