一种基于商用WiFi设备的目标运动轨迹追踪方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于商用WiFi设备的目标运动轨迹追踪方法及装置，属于计算机通信技术领域。针对目前基于WiFi信号的目标轨迹追踪方法受天线数量和带宽的限制以及定位精度只能达到几十厘米的问题，本发明专利技术通过CSI采集和去噪处理后进行频率偏移消除获得标准CSI数据，建立无线信道模型并提取信号直传路径并进行动态信号到达角、离开角估计。基于建立目标运动轨迹、信号路径长度变化与CSI相位数据变化之间的关联，指定参考方向建立笛卡尔坐标系，完成单一对收发设备下的目标运动轨迹追踪模型设计。聚合各链路下的路径长度变化、复衰减因数、角度估计、目标位置等信息，建立一组超定方程组，求解二维平面内目标位置坐标并追踪完整轨迹，从而实现细粒度目标追踪。从而实现细粒度目标追踪。从而实现细粒度目标追踪。

【技术实现步骤摘要】
一种基于商用WiFi设备的目标运动轨迹追踪方法及装置


[0001]本专利技术属于计算机通信
，具体涉及一种基于商用WiFi设备的目标运动轨迹追踪方法及装置。

技术介绍

[0002]目标定位技术作为当今广泛应用的技术门槛，包括机器人导航、移动游戏等，承载着日益重要的作用。近些年来，目标定位在智能家居、虚拟现实和人机交互等多个领域成为研究焦点。目前，目标定位技术的实现主要基于声学信号、照相机、红外线、惯性传感器和射频信号几大类。其中由于WiFi信号的普遍可用性、成本效益和隐私保护优势，基于WiFi的目标定位课题吸引了学术界的众多研究思考。
[0003]基于WiFi信号的目标轨迹追踪近年来取得了较大突破，但大多数现有的文献主要将注意力放在WiFi发射源的绝对位置。其完成的依据是发射设备摆放位置的先验知识，以及信道参数的几何知识，例如信号到达角、离开角、飞行时间等。然而，基于此的目标定位能力从根本上受到天线数量和带宽的限制，因此最先进的定位方案也只能达到几十厘米的精度。

