[发明专利]NLOS环境下基于改进粒子滤波的室内定位行人方法

摘要

本发明公开了一种NLOS环境下基于改进粒子滤波的室内行人定位方法，本方法的硬件配置有移动节点、参考节点以及无线传感器网关，移动节点负责与参考节点通信，获取参考节点的RSSI值，并将RSSI值经网关传输到上位机进行处理，移动节点包含具有三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计的九轴惯性导航模块，用于做行人航位推算算法；通过RSSI定位估计移动节点的位置，通过惯性导航获取移动节点的方向与加速度信息，估计移动节点的位置，采用粒子滤波融合RSSI定位和惯性导航以得到移动节点室内定位的坐标。本方法采用对非高斯非线性环境具有更好滤波效果的粒子滤波方式对信道损耗模型进行融合，使在NLOS环境下仍能进行准确定位，提高定位精度。

主权项

1.一种NLOS环境下基于改进粒子滤波的室内行人定位方法，其特征在于本方法包括如下步骤：步骤一、室内行人定位包含行人携带的移动节点、参考节点以及无线传感器网关，其中移动节点负责与参考节点通信，获取参考节点的RSSI值，并将RSSI值经网关传输到上位机进行处理，移动节点包含具有三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计的九轴惯性导航模块，用于行人的航位推算；步骤二、RSSI定位：基于RSSI定位理论和测试的传播模型，无论室外或室内信道，平均接收功率随距离的对数衰减，RSSI与距离的表达式如下：P(d)＝P(d0)‑10ηlog10(d/d0)+Xσ   (1)其中，η为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率；d0为近地参考距离；d为发送接收距离；P(d)和p(d0)分别为当距离为d和d0时的接收信号强度，其单位为分贝毫瓦(dBm)；Xσ为零均值高斯分布随机变量N(0，σ)；步骤三、根据式(1)推导出参考节点与移动节点之间的距离d，其中，路径损耗指数η受周围环境的影响，通常在室外环境中为2～4，而在复杂的室内环境中则在步骤四、假设在室内环境中布置有N个参考节点，并将第一个参考节点的坐标设为参考点(x₁，y₁，z₁)，任意参考节点i(1≤i≤N)到移动节点(x，y，z_*)距离的平方用表示，公式如下：其中，xi、yi、zi为第i个参考节点的坐标，根据式(3)，当参考节点i≠1时，将其与参考点相减，得到下式：将式(4)写成以下矩阵的形式：由于移动节点的高度不变，即z_*不变，因此式中各符号的具体含义如下：为移动节点的估计位置，采用最小二乘法的解可由下列式子求出：X＝(HTH)‑1HTb   (8)其中，符号T表示矩阵H的转置矩阵；步骤五、惯性导航：利用移动节点的九轴惯性导航模块采集数据，采用步长与步数的乘积获得移动节点的位置，式中，xt、yt为t时刻移动节点在X和Y坐标系下的坐标，xt+1、yt+1为t+1时刻移动节点在X和Y坐标系下的坐标，SLt为t时刻的步长，θt为t时刻移动节点的航向角；步骤六、步数检测，采用峰值检测的方式进行步数检测，通常检测的步数大于实际步数，因此定义一个步数检测峰值参数ΔTn，ΔTn为峰值之间的时间间隔，如果在ΔTn内出现多于两个峰值，则将第一个峰值作为行人的一步并作为后续步长估计的加速度值，而忽略其他峰值；步骤七、步长估计，步长应用如下经验公式进行估计，SL＝K×(Amax‑Amin)(1/4)   (10)其中，Amax和AminAmin是在单步中的最大和最小垂直加速度，K是常数并通过步行训练得到；步骤八、行人航向角通过九轴惯性导航模块的三轴磁力计获得；步骤九、采用粒子滤波融合RSSI定位和惯性导航以得到移动节点的位置，假设已知移动节点的初始状态(x₀，y₀)，将粒子结构设计为粒子数N＝100，权重为1/N，每个粒子代表一个可能的移动节点位置；步骤十、将粒子结构代入到式(9)中进行更新，为验证粒子的合理性，需要将各粒子与观测量进行对比，即将各粒子所代表的可能移动节点位置信息与由式(8)求出的观测位置进行比较，越接近观测值的粒子所获得的权重越大，反之则越小，假设由式(8)求出的移动节点位置为(a，b)，则粒子的权重如下式：式中，k为常数，M为足够大的常数，归一化权值为：步骤十一、确定移动节点位置，根据粒子更新和各粒子的权重，则移动节点的位置根据各粒子的加权和进行求解，即：从而得到移动节点室内定位的坐标。