[发明专利]基于路径规则和预测的室内人员定位系统及方法

权利要求书

1.一种基于路径规则和预测的室内人员定位系统，其特征在于所述的定位系统包括定位控制中心(1)、定位信息汇集设备(2)、参考节点设备(3)、未知节点设备(4)，所述的定位控制中心(1)通过因特网或USB与所述的信息汇集设备(2)连接，并通过所述的信息汇集设备(2)以无线通信方式与所述的参考节点设备(3)进行连接，所述的参考节点设备(3)通过无线通信与所述的未知节点设备(4)连接；

所述的定位控制中心(1)为装载有计算机程序的定位环境地图设置模块、定位路径设置模块、定位修正点设置模块、定位信息处理模块和数据库管理模块的PC机，所述PC机中各个计算机程序模块完成的功能如下：

1）所述定位环境地图设置模块的功能为：通过程序，将定位环境以图片的形式，直观的显示在用户面前，图片相当于定位环境的平面地图，所有的所述的参考节点设备(3)、所述的未知节点设备(4)都显示在地图中对应的位置，方便用户实时了解定位情况，所述的定位环境地图设置模块的实现方法为：首先，通过绘图软件制作环境的平面地图，即图片，格式为jpg、bmp、png；然后，将该图片加载到本系统的安装目录下，供所述的定位环境地图设置模块调用；其次，根据地图尺寸与实际尺寸的比例关系设置比例尺；再次，将所述的参考节点设备(3)在实际中的位置对应标示在地图相应的位置，方便用户直观了解节点布局；最后，将定位算法计算的结果显示在地图中，这样，用户能很直观的了解定位的情况；

2）所述的定位路径设置模块的功能为：通过程序，设置人或者物体在室内的运动路径，对定位结果进行约束，并直观的显示在定位后台界面的地图上，在所述的定位环境地图设置模块实施完成以后，通过程序，输入路径关键点，来表示这条路径，室内的任何路径都能分解成多段直线段的组合，当为曲线段路径时，用多段直线段的组合来表示，所述的定位路径设置模块的实现方法为：首先，根据实际室内建筑格局，选择一条路径，其次，在地图对应位置设置该路径的起点和终点，即：在系统中输入起点的坐标和终点的坐标就能完成这条直线段路径的设置，最后，定位路径设置模型通过程序，根据输入的起点和终点坐标生成该条路径的路径函数，以用于定位，提高定位精度；

3）所述的定位修正点设置模块的功能为：通过程序，对定位结果进行修正，提高定位精度，所述的定位修正点设置模块的实现方法为：首先，在地图与路径设置完成以后，在各个路径的拐点处和各个房间的中心位置，设置关键点，设置方法为输入该点的坐标，其次，在实际环境中，在与各个关键点对应的位置进行采样，即采集各个所述的参考节点设备(3)的RSSI值，建立修正点匹配库，修正点匹配库的建立方法在本发明中定位方法部分中有所阐述，最后，设置修正门限值；

4）所述的定位信息处理模块的功能为：通过程序，将所述的定位信息汇集设备(2)上传上来的数据进行解析、分析、与计算，根据系统约定的协议，解析数据包，提取与定位计算有用的相关数据，利用本发明提供的定位方法，分析数据，计算并输出定位结果；

5）所述的数据库管理模块的功能为：通过程序，存储和读写已构造的路径函数及相关信息、已设置的定位修正点及相关信息及一段时间内的定位结果数据；

所述的定位控制中心(1)通过所述的定位信息汇集设备(2)，以无线通信方式与所述的参考节点设备(3)进行信息交互；

所述的定位信息汇集设备(2)为无线通信设备，用来收集各个所述的参考节点设备(3)上传的定位信息，并将该信息转发给所述的定位控制中心(1)的中转设备，所述定位信息汇集设备(2)设备能够与所述的参考节点设备(3)进行2.4GHz，即2.405GHz-2.485GHz无线通信，并以因特网或USB形式与所述的定位控制中心(1)进行信息交换；

