基于无线信号的轮式移动目标高精度定位系统及方法技术方案

一种基于无线信号的轮式移动目标高精度定位系统及方法，包括：用于接收Wi‑Fi信号的信号状态信息采集模块、用于惯性传感和执行定位算法的传感计算模块以及分别与之相连的电源模块，其中：信号状态信息采集模块接收无线信道状态信息并将此信息传输至传感计算模块，传感计算模块将接收到的无线信道信息作为定位算法的输入，通过计算得到目标当前所在位置。本发明专利技术通过与车轮一同旋转的天线，利用惯性传感器描绘出天线的运动轨迹，构建出大规模的天线阵列，计算Wi‑Fi信号的到达时间和到达角度，进而实现对轮式移动目标的高精度定位。

High Precision Location System and Method of Wheeled Moving Target Based on Wireless Signal

A high-precision positioning system and method for wheeled mobile target based on wireless signal includes signal state information acquisition module for receiving Wi Fi signal, sensor calculation module for inertial sensing and implementing positioning algorithm, and power module connected with each other. The signal state information acquisition module receives wireless channel state information and transmits this information to sensor. Computing module, sensor computing module takes the received wireless channel information as the input of location algorithm, and obtains the current location of the target by calculating. The antenna rotates with the wheel, uses the inertial sensor to depict the antenna trajectory, constructs a large-scale antenna array, calculates the arrival time and the arrival angle of the Wi Fi signal, and then realizes the high-precision positioning of the wheeled moving target.

【技术实现步骤摘要】
基于无线信号的轮式移动目标高精度定位系统及方法
本专利技术涉及的是一种无线信号定位领域的技术，具体是一种基于Wi-Fi的轮式移动目标高精度定位系统及方法，在室内、室外平坦路面和室外颠簸路面三种环境下，其定位精度均可达到1米以内。
技术介绍
现有的Wi-Fi的定位技术通常使用基于接收信号强度指示的三角测量、信号到达时间和到达角度估算等方法进行定位。但几乎所有定位方法都是针对Wi-Fi信号的物理层信息，如幅度、频率、时间和角度等，却没有任何相关工作关注于移动目标本身，其中：采用惯性传感器的定位方法在网络状况不好的室内环境中将无法使用；基于接收信号强度指示的室内定位方法则容易受到路径衰减、遮挡和多径效应的影响，定位结果不够准确。
技术实现思路
本专利技术针对现有定位技术的不足，根据对大多数移动目标使用车轮移动的观察，充分利用车轮旋转的优势，提出了一种基于无线信号的轮式移动目标高精度定位系统及方法，通过与车轮一同旋转的天线，利用惯性传感器描绘出天线的运动轨迹，构建出大规模的天线阵列，计算Wi-Fi信号的到达时间和到达角度，进而实现对轮式移动目标的高精度定位。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术涉及一种基于无线信号的轮式移动目标高精度定位系统，包括：用于接收Wi-Fi信号的信号状态信息采集模块、用于惯性传感和执行定位算法的传感计算模块以及分别与之相连的电源模块，其中：信号状态信息采集模块接收无线信道状态信息并将此信息传输至传感计算模块，传感计算模块将接收到的无线信道信息作为定位算法的输入，通过计算得到目标当前所在位置。