技术实现思路

[0004]针对目前基于WiFi信号的目标轨迹追踪方法收到天线数量和带宽的限制以及定位精度只能达到几十厘米的问题，本专利技术提供了一种基于商用WiFi设备的目标运动轨迹追踪方法及装置。
[0005]本专利技术的目的在于提出一种基于商用WiFi设备的目标运动轨迹追踪方法及装置，实现WiFi信号覆盖下，在任何区域都内完成追踪目标运动轨迹。以接收设备上的天线为追踪目标，基于CSI信号提出平面内的高细粒度目标追踪物理模型，从而绕开模式识别中繁重的训练步骤，从根本上解决了以往基于无线信号的目标定位精度不足的问题，极大的增强了基于WiFi信号的目标定位技术的实用性。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用了下列技术方案：
[0007]一种基于商用WiFi设备的目标运动轨迹追踪方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，CSI数据采集及去噪；
[0009]步骤2，设计天线阵列，搭建无线信道模型；
[0010]步骤3，误差干扰消除；
[0011]步骤4，基于天线阵列的无线信道模型，完成路径信号角度估计；
[0012]步骤5，构建目标运动轨迹追踪模型；
[0013]步骤6，目标追踪修正。
[0014]所述步骤1，CSI数据采集及去噪的具体方法是：至少采用三台WiFi发射设备，一台WiFi接收设备，将接收设备上的天线作为追踪目标，以不固定的摆放方式，采集包含目标运动和参考信息的CSI数据；然后将所有AP采集到的信道状态信息发送至中央服务器进行处
理；对CSI数据中包含的发射接收机对基带信号处理过程中引入的各种系统噪声进行平滑去噪处理。
[0015]进一步，所述步骤2设计天线阵列，搭建无线信道模型的具体方法是：基于三台接收设备均配备了三根全向天线，并采用线性阵列的摆放方式，借助信号离开角度变量设计转向矩阵，结合各路径上信号衰减矩阵，搭建理想无线信道模型；基于收发设备之间存在异步的时钟误差，搭建实际无线信道模型。
[0016]进一步，所述步骤3误差干扰消除的具体方法是：基于接收设备上除轨迹追踪目标天线外的两根静止参考天线阵列，消除由于收发设备之间时钟不同步引起的相位偏移；具体基于每对相邻数据包采集的CSI数据的信号衰减因数包含的误差分量差相同，采用做差的方式消除误差分量；消除由环境中不相关物体引起的反射信号和电子噪声引起的干扰。
[0017]进一步，所述步骤4基于天线阵列的无线信道模型，完成路径信号角度估计的具体方法是：基于各台发射设备的线性天线阵列，搭建链路的无线信道模型，采用MUSIC算法估计直传路径以及反射路径的信号离开角；在计算角度之前，完成飞行时间的校正，消除由包检测偏移和采样频率偏移引起的相位偏移。
[0018]进一步，所述步骤5构建目标运动轨迹追踪模型的具体方法是：基于天线线性阵列特性以及信号离开角估计进行路径长度变化估计；
[0019]建立目标运动引起的信号路径长度变化和采集的CSI数据关联模型；
[0020]基于单对链路下CSI相位获得信号衰减数据，路径角度数据，获得二维平面内目标运动轨迹向量的未定方程；联立多条链路，完成超定方程并求解目标各时刻下的二维坐标以及完整轨迹。
[0021]进一步，所述步骤6目标追踪修正的具体方法是：手势运动分割，通过设置经验阈值，通过比较手势轨迹长度波动和经验阈值来进行分割；
[0022]手势运动实例检测，具体将阻力型抓握压力传感器整合到跟踪目标中，完成手势书写连词的分割工作。
[0023]一种基于商用WiFi设备的目标运动轨迹追踪方法的装置，包括CSI数据采集及去噪单元、无线信道模型单元、误差干扰消除单元、信号角度估计单元、目标运动轨迹追踪模型单元和目标追踪修正单元；
[0024]所述CSI数据采集及去噪单元，用于采集CSI数据和去噪处理；所述无线信道模型单元，用于搭建基本的无线信道模型；所述误差干扰消除单元，用于去除频率偏移，不相关物体干扰以及电子噪声，获得标准CSI数据；所述信号角度估计单元，用于提取动态路径角度信息；所述目标运动轨迹追踪模型单元，用于关联目标运动和CSI数据变化，获得多对收发设备条件下目标位置的超定方程；所述目标追踪修正单元，用于目标运动分割和实例修正。
[0025]进一步，所述CSI数据采集及去噪单元，包括：CSI数据采集模块和去噪模块；所述无线信道模型单元，包括：无线信道模型搭建模块；所述误差干扰消除单元，包括：频率偏移消除模块和干扰抑制模块；所述信号角度估计单元，包括：MUSIC算法模块和动态角度估计模块；所述目标运动轨迹追踪模型单元，包括：追踪模型模块和误差分量消除模块；所述目标追踪修正单元，包括：目标运动分割模块和运动实例修正模块。