所述的参考节点设备(3)为具有RSSI测距功能的设备，所述的参考节点设备(3)的数量与定位区域的面积相关，一般每个房间的数量为3~8个，分别装设在定位环境内反映室内建筑格局特点的各处，作为定位的已知的固定坐标点，每个所述的参考节点设备(3)分别以无线通信方式，分别与所述的定位信息汇集设备(2)和所述的未知节点设备(4)进行信息交互，确保对定位环境中的人或物体进行准确定位；

所述的未知节点设备(4)为与定位目标绑定在一起的能够周期性广播RSSI信号的设备，作为所述的未知坐标点，所述的未知节点设备(4)数量与被定位目标数量一致，但最多不超过1000个，所述的未知节点设备(4)的作用是用来反映人或物体的位置，每个所述的未知节点设备(4)分别通过无线通信，与每个所述的参考节点设备(3)进行信息交互，用以对定位目标进行定位，确保定位的准确性。

2.一种基于路径规划和预测的室内人员定位方法，利用PC机和权利要求1所述的定位系统，通过程序，进行室内人员和物体的定位，其特征在于所述方法的具体步骤如下：

(1)系统准备

1）系统定位环境构建

将各所述的参考节点设备(3)布置在定位环境中，布置后任意时刻都有三个及以上所述的参考节点与所述的未知节点设备(4)进行通信，即通过将所述的未知节点设备(4)放在环境中，发送数据包进行测试，满足能够与三个以上的所述的参考节点设备(3)通信，通过构建满足通信要求的定位环境，使系统在定位过程中能够正常的进行信息交换和传输，最后才能将信息传到PC机中，供定位计算使用；

2）定位环境地图构造

第(1)-1)步完成后，按照实际定位环境中各个对象的比例关系，画出实际定位环境的图片表示形式，并将图片导入系统中，构建定位时所需要的地图界面，通过定位环境地图构造，将实际定位环境直观的反映到PC机定位界面中，便于人机交互；

3）路径函数库构造

第(1)-2)步完成后，根据室内建筑格局对人在室内运动的限制特点，对人的运动路径进行规则，建立如下路径函数：

                                                      (1)

式中，X，Y分别为定位区域的两个正交方向上的最大定位范围，f_m(x,y)为第m段路径的函数表示形式，即简称该段的路径子函数，各段路径子函数的集合构成人员在整个定位环境中应该遵循的路径函数F(x,y)，根据实际应用中大多数室内格局的路径特点，定义路径子函数的类型为直线段，当实际中的路径是曲线段时，则用分段的几段直线段来表示，直线段f(x,y)的确定为：设置该直线段的起点（x_a,y_a）和终点(x_b,y_b)，生成该直线段，其方程为：

                                   (2)

路径函数库的构建有两个功能：一是构建的路径函数用于定位计算，使定位计算的结果不会偏离得太远；二是对定位计算结果的显示起一定的约束作用，使定位计算的结果在界面上的显示更加能够反映目标的运动轨迹；

 （4）修正点匹配库的建立

第(1)-3)步完成后，修正点匹配库的建立方法如下：

首选，确定关键点，即：按照所述定位系统中定位关键点的确定方法，在实际环境中找出对应关键点的位置；

然后，采集RSSI，即接收信号强度指示值，即：将所述的未知节点设备(4)放在该关键点所对应的位置处，采集所述的未知节点设备(4)到各所述的参考节点设备(3)的RSSI值；

再次，滤波，即：采集的RSSI值进行卡尔曼滤波，将滤波结果作为所述的未知节点设备(4)与所述的参考节点设备(3)对应用匹配库所需要的RSSI值，此步完成后，则一个修正点的匹配数据建立完成；