所述的信号状态信息采集模块包括：由三根天线及天线座组成正三角形结构的天线阵列以及用于连接天线阵列和车轮的转动机构，其中：天线阵列与车轮通过转动机构同步旋转并从接收到的Wi-Fi信号中提取信道状态信息。所述的天线座为正三角形组件，采用3D打印技术设计并制成，该天线座的每个角上分别预留一天线安装孔，相邻两个天线安装孔之间的距离为6cm，即小于2.4GHzWi-Fi信号的半波长，通过该天线座使得三根天线紧密地固定在这些孔中，保证了车轮在高速旋转时其间隔不变；安装时，首先保证一根天线与车轮的中心对齐且该天线的方向垂直于车轮平面，当车轮开始旋转时，天线阵列相应地旋转。所述的传感计算模块包括：用于收集运动信息作为轮式移动目标定位的输入以构建时空天线阵列的惯性传感器以及用于实时进行轮式移动目标定位的控制单元。所述的电源模块包括：主电源单元、与主电源单元相连的二级电源单元以及分别与与主电源单元和传感计算模块相连的三级电源单元，其中：主电源单元直接为传感计算模块提供能源；二级电源单元是缠绕设置于天线座上的太阳能电池；三级电源单元为发电机充电器，用于将车轮旋转产生的动能转化为系统的电能并为定位系统提供校正信息。所述的电源模块利用太阳能和车轮旋转产生的动能实现了系统的自供电，因此可用于非电动轮式移动物体，如自行车和轮椅。本专利技术涉及上述系统的定位方法，当车轮处于静止状态时利用天线阵列和信号到达角度估计进行静态定位，当物体移动，即车轮处于旋转状态时分别采用平移定位或差分定位，最后通过惯性校正作为补偿以进一步提高平移定位和差分定位的局部精度。所述的静态定位具体是指：鉴于天线阵列的三根天线不共线，通过计算出方位角和极角θ，根据车轮的半径R且车轮的中心位于无线路由器沿信号到达方向发射的无线信号的射线上，通过单个无线路由器实现定位。所述的平移定位具体是指：在地形平坦时，利用天线阵列随车轮运动的特点，采样得到若干虚拟天线，通过基于轨迹的合成孔径雷达的定位计算得到包含来自多个路径的信号数量、信号到达角度和相对功率的多路径的分布，再基于信号到达时间选择最短路径。所述的虚拟天线是指：对应每一个采样时刻下天线阵列的空间位置，具体为：基于车轮的运动，天线阵列中的第一天线的轨迹是一条直线，第二和第三天线的轨迹分别为高度2r，宽度2πR的摆线，其中：r为天线之间的距离，R为车轮的半径。所述的基于轨迹的合成孔径雷达的定位计算是指：对于天线阵列中的第一天线，通过线性合成孔径雷达建立虚拟天线阵列，当从无线路由器到A1(t1)的初始位置的距离为d，ti是采集到第i个样本的时间，n是虚拟天线的数量(1≤i≤n)；根据基本信道模型将由天线A1在ti时间测量到的无线信道h1i为复数其中：ω为车轮的角速度，t为时间，h1i包含了多路径的组合信息，但只有一个hi不足以推断出所有的路径。只要虚拟天线的数量n大于多路径的数量，线性合成孔径雷达就可以沿所有角度计算出信号的相对功率(例如，θ从0到2π)以产生可微分的多径分布。由于没有关于多路径数量的先验知识，因此采用相对较大的n来保证方程可解。A1沿角度θ的相对功率P1(θ)可为对于天线阵列的第二和第三天线，通过摆线合成孔径雷达用于车轮的旋转：天线A2在ti时间测量到的无线信道h2i为其中：fl(ti)＝Rω(ti-t1)sinθ为直线运动天线A2造成的影响，fr(ti)＝rcos(θ+ω(ti-t1))为圆周运动对天线A2造成的影响。于是，天线A2沿角度θ的相对功率P2(θ)可为同理，将h2i和A2替换为h3i和A3就得到了P3(θ)。所述的差分定位是指：当地形复杂，平移定位无法工作时，天线阵列沿着直线从Lα运动到Lβ再到Lγ；Lα和Lβ之间的距离为lαβ，Lβ和Lγ之间的距离为lβγ，记lαβ/lβγ＝k；当α、β和γ分别为Lα、Lβ和Lγ的入射角；由几何知识得到关系进而得到(1+k)tanβ-tan(2∠αβ-β)-ktan(2∠βγ-β)＝0；由于∠αβ、∠βγ和k已知，所以利用上式可以计算出β，进而计算出α和γ；将入射角与位置一一对应后再基于信号到达时间选择最短路径。所述的基于信号到达时间选择最短路径是指：当无线路由器和天线阵列之间没有障碍物，则只需选择具有最高相对功率的角度作为直接路径；然而，在实际情况中，直接路径的功率可能会被减弱，甚至只有非直接路径；在这种情况下，根据多路径分布确定路径的数量及其入射角度，但无法确定哪一个是直接路径；在所有路径中，通过直接路径从无线路由器到天线阵列所使用的时间最短；根据这个特点，尝试寻找具有最小信号到达时间的路径，它要么是直接路径，要么是最接近直接路径的非直接路径；其基本思想是使用两个位置计算所有可能路径的信号到达时间；当天线阵列从位置1移动到位置2，其中：两个位置之间的距离是l；在通过合成孔径雷达技术获得入射角之后，通过反向延长射线来寻找无线路由器可能的位置；然后利用下式计算位置1处的两条路径τ1和τ2的信号到达时间：其中：c为电磁波的速率，θ11、θ12分别为无线路由器和虚拟无线路由器发出的无线信号在位置1处与垂直方向的夹角，θ21、θ22分别为无线路由器和虚拟无线路由器发出的无线信号在位置2处与垂直方向的夹角；当T1<T2，则认为θ11是正确的入射角且T1为信号到达时间。