[发明专利]一种基于距离估计值筛选的最小二乘三维定位方法

摘要

一种基于距离估计值筛选的最小二乘三维定位方法，涉及高精度最小二乘三维定位方法。本发明是为了有效解决由于无线信号传播中的噪声和测量误差等不良影响，导致距离估计精度和三维定位精度较低的问题。本发明所述的一种基于距离估计值筛选的最小二乘三维定位方法，首先将三维定位空间划分为若干个大小相同的立方体，每个立方体的中心点作为一个特征点；然后采用双边对等测距方法获得未知节点与各个锚节点间的距离估计值；最后采用基于特征点的评估和反向考查策略，筛选出高质量的距离估计值以及对应的锚节点，并采用最小二乘定位方法，解算出高精度的定位结果。

主权项

1.一种基于距离估计值筛选的最小二乘三维定位方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：步骤一、基于距离估计值筛选的三维定位系统由m个锚节点、1个未知节点、1个通信节点和1个上位机组成，其中m为整数，且10≤m≤20，所有锚节点和未知节点都具有nanoLoc无线射频收发模块，采用双边对等方法来估计节点间距离，m个锚节点位置是固定的，它们的坐标分别为(X1，Y1，Z1)，(X2，Y2，Z2)，…，(Xj，Yj，Zj)，…，(Xm，Ym，Zm)，其中j表示锚节点的序号，j为整数，且1≤j≤m，未知节点可以部署到三维定位空间中的任意位置，其坐标待估计；通信节点与上位机连接，用于实现上位机与定位系统中锚节点和未知节点间的通信桥接功能，上位机中安装有定位软件客户端；步骤二、锚节点、未知节点、通信节点和上位机经过上电初始化后构建无线局域网络，在上位机一端，三维定位空间被按照长、宽、高等距切割为l、w、h份，其中l、w、h均为正整数，分别表示按照长、宽、高切割的份数，并且有4≤l≤10、4≤w≤10、4≤h≤10，三维定位空间被切割后形成n个大小相同的立方体，n的值如公式(1)所示，每个立方体的几何中心被设定为三维定位空间中的一个特征点，则特征点的数量也为n，三维定位空间中所有特征点的坐标都可以由锚节点坐标简单计算出来，将n个特征点坐标表示为(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，…，(xi，yi，zi)，…，(xn，yn，zn)，其中i表示特征点的序号，i为整数，且1≤i≤n；n＝l*w*h    (1)步骤三、上位机定位客户端启动定位任务，通过通信节点向未知节点发送定位请求数据包，未知节点收到定位请求数据包后通过其nanoLoc无线射频收发模块向所有锚节点发送测距请求数据包，锚节点收到测距请求数据包后采用双边对等测量方法对节点间距离进行估计，并将距离估计值反馈给未知节点，未知节点收到m个锚节点的距离估计值后将其打包发送到上位机客户端，其中，m个锚节点的距离估计值构成的序列表示为{D1,D2,...,Dj,...,Dm}，初始化i＝1；步骤四、根据公式(2)分别计算出第i个特征点(xi，yi，zi)与m个锚节点之间的距离，对应得到m个计算距离，将它们表示为计算距离序列{di1,di2,...,dij,...,dim}，其中，i为正整数，代表特征点的序号，且1≤i≤n，j表示锚节点的序号，j为整数，且1≤j≤m；步骤五、根据公式(3)分别计算第i个特征点(xi，yi，zi)到m个锚节点的计算距离dij与未知节点到m个锚节点的距离估计值序列Dj之间的绝对误差eij，将得到的m个绝对误差表示为绝对误差序列{ei1,ei2,...,eij,...,eim}；eij＝|dij‑Dj|    (3)步骤六、将步骤五中得到的关于第i个特征点的绝对误差序列{ei1,ei2,...,eij,...,eim}分别代入到公式(4)中，得到关于第i个特征点的绝对误差校正序列{Ei1,Ei2,...,Eij,...,Eim}；步骤七、将步骤六中得到的关于第i个特征点的绝对误差校正序列{Ei1,Ei2,...,Eij,...,Eim}代入到公式(5)中可以得到λi，λi被定义为第i个特征点的评估因子，它的值越大，代表第i个特征点的位置与未知节点的位置越接近；步骤八、令i＝i+1，判断i的值是否等于n+1，若i不等于n+1，则跳转执行步骤四；若i等于n+1，则执行步骤九；步骤九、经过以上步骤可以得到n个特征点的评估因子序列{λ1,λ2,...,λi,...,λn}，从评估因子序列中找出最大值λo，则它所对应的特征点(xo，yo，zo)为最优特征点，其中o为最优特征点编号，且1≤o≤n，在本发明中，最优特征点意味着根据现有已知条件，特征点(xo，yo，zo)为所有特征点中与未知节点位置最接近的那个；步骤十、以最优特征点代替未知节点来反向考查距离估计值的有效性，由公式(6)计算m个测量距离的相对误差，得到相对误差序列{ε1,ε2,...,εj,...,εm}，其中，doj代表最优特征点(xo,yo,zo)与第j个锚节点之间的计算距离，该数值已在步骤四中计算过；步骤十一、从相对误差序列{ε1,ε2,...,εj,...,εm}中选取数值最小的k个元素，它们所对应的距离估计值及锚节点坐标将参与到下一步定位运算中，其余m‑k个距离估计值及锚节点坐标将被舍弃，不参与定位运算，其中，正整数k表示选取距离估计值的数量，应根据实际情况设定，并且4≤kZ1,D_Z2,...,D_Zk}，对应的锚节点坐标为(X_Z1，Y_Z1，Z_Z1)，(X_Z2，Y_Z2，Z_Z2)，…(X_Zk，Y_Zk，Z_Zk)，应用最小二乘定位算法对未知节点坐标进行估计，如公式(7)所示，其中未知节点坐标为公式(7)中C为k×4阶矩阵，如公式(8)所示，公式(7)中D为k×1阶矩阵，如公式(9)所示，上位机将得到的定位结果显示到定位客户端；步骤十三、上位机根据用户指令判断是否已经完成定位任务，若已经完成，则执行步骤十四；若尚未完成，则跳转执行步骤三；步骤十四、结束整个定位流程。