最后，对所有关键点建立修正点匹配库，即重复‘确定关键点，采集RSSI值，滤波’这个过程，直到对环境中所有关键点都建立修正库为止；

最终，修正点匹配库的数据组成为：

对关键点K：{x,y,RS(i)}，x，y为该关键点在该定位环境中的实际位置坐标，RS(i)为该关键点与第i个所述的参考节点设备(3)之间的RSSI值；

通过建立修正点匹配，避免在定位过程中产生的累积误差，对由累积误差而产生的定位错误计算起到一定的修正作用；

(2)系统运行

在(1)完成以后，当系统运行时，对目标的定位过程为：

1）网络初始化/启动

网络初始化包括启动网络中各个设备，即所述的参考节点设备(3)、所述的未知节点设备(4)、所述的信息汇集设备(2)及PC机对应的定位程序，网络初始化还包括网络数据包广播、网络相关参数初始化， 即设置RSSI滤波门限r、 定位时刻k初始化、 路径函数上的位置S_k-1、S_k、人的运行速度v_k初始化、第k时刻人遵守的路径的初始化为f_m(x₀,y₀)；

2）解析数据包

在第 (2)-1) 步完成后，根据事先约定好的协议，解析所述的定位信息汇集设备(2)上传来的数据包，从中提出RSSI值，定位周期要求小于1s，且要求每次定位时至少上传100组RSSI值，并将这100组数据进行打包，上传到所述的定位控制中心(1)，供其解析；

3）RSSI滤波

在第 (2)-2) 步完成后，用均值滤波法对其进行滤波：先求平均，设置滤波门限，去掉超过门限的RSSI值，将剩下的再求均值，直到满足门限要求为止，具体步骤为：

首先，求滤波后的RSSI的平均值，式中，n为RSSI的总数，其取值为100，RSSI_i为第i (i≤100)个RSSI值，然后计算第i个RSSI值与R₀的差的绝对值R=|RSSI_i-R₀|，最后，判断R是否超过门限r，当R超过门限r时，则去掉第i个RSSI值，将剩下的RSSI值再求平均值，返回第一步，当R没有超过门限r时，则滤波结束，输出滤波结果R₀；

4）RSSI测距计算

在第 (2)-3) 步完成后，按照如下公式(3)，将滤波后的RSSI值转换成对应的距离值，

                                       (3)

式中，RSSI(d)为离发射源d处的RSSI强度值，单位dbm；RSSI(d₀)为参考距离d₀处的RSSI强度值，单位dbm；λ为路径衰减指数，反映环境对测距的影响程度；为均值为0，标准差为σ的高斯分布；

5）多边定位计算

在第 (2)-4) 步完成后，就得到所述的未知节点设备(4)与其邻居的所述的参考节点设备(3)之间的距离关系，然后通过以下计算方法初步计算所述的未知节点设备(4)的位置；

假设对于某个所述的未知节点设备(4)，其邻居的所述的参考节点设备(3)分别为N₁(x₁,y₁),N₂(x₂,y₂), N₃(x₃,y₃),…, N_t(x_t,y_t)}，t为能够用于定位的邻居的所述的参考节点设备(3)的总数，对应的RSSI距离分别为{d₁,d₂,…,d_t}，则该所述的未知节点设备(4)的坐标（x,y）由方程AX=b解得，其中，

                  (4)

式中，z=x²+y², 由最小二乘法解得，从而得到所述的未知节点设备(4)的初步位置为；

 6）第k+1时刻位置预测

在第 (2)-5) 步完成后，假设第k时刻定位最终结果为，在路径函数F(x,y)上的最近投影点为S_k，即F(x,y)上到距离最近的点，定位最终结果构成的序列 ，其在路径函数F(x,y)上对应的投影点序列为{S₁，S₂，…，S_i}，则在已知第k-1、k时刻的相关信息后，对第k+1时刻的预测为：

①计算k时刻到k+1时刻的人运行的路程S=v_k*ΔT=S_<Sk-1,Sk>，式中，S和S_<Sk-1,Sk>相等且都表示路径函数F(x,y)上k-1时刻对应的点S_k-1到第k时刻对应的点S_k的最短路程，v_k为k时间的速度大小，ΔT为定位周期；

