专利摘要

专利摘要

本发明公开了一种基于UWB和蓝牙技术的室内定位融合方法，结合了两种室内定位方案的优势，利用UWB测距误差小的特点，限定了估计位置的可能区域，减小了求解范围；相对于传统根据测距估算出位置的方法，直接利用蓝牙信号的RSSI值，通过贝叶斯推理得到求解区域内的概率分布来求解位置，避免了RSSI信号在计算成距离时的误差引入，提高了定位精度；利用一个UWB基站和2个蓝牙基站即可在大多数的情况下获得UWB技术的定位精度，相比于使用4个UWB基站的UWB定位方案，成本可降低至原成本的四分之一；利用粒子群优化算法来求解不等式约束下的极值问题，在RSSI测量值误差较大导致最小值偏离真实解的情况下能够获得局部最优解，有更好的实际使用效果。

权利要求

1.一种室内定位融合方法，其特征在于，采用一个UWB基站和至少两个蓝牙基站实现室内定位，包括如下步骤：

步骤1，将UWB测距模型由下式表达：

其中，pr和pb分别为接收器和UWB基站的位置，rTOF是UWB基站与接收器之间距离，rD为时钟误差带来的测量误差，通过事先标定得到；tr和tb分别为接收器接收和发送信号的时间，c为光速；

将蓝牙测距方式中蓝牙信号强度RSSI的数学模型表示如下：

其中，RSSI(d)和P0分别为蓝牙测距方式中接收器与基站在距离d和参考距离d0下的信号接收强度，n是信号的路径损耗因子，ζ∈(0，σ2)是由于阴影衰落效应而造成的白噪声干扰，σ表示白噪声均方差；

根据贝叶斯推理得到估计的位置为真实位置的概率：

其中：

di是接收器位置(x,y)到第i个蓝牙基站位置(xi,yi)之间的距离，是接收器接收第i个基站信号的信号强度测量值RSSIi和理论值之间的差值，即测量误差；

步骤2，根据步骤1中的UWB模型得到UWB测距之后限定范围为：

其中，(xa,ya)表示UWB基站坐标，rDmax表示时钟误差的最大值；

步骤3，计算每个蓝牙基站的量测信号的概率分布，并定义评价函数为fe，则有：

将式(4)代入下式(7)后，在公式(5)的限定范围内求解式(7)，使得式(7)中fc取极小值，则求出接收器的估算位置(x,y)，实现定位；

2.如权利要求1所述的一种室内定位融合方法，其特征在于，所述步骤3中，对式(7)的求解方法包括库恩塔克条件求解法和拉格朗日乘子法。

3.如权利要求1所述的一种室内定位融合方法，其特征在于，所述步骤3中，采用PSO算法对式(7)进行求解。

说明书

技术领域

本发明属于导航、制导与控制技术领域，具体涉及一种基于UWB和蓝牙技术的室内定位融合方法。

背景技术

在现代社会中，随着如通信、网络。全球定位系统(Global Positioning System,GPS)、无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)等技术的迅速发展，位置感知计算和基于位置的服务(Location Based Services,LBS)在现实生活中显得越来越重要。定位技术的出现极大的方便了人们的生活，其影响已经延伸到了包括军事、科技、以及人们普通生活中的各个方面，而室内定位对于人们日常生活的帮助也使其越来越得到各领域的青睐。如超市里基于位置服务的信息推送，帮助人们在大型超市里面快速定位到某个商铺甚至是商品；又如当发生火灾、地震、人质劫持、炸弹威胁等紧急事件时只有精确的室内定位才能进行最优的救援路线规划和快速安全的救援工作。

GPS是当前应用最广泛最成功的定位技术。然而目前主流的GPS应用都适用于室外的场所，而在室内环境下传播环境复杂，而且GPS信号易被建筑物、金属遮盖物等吸收，而且遮挡物的存在使得无线信号发生折射、反射以及能量衰减等现象，加之其成本较高，严重影响了GPS在室内定位方面应用的发展。因此，为了满足个人和商业需求，各种室内定位技术应运而生。现有的典型的室内定位技术有Wi-Fi技术、蓝牙技术、红外技术、超宽带(UWB)技术等。根据在定位过程中是否需要测量接收端与发射端的实际距离，现有的室内定位算法分为基于测距(range-based)和无需测距(rang-free)算法，由于基于测距定位方法便于应用于工程实践中而得到了更加广泛的应用。典型的测距技术有信号到达时间TOA(time ofarrive)、信号到达时间差TDOA(time difference of arrive)、信号到达角AOA(angle ofarrive)、信号强度RSSI(received signal strength indication)等。但是由于信号在室内传播时存在路径短、传播环境复杂等问题，TOA、TDOA、AOA等方法难以实现精确测量，所以很难用这些方法得到较为精确的定位结果。

