[发明专利]一种基于非线性几何约束优化的多目标室内定位方法

说明书

本发明公开了一种基于非线性几何约束优化的多目标室内定位方法，通过在同一待定位物体上布置多个待定位标签，获得关于智能体的准确先验信息，借助引入的精确冗余信息，将这些信息作为优化问题的约束，从而提升定位系统在测距有噪声情况下智能体的定位精度。

技术领域

本发明属于无线传感器定位技术领域，具体涉及一种基于非线性几何约束优化的多目标室内定位方法。

背景技术

定位技术作为智能化的重要体现之一，也是机器人是否智能的直观表现之一，在智能体机器人系统、物联网技术、智能工业系统中都起到了不可忽略的作用。快速且精准的定位是智能系统的基础与前提，各类智能系统需要掌握自身的实时准确位置，才能进行高效的决策以期完成特定的任务。并且，多数智能系统主要应用于家庭服务、工厂物流、商业服务等室内场合。不同空旷的室外环境，室内环境下面积相对较小，且存在走廊、过道等结构化环境，这就导致了室内定位系统在精度方面有比室外定位更高的要求。目前最广泛应用的定位系统是GPS全球定位系统，但是普通GPS的定位精度难以满足室内场景的要求。另外，由于GPS信号的物理局限性，导致室内环境难以接收到GPS信号。因此，用于智能系统的高精度室内定位技术就成了当下研究的热点问题之一。

超宽带信号解决了很多无线电技术存在的信道衰落后不敏感、发射信号功率谱密度低的问题，完成了人们对高速、短距离的无线通讯要求。同时由于超宽带技术独特的调制方式和多址技术，UWB信号具有隐蔽性号、抗多径效应强、抗窄带干扰能力强、传输速率高、系统容量大、穿透能力强、功耗低、系统复杂度低等一系列优点，而且可以充分利用频谱资源，很好地解决了频谱资源拥挤不堪的问题。UWB设备的另一大优势在于其具有较低的平均发射功率，因此UWB室内定位系统在工作时不会对其他的无线通信系统产生干扰，这对室内环境而言是十分有意义的。通过对超宽带技术的研究和特点分析，可以发现UWB技术用于室内定位相比其他技术具有不可替代的优势，尤其适合室内高精度定位。使用UWB技术进行室内定位时，通常是采用基于测距的定位算法。目前的测距侧向方法包括基于信号飞行时间法(TOA)、基于到达时间差法(TDOA)、基于到达角度定位法(AOA)以及基于接收信号强度定位法(RSS)。

目前不论采用哪种基于定位方案，大多都是利用锚点的位置信息以及锚点和标签之间的测距信息解算标签的测距信息。然而，对于多智能体系统的协同定位而言，这种方式会导致很多已知的先验信息丢失和浪费。例如智能体间的距离、智能体的高度、以及其不可能出现的位置等。如果能够将这些未利用的准确信息加入定位过程，则可以获得更高的定位精度和更强的抗扰能力。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于非线性几何约束优化的多目标室内定位方法，能够根据标签之间构成的几何结构求得目标的精确位置。

本发明提供的一种基于非线性几何约束优化的多目标室内定位方法，包括以下步骤：

在待定位的目标上设置多个标签，将多个标签的定位问题转换为带非线性几何约束的优化问题；计算出各标签的初始位置，所述初始位置作为所述优化问题的初始值；根据初始值求解所述优化问题得到各标签的确定位置，根据所述确定位置定位目标。

进一步地，所述方法还包括采用如下公式将单个标签的定位问题转换为优化问题进行求解：

其中，为锚点的坐标，j为锚点的编号，1≤j≤m，m为锚点的数量；为待定位标签的坐标，i为标签的编号，n为标签的数量，1≤i≤n；的取值为：

式中，表示锚点和标签的测距值。

进一步地，所述将多个标签的定位问题转换为带非线性几何约束的优化问题，具体包括以下步骤：

当所述多个标签之间形成固定形状时，对于给定了标签p_i和p_l间的距离信息其中，l为标签的编号，1≤l≤n，则所述带非线性几何约束的优化问题如下式所示：