采用分层结构的WSN室内三维定位算法的研究和设计

节点定位是无线传感器网络的应用基础和重要支撑技术之一.目前对于节点定位已有大量的研究成果,但面向室内三维定位的研究尚少,也没有推出有效的定位算法.本研究在考虑建筑物中节点按水平分层分布的特点及非高精度三维定位无法解决楼层判定问题后,提出一种分层结构的定位思想,即给节点预设楼层参数,通过投影测距算法利用节点间的投影距离进行三边定位从而降低网络拓扑对算法的影响,而且使三维定位从至少需要4个信标节点减少到3个.仿真结果表明,该算法比DV-Hop算法的定位精度的定位覆盖率都高,并且在信标节点比例较低及网络稀疏的情况下表现出较好的鲁棒性和稳定性.

基于多传感器的室内三维定位算法研究

针对消防员在日常救援过程中难以准确获知自身位置坐标的问题,采用姿态传感器和气压计,提出一种室内三维定位算法(ITPA)。在ITPA算法中,根据加速度的幅值均方根、加速度的幅值方差和角速度的幅值均方根,实现过零监测,从而获知消防员的行走步数。根据气压计的数据,采用高度获取,卡尔曼滤波和异常数据处理等操作,获知消防员的高度,并判断其移动行为。通过二维移动距离计算和位置获取操作获知二维坐标。根据消防员的行为对其三维坐标观测值进行修正,并采用Kalman融合算法估计消防员的当前三维位置坐标。实验结果表明:在直行行走、楼梯行走和综合行走下,ITPA算法都能获得较接近真实路线的消防员室内三维位置,降低了算法的步数误差、距离误差和漂移误差,比FINS,IPNS和IPA3D算法更优。

多传感器融合的手机室内三维定位试验

以智能手机为用户端平台,利用行人航迹推算(pedestrian dead reckoning,PDR)改进算法和气压测高原理设计了三维多传感器融合定位的扩展卡尔曼滤波器,基于Android操作系统开发了手机传感器融合的室内三维定位程序。最后,利用中国矿业大学室内外无缝定位试验场进行了定位算法性能评估。结果表明,三维融合定位方法能有效抑制漂移误差,定位精度和可靠性能够满足室内应用环境的要求,且定位精度优于WiFi方法和常规PDR方法。

基于自适应场景系数的室内三维定位模型

基于无线通信基站的室内三维定位的最小二乘迭代模型经常出现迭代发散的问题,从而导致定位失败,通过对比由该模型计算的迭代初值与终端坐标准确值,推断失败原因是由于迭代初值误差过大导致后续迭代发散。提出基于自适应场景系数的室内三维定位模型,使用改进后的模型再次分析试验数据,求解的初始值与迭代值都非常接近准确值。最后通过误差分析,该模型的定位精度可达0.5m,场景内的相对误差小于0.2%。

基于无线通信基站的室内三维定位问题研究

基于地理位置信息的商业服务具有巨大的商业价值和市场潜力,而目前定位服务主要针对于室外场景的定位,包括诸如GPS导航,微信,滴滴等一系列应用软件,然而,随着无线通信网络和移动互联网的发展,基于无线通信基站的室内三维定位将具有重要意义.利用2016年全国研究生数学建模竞赛所给测试数据,采用将多维搜索简化为分步一维搜索方法,将非线性方程组的最小二乘问题转化为线性方程组的最小二乘问题,在全域内搜索转化为在窄域内搜索等技术,在获取终端坐标以及移动轨迹方面取得了满意结果.

改进型神经网络在室内三维定位中的应用研究

针对室内复杂环境下无线信号反射、折射、多径效应、噪声等干扰,传统的对数距离路径损耗模型无法精确求出信号接收距离d的问题进行研究,提出一种改进的多策略粒子群神经网络模型。该网络采用反向学习策略、混沌惯性权重策略以及扰动策略对神经网络的拓扑结构和连接权值阈值进行优化,从而捕获Wi-Fi信号接收强度RSSI与接收距离d之间的非线性关系,然后结合修正的三维加权交点质心算法求解出未知节点坐标。实验结果表明,对比BP神经网络和遗传神经网络,该网络对RSSI-d的拟合曲线更光滑,拟合结果更加接近于真实值,对比定位精度分别提高了79%和73%,网络定位误差更低,抗干扰能力更强。

多传感器融合在无人机室内三维定位中的应用

基于超宽带(Ultra Wide Band,UWB)技术,可以解决无人机的室内定位问题,但定位精度还不够高。针对上述情况,提出了基于无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filtering,UKF)的UWB定位技术和惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU),以及光流传感器相融合的内外环室内定位方法,以基于IMU测得的姿态控制为内环,UWB、光流测得的位置控制为外环,利用UWB在视距情况下得到的精确位置信息来修正IMU的累积误差,同时在非视距情况下,用IMU的短时精确位置信息对UWB的定位误差进行补偿,提高定位精度。最后设计了实物仿真平台。实验结果表明,上述室内定位方法实际定位精度小于10 cm,导航误差为0.7%,且能快速地进入稳定状态,满足无人机室内定位的需求,同时极大地改善了原有设备的定位精度。