在实际的移动场景中，无法保证无线路由器和车轮之间始终存在直接路径。当出现非直接路径时，即使使用前面提出来的方法找到最短路径，这也只是最接近直接路径的反射路径。使用非直接路径进行定位可能会导致很大的误差，因此本专利技术设计了惯性校正来补偿非直接路径带来的误差。所述的惯性校正是指：通过比较两条轨迹的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无线信号的轮式移动目标高精度定位系统，其特征在于，包括：用于接收Wi‑Fi信号的信号状态信息采集模块、用于惯性传感和执行定位算法的传感计算模块以及分别与之相连的电源模块，其中：信号状态信息采集模块接收无线信道状态信息并将此信息传输至传感计算模块，传感计算模块将接收到的无线信道信息作为定位算法的输入，通过计算得到目标当前所在位置；所述的信号状态信息采集模块包括：由三根天线及天线座组成正三角形结构的天线阵列以及用于连接天线阵列和车轮的转动机构，其中：天线阵列与车轮通过转动机构同步旋转并从接收到的Wi‑Fi信号中提取信道状态信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于无线信号的轮式移动目标高精度定位系统，其特征在于，包括：用于接收Wi-Fi信号的信号状态信息采集模块、用于惯性传感和执行定位算法的传感计算模块以及分别与之相连的电源模块，其中：信号状态信息采集模块接收无线信道状态信息并将此信息传输至传感计算模块，传感计算模块将接收到的无线信道信息作为定位算法的输入，通过计算得到目标当前所在位置；所述的信号状态信息采集模块包括：由三根天线及天线座组成正三角形结构的天线阵列以及用于连接天线阵列和车轮的转动机构，其中：天线阵列与车轮通过转动机构同步旋转并从接收到的Wi-Fi信号中提取信道状态信息。2.根据权利要求1所述的轮式移动目标高精度定位系统，其特征是，所述的天线座为正三角形组件，采用3D打印技术设计并制成，该天线座的每个角上分别预留一天线安装孔，相邻两个天线安装孔之间的距离为6cm，即小于2.4GHzWi-Fi信号的半波长，通过该天线座使得三根天线紧密地固定在这些孔中，保证了车轮在高速旋转时其间隔不变。3.根据权利要求1所述的轮式移动目标高精度定位系统，其特征是，所述的传感计算模块包括：用于收集运动信息作为轮式移动目标定位的输入以构建时空天线阵列的惯性传感器以及用于实时进行轮式移动目标定位的控制单元。4.根据权利要求1所述的轮式移动目标高精度定位系统，其特征是，所述的电源模块包括：主电源单元、与主电源单元相连的二级电源单元以及分别与与主电源单元和传感计算模块相连的三级电源单元，其中：主电源单元直接为传感计算模块提供能源；二级电源单元是缠绕设置于天线座上的太阳能电池；三级电源单元为发电机充电器，用于将车轮旋转产生的动能转化为系统的电能并为定位系统提供校正信息。5.一种基于上述任一权利要求所述系统的定位方法，其特征在于，当车轮处于静止状态时利用天线阵列和信号到达角度估计进行静态定位，当物体移动，即车轮处于旋转状态时分别采用平移定位或差分定位，最后通过惯性校正作为补偿以进一步提高平移定位和差分定位的局部精度。6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的静态定位具体是指：鉴于天线阵列的三根天线不共线，通过计算出方位角和极角θ，根据车轮的半径R且车轮的中心位于无线路由器沿信号到达方向发射的无线信号的射线上，通过单个无线路由器实现定位。7.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的平移定位具体是指：在地形平坦时，利用天线阵列随车轮运动的特点，采样得到若干虚拟天线，通过基于轨迹的合成孔径雷达的定位计算得到包含来自多个路径的信号数量、信号到达角度和相对功率的多路径的分布，再基于信号到达时间选择最短路径。8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述的基于轨迹的合成孔径雷达的定位计算是指：对于天线阵列中的第一天线，通过线性合成孔径雷达建立虚拟天线阵列，当从无线路由器到A1...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔令和，吴祖成，黄家鹏，陈贵海，刘云新，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31