现有的技术中，基于TOF(time of flight)测量的UWB技术能在室内的环境下能实现高精度的定位，而基于RSSI的蓝牙技术由于价格低廉，拥有很高的覆盖率。但是现有的单一的室内定位方案都是以单一的定位技术为主，为了实现较高精度的定位就需要付出较高的经济成本，导致现有的技术都没有很好的运用到实际应用中。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于UWB和蓝牙技术的室内定位融合方法，可以提高定位精度，同时降低成本。

一种室内定位融合方法，采用一个UWB基站和至少两个蓝牙基站实现室内定位，包括如下步骤：

步骤1，将UWB测距模型由下式表达：

其中，pr和pb分别为接收器和UWB基站的位置，rTOF是UWB基站与接收器之间距离，rD～N(0,δ2)为时钟误差带来的测量误差，通过事先标定得到；tr和tb分别为接收器接收和发送信号的时间，c为光速；

将蓝牙测距方式中蓝牙信号强度RSSI的数学模型表示如下：

其中，RSSI(d)和P0分别为蓝牙测距方式中接收器与基站在距离d和参考距离d0下的信号接收强度，n是信号的路径损耗因子，ζ∈(0，σ2)是由于阴影衰落效应而造成的白噪声干扰，σ表示白噪声均方差；

根据贝叶斯推理得到估计的位置为真实位置的概率：

其中：

di是接收器位置(x,y)到第i个蓝牙基站位置(xi,yi)之间的距离， 是接收器接收第i个基站信号的信号强度测量值RSSIi和理论值之间的差值，即测量误差；

步骤2，根据步骤1中的UWB模型得到UWB测距之后限定范围为：

其中，(xa,ya)表示UWB基站坐标，rDmax表示时钟误差的最大值；

步骤3，计算每个蓝牙基站的量测信号的概率分布，并定义评价函数为fe，则有：

将式(4)代入下式(7)后，在公式(5)的限定范围内求解式(7)，使得式(7)中fc取极小值，则求出接收器的估算位置(x,y)，实现定位；

较佳的，所述步骤3中，对式(7)的求解方法包括库恩塔克条件求解法和拉格朗日乘子法。

较佳的，所述步骤3中，采用PSO算法对式(7)进行求解。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出的基于UWB和蓝牙技术的室内定位融合方法，结合了两种室内定位方案的优势，利用UWB测距误差小的特点，限定了估计位置的可能区域，减小了求解范围；相对于传统根据测距估算出位置的方法，直接利用蓝牙信号的RSSI值，通过贝叶斯推理得到求解区域内的概率分布来求解位置，避免了RSSI信号在计算成距离时的误差引入，提高了定位精度；

利用一个UWB基站和2个蓝牙基站即可在大多数的情况下获得UWB技术的定位精度，相比于使用4个UWB基站的UWB定位方案，成本可降低至原成本的四分之一。

本发明利用粒子群优化算法来求解不等式约束下的极值问题，相比于直接极值求解的方法，在RSSI测量值误差较大导致最小值偏离真实解的情况下能够获得局部最优解，有更好的实际使用效果。

附图说明

图1为本发明基于UWB和蓝牙技术的室内定位融合算法的流程图。

图2为本发明定位方法与已知几种定位方法的定位结果比较图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提出的室内定位融合方法定位硬件由至少一个UWB基站和两个蓝牙基站的硬件设备组成，根据两种技术定位精度和经济成本等特点进行融合定位，并在该框架下提出了基于UWB和蓝牙技术的室内定位融合算法用来求解估计位置，提高定位精度。融合算法的基本原理是：根据UWB测距的误差分析得到UWB测距模型，根据无线传感器信号在室内传播衰减特点，建立接收终端接的接受信号强度(RSSI)与基站和接收终端距离数学模型。由UWB测量距离和UWB基站位置得到估计位置限定范围，并根据测量RSSI值和误差分布根据贝叶斯推理获得估计位置点的概率分布函数，并利用粒子群优化算法求得限定范围内的全局最优解作为估计位置输出。