室内三维定位分类、方法、技术综述

室内三维技术是辅助室内人员快速定位导航、商业人员对室内业务统计分析决策、应急救援力量快速实施救援的重要手段。近年来,室外定位、导航、路径规划、可视化分析等技术已发展成熟,而室内位置服务需求(定位、导航、路径规划)正处于初始发展阶段。为快速推进室内三维技术发展,本文对目前市面上应用集中的几种室内三维定位技术方法进行了归纳和探讨,介绍了从不同角度对室内三维定位进行分类,各定位技术的原理和方法,以及基于室内三维原理与方法衍生出的主流室内定位技术,对比分析各定位技术的优缺点及在室内三维中的应用,总结了目前室内三维定位技术存在的问题与未来的研究方向。

基于射频技术的室内三维定位技术研究

无线定位技术在实际的应用获得了越来越多的社会关注,各项科研人员都对室内定位技术的广泛运用产生了强烈的兴趣;RFID有着非常多的优点,包括了非视距、精度高、费用低以及传输范围广;从当前的发展来看,RFID二维定位方法正在逐步向完善性与成熟性演变,然而以三维空间为分析对象的研究进展依旧不能符合当前发展与行业应用条件;通过3D-LANDMARC定位分析模型和相关技术的分析为基础,要保持同样的系统设备工作运转情况下,提升了实际定位过程中优化实现系统定位的性能。

基于白光LED的室内行走目标三维定位方法

为了解决现有可见光室内动态目标定位方法中出现的阴影遮蔽、保密性差、光源能耗量大且相互干扰等实际问题,提高定位精度,提出一种基于白光LED的室内行走目标定位方法。分析了室内行走特点,建立基于固定的复眼接收器、SiO_2透明地板和光束位移的定位模型,对两处最优复眼透镜进行虚拟直射变换,实现行走目标的三维定位。该方法仅用单一LED发射器即可精确定位,节省了大量能耗。同时,有效缩短了光束传播距离,提高了光功率,具有良好的保密性和泛化性。实验表明:动态目标定位方法监测位置误差率能够限制在3.5%以内;当对5个以上行走目标定位时,若相邻接收器间距与接收器覆盖半径相等,则定位精度最高。

基于最小三角形算法的室内可见光三维定位方法

为进一步提高室内可见光三维定位的精度,提出了一种基于最小三角形算法的室内可见光三维定位方法。该方法采用视距链路模型,由定位终端接收携带发光二极管位置信息的光强信号,利用最小三角形算法和接收信号强度指示方法来计算接收机在室内的三维位置信息,再引入加权质心算法降低光路受遮挡所造成的影响。仿真结果表明:在室内5 m×5 m×3 m的定位区域内,提出的定位方法平均定位误差约为4.35 cm,平均高度误差约为1.65 cm,定位精度优于传统的室内可见光三维定位方法。

基于无线通信基站的室内三维定位问题

主要研究基于无线通信网络的三维定位问题.考虑无线电信号的到达时间(TOA)主要受非视距(NLOS)传播等因素影响产生误差,建立的修正最小二乘三维定位模型,能够在任意场景实现准确的室内三维定位.利用基站的空间分布信息,提出基于谱聚类的最优基站选择策略.方法可以利用最少7个基站就能完成终端的精确定位,并且算法复杂度低、收敛速度快,对噪声具有较好的鲁棒性,具有较高的实际应用价值.

一种基于校正无线电传播时间的室内三维定位模型

对室内终端进行基于无线通信基站的三维定位时,由于无线电在传播过程中,存在建筑物或树木遮挡、反射、折射等物理现象,导致基站到终端传播时间的测量值与精确值之间存在误差.为了减少上述误差对定位精度的影响,运用无线定位原理建立了一种基于校正无线电传播时间的改进的室内三维定位模型.通过对2016年全国研究生数学建模问题C题所提供的不同场景的数据分析,发现基站与终端无线电传播时间的测量值与其精确值之间存在线性关系,而且同一场景下近似有相同的线性关系,场景不同线性关系一般不同.基于这一现象,对基本的定位模型进行了合理的修正形成了改进的定位模型,数值实验表明改进的定位模型有很好的定位精度和鲁棒性.