[0026]进一步，所述CSI数据采集模块，用于采集感知区域内的包含手势动作信息、参考
信息的CSI数据，并区分开属于不同链路的CSI数据；所述去噪模块，用于采集CSI数据的幅度和相位去噪处理；所述频率偏移消除模块，用于利用参考天线消除各时刻各RF链路上的相位偏移；所述干扰抑制模块，用于静态物体反射信号以及与手部无关的动态信号，电子噪声产生的干扰；所述MUSIC算法模块，用于去除由WiFi收发设备之间的包检测延迟、采样频率偏移引起的相位偏移；所述动态角度估计模块，用于估计直传路径、反射路径的信号离开角；所述追踪模型模块，基于信号角度信息，用于关联目标运动和信号路径长度变化、信号衰减分量变化；利用多对收发设备，构建一组超定方程组，用于最终的目标运动轨迹估计；所述误差分量消除模块，用于去除由时钟误差引入的误差分量；所述目标运动分割模块，通过比较手势运动长度波动和经验阈值来进行手写轨迹分割，用于避免过长的手写轨迹导致信号离开角估计的过度差异；所述运动实例修正模块，将阻力型抓握压力传感器整合到跟踪目标中，用于完成手势书写连词的分割工作。
[0027]与现有技术相比本专利技术具有以下优点：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于商用WiFi设备的目标运动轨迹追踪方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，CSI数据采集及去噪；步骤2，设计天线阵列，搭建无线信道模型；步骤3，误差干扰消除；步骤4，基于天线阵列的无线信道模型，完成路径信号角度估计；步骤5，构建目标运动轨迹追踪模型；步骤6，目标追踪修正。2.根据权利要求1所述的一种基于商用WiFi设备的目标运动轨迹追踪方法，其特征在于：所述步骤1，CSI数据采集及去噪的具体方法是：采用三台WiFi发射设备，一台WiFi接收设备，将接收设备上的天线作为追踪目标，以不固定的摆放方式，采集包含目标运动和参考信息的CSI数据；然后将所有AP采集到的信道状态信息发送至中央服务器进行处理；对CSI数据中包含的发射接收机对基带信号处理过程中引入的各种系统噪声进行平滑去噪处理。3.根据权利要求1所述的一种基于商用WiFi设备的目标运动轨迹追踪方法，其特征在于：所述步骤2设计天线阵列，搭建无线信道模型的具体方法是：基于三台接收设备均配备了三根全向天线，并采用线性阵列的摆放方式，借助信号离开角度变量设计转向矩阵，结合各路径上信号衰减矩阵，搭建理想无线信道模型；基于收发设备之间存在异步的时钟误差，搭建实际无线信道模型。4.根据权利要求1所述的一种基于商用WiFi设备的目标运动轨迹追踪方法，其特征在于：所述步骤3误差干扰消除的具体方法是：基于接收设备上除轨迹追踪目标天线外的两根静止参考天线阵列，消除由于收发设备之间时钟不同步引起的相位偏移；具体基于每对相邻数据包采集的CSI数据的信号衰减因数包含的误差分量差相同，采用做差的方式消除误差分量；消除由环境中不相关物体引起的反射信号和电子噪声引起的干扰。5.根据权利要求1所述的一种基于商用WiFi设备的目标运动轨迹追踪方法，其特征在于：所述步骤4基于天线阵列的无线信道模型，完成路径信号角度估计的具体方法是：基于各台发射设备的线性天线阵列，搭建链路的无线信道模型，采用MUSIC算法估计直传路径以及反射路径的信号离开角；在计算角度之前，完成飞行时间的校正，消除由包检测偏移和采样频率偏移引起的相位偏移。6.根据权利要求1所述的一种基于商用WiFi设备的目标运动轨迹追踪方法，其特征在于：所述步骤5构建目标运动轨迹追踪模型的具体方法是：基于天线线性阵列特性以及信号离开角估计进行路径长度变化估计；建立目标运动引起的信号路径长度变化和采集的CSI数据关联模型；基于单对链路下CSI相位获得信号衰减数据，路径角度数据，获得二维平面内目标运动轨迹向量的未定方程；联立多条链路，完成超定方程并求解目标各时刻下的二维坐标以及完整轨迹。7.根据权利要求1所述的一种基于商用WiFi设备的目标运动轨迹追踪方法，其特征在于：所述步骤6目标追踪...

【专利技术属性】
技术研发人员：路兆铭，江佳玮，韩子钧，周爽，赵靖博，张凯敏，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：