本发明提出的基于UWB和蓝牙技术的室内定位融合方法，如图1所示，具体步骤如下：

步骤1，由于UWB测距的误差主要由UWB基站和接收器之间的时钟误差造成，故UWB测距模型可由下式表达：

其中，pr和pb分别为UWB基站和接收器的位置，rTOF是UWB测距方式中采用TOF测量得到的UWB基站与接收器之间距离，rD∈N(0,δ2)为时钟误差带来的测量误差，通过事先标定得到；tr和tb分别为接收器接收和发送信号的时间，c为光速，故通过数据测量可以得到UWB的误差分布大小。

根据无线传感器信号在室内传播衰减特点，蓝牙信号强度(RSSI)的数学模型如下：

其中，RSSI(d)(单位为dBm)和P0分别为接收器与蓝牙基站在距离d和参考距离d0下的信号接收强度，n是信号的路径损耗因子，ζ∈(0，σ2)是由于阴影衰落效应而造成的白噪声干扰，其中白噪声均方差σ的大小取决于传播路径的干扰。因此，当测得环境中的模型的相关参数，接收信号强度RSSI(d)和估计位置之后即可根据贝叶斯推理得到该位置为真实位置的概率：

其中：

di是接收器位置(x,y)到第i个基站位置(xi,yi)之间的距离， 是接收器接收第i个基站信号的信号强度测量值RSSIi和理论值之间的差值，即测量误差。I＝1,2，…N，N表示蓝牙基站数量；当我们在采集信号强度RSSI时，随机变量ζ已经包含在其中，因此利用模型推算的估计距离与真实距离一定存在误差。

步骤2，根据步骤1中的UWB模型可以得到UWB测距之后限定范围为：

其中，(xa,ya)表示UWB基站坐标；rDmax表示时钟误差的最大值；

步骤3，由于在系统中存在至少两个蓝牙基站，所以需要对每个蓝牙基站的量测信号进行概率分布计算，设定评价函数为fe，则有：

显然，真实位置为函数fe极大值解，由于基站个数固定，为了简化计算，我们只需求解方程fc的极小值解：

将式(4)代入式(7)后，在公式(5)的限定范围内求解式(7)，使得fc取极小值，则可求出接收器的估算位置(x,y)。

根据如上变换，位置求解过程变成不等式约束条件下的方程最值解求解过程。常见的求解方法有库恩塔克条件求解法、拉格朗日乘子法等，但是由于蓝牙信号带有误差，因此方程解的极值解不一定为真实解。为了取得更好的求解效果，本发明利用PSO算法求解估算位置，具体为：

将几何坐标作为粒子状态，fc作为粒子的适应度函数 在限定范围内完成粒子群的初始化，并根据适度函数 计算每个粒子的适度值，更新个体最优值pbestj(t)和种群最优值gbest(t)：用pbestj(t)保存到第t次迭代时j粒子的适度值最小的位置，并比较所有pbestj(t)，将适应度最小的粒子的位置作为全局最优量保存在gbest(t)中。

其中，用如下粒子群优化算法进行速度和位置更新：

Xj(t+1)＝Xj(t)+Vj(t+1)

其中Vj(t)和Xj(t)分别表示第j个粒子在迭代次数为t时的速度和位置。

判断设定定位精度或者最大迭代是否满足，若满足条件，则输出此时的全局最优解gbest(t)作为估计位置输出，算法结束，否则返回步骤4，继续迭代过程。

图2所示，为本发明定位方法与已知几种定位方法的定位结果比较图，其中为5个实例的定位效果证明，每个实例都利用单独UWB定位、蓝牙定位、传统最小二乘方法定位和融合定位算法进行验证。从实例中可以看到蓝牙定位误差较大，UWB定位效果最好。在未融合的定位结果相比于蓝牙定位有所提升，但效果和UWB定位有较大差距。经过融合定位后定位结果误差量级达到UWB的定位量级，但是由于只使用一个UWB基站，定位成本大大降低。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

一种基于UWB和蓝牙技术的室内定位融合方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。