基于额外测高的室内可见光通信三维定位算法

以可见光通信为例,研究其应用于室内的三维定位算法.针对目前该领域定位算法存在泛用性较差、接收角模型对实际情况拟合不佳的问题,提出一种引入测高模块,并以二阶巴特沃斯滤波器作为接收模型的室内三维定位算法.并对测高精度进行了误差分析.仿真结果表明,基于该算法的室内三维定位在5.0 m×5.0 m×3.0 m的实验环境下平均误差为4.3 cm,可以解决室内三维定位不佳的问题.

基于特征光源的三维室内定位技术

针对当前室内定位技术精度低、局限大、缺乏高度信息和抗干扰性差等问题,以特征光源为固定单元,球形采光装置为移动单元,基于对光信号的角度测定建立模型实现三维室内定位.球面采光模式突破了传统平面采光对光源位置的限制,实现了360°全方位采光,能够获得包含高度在内的三维位置信息;基于光的粒子性的定位方式避免了由于光的波动性引起的伪光源干扰,阵列化布局和优化算法提高了定位精度.Matlab仿真结果、实物实验结果及精度分析证实,利用常规的LED光源、光纤和光传感器,该定位技术能够在3m高的房间内达到0.03m左右的定位精度,实现了低成本下的高精度三维室内定位.

基于WLAN的三维室内定位机制的AP信号特性研究

现有GPS定位技术在室外环境中已经满足了移动终端的定位需求,但其在室内环境中基本失效。并且多数室内定位方案只针对室内一块较小的区域或局限于二维平面上,不利于推广并集成到室内地图或导航应用中。因此,基于各种无线技术如红外、蓝牙、超宽带、无线射频等室内定位技术纷纷被提出,其中,基于WLAN的室内定位技术因其具有高性价比优势而备受广泛关注。但是目前关于AP接收信号强度的特性缺乏系统性研究,无法满足具体室内定位环境所需要的AP特征,不能保证室内定位机制的正确性和合理性。因此,文章对AP附近产生的接收信号强度特性进行了深入研究,具体探讨了RSS随时间变化的正态分布性、稳定性及可探测性,并对可能干扰RSS的因素进行了分析和研究。基于以上研究结论,文章又对实际室内定位环境中基于概率型的位置指纹法适用性进行了讨论。

基于无线信号K-M模型的三维室内定位算法研究

针对无线信号在室内环境中易受到干扰、波动较大等问题,提出一种改进粒子群优化RBF神经网络的无线信号K-M传播测距模型。利用RBF的非线性特性模拟室内传播的复杂性,以信号接入节点(AP)发射功率、路径损耗因子、未知节点(RP)接收信号强度值RSS等构建模型,预测输出AP与RP之间的距离d。以d为半径,AP为球心,建立多个球体方程,采用极大似然(MLE)采样方程组与RSS-d加权质心混合定位算法,粗略估算未知节点位置信息,再利用加权质心法来进一步提高RP的定位精度。通过MATLAB实验仿真表明,与常见的优化算法对比,该模型预测距离误差更小,平均距离误差为1.3 m;RP的三轴坐标平均误差分别为x轴1.55 m、y轴1.48 m、z轴0.98 m,表明该模型提高了定位精度。

利用惯性测量元件进行三维定位的系统设计

针对消防室内定位技术的需求,搭建了基于惯性测量元件的室内三维定位系统。首先,利用微机电系统(MEMS)惯性传感器获取行人运动过程中的必要参数。然后基于行人航迹推算(PDR)算法,实时计算出行人行走的步数和步长;通过气压传感器实时采集行人所处位置的高度。最后,利用无线数传模块结合服务器端处理,实现行人的室内三维定位。测试表明:系统在正常行走的情况下,可以满足行人的室内三维定位要求。

三维RFID迭代定位算法研究

基于RFID的LANDMARC算法是最为常见的室内定位算法。本文首先在三维定位空间内对LANDMARC算法进行分析,针对其定位过程中根据信号强度的欧几里得距离选择参考标签容易出现选取问题标签的情况,提出基于三维空间下的迭代定位算法I-LANDMARC。算法首先采用LANDMARC实现首次三维定位,通过首次定位结果得到的待定位标签概略位置去除问题参考标签,再通过"距离-损耗"公式,利用标签的信号能量差值进行精确定位。能够将定位精度提高到参考标签间隔的20%左右,相比于传统LANDMARC算法定位精度为间隔的50%左右精度提高了一倍以上,而且定位误差均方根更低,定位误差分布更为均衡。

基于MIMU的三维位置估计

目前提供给用户的空间数据以二维形式展示的居多,为了满足人们对定位导航技术多维度的需求,基于此开发了一套室内三维定位系统。该系统通过集成气压高度计,加速度计,陀螺仪和磁强计来实现室内的三维定位,首先采用行人航迹推算算法(PDR),计算行人行走的步数、步长及航向,其次利用高度计测量行人的高度信息,最后通过实验验证了室内三维位置定位的正确性和可行性,从而为今后的室内三维定位技术发展提供了进一步的依据。