②判断k+1时刻人运行遵守的路径

在第 (2)-6)-① 步完成后，假设第k时刻S_k所属的路径子函数为f_Sk(x,y)，在已知k时刻F(x,y)上对应S_k的坐标和速度v_k以后，根据路径子函数之间的相互关系判断第k+1时刻人遵守的路径子函数，具体判断如下：

首先，找出F(x,y)上与路径子函数f_Sk(x,y)相交的其它路径子函数的集合

f_C = {f_c1(x,y)，f_c2(x,y)，…，f_cn(x,y) }                                  (5)

然后，分别求f_C中各路径子函数与f_Sk(x,y)的交点，最后形成交点的集合C={C₁，C₂…C_n}，

其次，分别求S_k到各交点C₁，C₂，…，C_n的路程S_<Sk,Cr>，S_<Sk,Cr>的具体求法为：

                                                   (6)

式中，C_r(1≤r≤n)为C中任意一点，求得S_k到各交点C₁，C₂，…，C_n的路程分别为{ S_<Sk,C1>，S_<Sk,C2>，…，S_<Sk,Cn>}；

最后，求k+1时刻人运行的路径

当满足条件时S_<Sk,Cr><S时，则认为C_r所在的路径子函数f_Cr(x,y)为下一路径子函数，从而确定出人第k+1时刻运行路径对应的路径子函数的集合为 f '_C={ f_Sk(x,y)，f '_C1，f '_C2，…f '_Cn }，知m≤n；

③求k+1时刻人到达的点的位置

在第 (2)-6)-② 步完成后，根据路径函数对人的约束及人运动速度的限制，预测出人第k+1时刻的位置，满足该条件的位置的集合为：f '_C上到点S_k的距离为S的点的集合，以S_k为原点，计算当路径子函数属于f '_C时，满足路程为S的点的集合，即满足如下方程的点：

                                                (7)

式中，，M_k+1为f_Mk+1(x,y)为中某一函数时满足路程为S的点，从而到第k+1时刻人的预测结果的位置集合M_k+1={M₁，M₂，…}

④计算k+1时刻预测结果

在第 (2)-6)-③ 步完成后，在得到集合M_k+1后，选择M_k+1中离第k+1次定位算法计算结果最近的一点作为最终预测结果，即满足如下条件： 

                                                    (8)

 7）多方法进行加权，求最终定位结果

在第 (2)-1)~ (2)-6)步完成后，在求得和以后，最后的定位结果由以下公式确定：

              (9)

权值w确定的条件如下：

    当时， ，否则，w=1，

式中，v_max为人的最大运动速度，为S_k到的路程，ΔT为定位周期，为k+1时刻预测结果到定位结果之间的距离；

权值的确定条件如下：

当满足修正点匹配条件时，，否则，，为满足修正点匹配条件时该修正点的坐标，本发明中，确定修正点的匹配条件为：

                                                             (10)

 式中，RSSI_i为定位过程中，所述的未知节点设备(4)与第i(i≤n)个所述的参考节点设备(3)之间的RSSI观测值；R(i)为修正库中对应所述的未知节点设备(4)与第i个所述的参考节点设备(3)之间的RSSI值， 为匹配门限，反映RSSI观测值与该点实际滤波后的RSSI值之间偏差情况，一般情况下，不同硬件设备，对应的门限有所不同，推荐的门限范围为1~3，当有多个修正点满足该条件时，则选择满足D值最小的修正点作为最终修正结果，D的求法如下：

                                                                        (11)

式中，；

 8）预测中各量的更新

在第(2)-7)步完成后，对算法中各量进行更新，以用于下一次定位：

首先， 路径子函数的更新，即：为路径子函数上的点，将 作为k+1时刻，定位完成后，定位点所遵守的路径函数,

然后，路径函数上位置的更新S_k+1，即：将上离的最近点作为S_k+1的更新位置，则确定S_k+1满足的条件如下：，S_min为上的点；

最后，速度更新，即：确定速度v_k+1的更新规则为 ：

                                                          (12)

式中，<S_k+1 - S_k>为路径函数上S_k到S_k+1之间的路程，采用公式(7)求得。