一種基於半定規劃的聲陣列網絡自定位方法
2023-10-16 18:35:09
一種基於半定規劃的聲陣列網絡自定位方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於半定規劃的聲陣列網絡自定位方法，該方法能夠在有限信標下，藉助未知聲陣列與未知聲陣列之間的函數關係，實現聲陣列網絡中未知聲陣列自定位；該方法的優點在於在信標聲陣列有限稀疏的情況下，通過藉助於未知聲陣列與未知聲陣列之間的函數關係，並利用聲陣列網絡之間的DOA（DirectionofArrival，波達方向角）來實現未知聲陣列高精度、低成本、高覆蓋率自定位；尤其適用於信標有限狀態下高精度高覆蓋率的大規模聲陣列網絡自定位場景。
【專利說明】一種基於半定規劃的聲陣列網絡自定位方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種聲陣列網絡自定位方法，尤其涉及一種基於半定規劃的聲陣列網絡自定位方法。
【背景技術】
[0002]無線傳感器網絡系統主要應用於事件的監測，而事件發生的位置對於監測消息是至關重要的，沒有位置信息的檢測消息毫無意義，因此需要利用定位技術來確定相應的位置信息；此外，節點自定位系統是無線傳感器網絡實際應用系統的必要模塊，是路由算法、網絡管理等核心模塊的基礎，同時也是目標定位的前提條件。因此，定位技術是無線傳感器網絡關鍵的支撐技術，是無線網絡其他相關技術研究的基礎，在相關領域的研究十分廣泛。目前已有的自定位方法很多，本發明關注的是一種基於半定規劃的聲陣列網絡自定位方法，適用於在有限信標聲陣列下，對大規模聲陣列網絡自定位的場景。
[0003]傳統的聲陣列網絡自定位方法中，主要是兩種基本思路方法:第一種是根據信標聲陣列與未知聲陣列之間的距離或者DOA (Direction of Arrival,波達方向角)分別利用三角形測量法、最大似然估計等方法來估計未知聲陣列的位置；第二種方法是利用移動信標(例如移動機器人)來實現未知聲陣列的自定位。
[0004]現有的這兩種聲陣列網絡自定位方法都有各自的不足之處。對於第一種方法，在信標聲陣列有限的情況下，定位多個未知聲陣列容易造成誤差傳遞，並且大規模場景下難以探測到全部未知聲陣列，從而影響自定位精度以及自定位節點的覆蓋率；如果增加信標個數，由於信標聲陣列價格昂貴，導致定位的花費成本巨大。對於第二種方法，定位成本低，但是信標移動容易暴露目標，在複雜地理環境中移動信標會碰撞已經定位的節點，並且信標移動定位存在節點覆蓋率低的缺陷。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種基於半定規劃的聲陣列網絡自定位方法。
[0006]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:一種基於半定規劃的聲陣列網絡自定位方法，該方法在聲陣列網絡系統上實現，所述聲陣列網絡系統包括上位機、若干信標聲陣列和若干未知聲陣列，所述信標聲陣列包括電源模塊、麥克風模塊、FPGA>串口模塊、ZigBee模塊和GPS模塊，麥克風模塊、FPGA、串口模塊和ZigBee模塊依次串聯且均由電源模塊供電，GPS模塊與ZigBee模塊連接；未知聲陣列包括電源模塊、麥克風模塊、FPGA、串口模塊和ZigBee模塊，麥克風模塊、FPGA、串口模塊和ZigBee模塊依次串聯且均由電源模塊供電；該方法包括以下步驟:
[0007]1、聲陣列網絡系統部署和初始化；
[0008]彳目標聲陣列和未知聲陣列隨機部署在監控區域中；系統部署完成後進打系統初始化，信標聲陣列、未知聲陣列和上位機均通電工作，信標聲陣列和未知聲陣列均與上位機之間進行ZigBee無線通信；
[0009]2、信標聲陣列中的GPS模塊測得其位置信息並通過ZigBee模塊發送至上位機，同時由麥克風模塊發出自己的聲音信號；未知聲陣列的ZigBee模塊接收來自其餘聲陣列的聲音信號，同時由麥克風模塊發出自己的聲音信號；未知聲陣列中的FPGA通過接收的聲音信號得出各個陣列聲信號的相位差，再估計波達方向角D0A，最後通過ZigBee模塊將DOA信息發送至上位機；
[0010]通過各陣列接收到的聲信號的相位差可以估算陣列的波達方向角。具體的實現可通過陣列信號處理技術完成，利用經典的MUSIC算法實現信號到達角度DOA的估計值。
[0011]3、上位機根據未知聲陣列所測得的DOA以及信標聲陣列的GPS位置，利用半定規劃方法估計未知聲陣列位置；
[0012]在系統部署中，假設有m個信標聲陣列裝有GPS，其位置a」= (a」，b」)τ，η個未知聲陣列，其位置為Xi=O^yi, θ)τ，信標聲陣列的波達方向角DOA為I。由於信標聲陣列測量的DOA以朝向角參考方向，首先建立信標聲陣列與未知聲陣列之間的函數關係式，然後通過把該三角函數關係式轉化為凸函數來建立半定規劃模型:
[0013]min Trace ( a ) +Trace ( δ )
[0014]
【權利要求】
1.一種基於半定規劃的聲陣列網絡自定位方法，該方法在聲陣列網絡系統上實現，所述聲陣列網絡系統包括上位機、若干信標聲陣列和若干未知聲陣列，所述信標聲陣列包括電源模塊、麥克風模塊、FPGA、串口模塊、ZigBee模塊和GPS模塊，麥克風模塊、FPGA、串口模塊和ZigBee模塊依次串聯且均由電源模塊供電，GPS模塊與ZigBee模塊連接；未知聲陣列包括電源模塊、麥克風模塊、FPGA、串口模塊和ZigBee模塊，麥克風模塊、FPGA、串口模塊和ZigBee模塊依次串聯且均由電源模塊供電；其特徵在於，該方法包括以下步驟: (1)聲陣列網絡系統部署和初始化:信標聲陣列和未知聲陣列隨機部署在監控區域中；系統部署完成後進行系統初始化，信標聲陣列、未知聲陣列和上位機均通電工作，信標聲陣列和未知聲陣列均與上位機之間進行ZigBee無線通信； (2)信標聲陣列中的GPS模塊測得其位置信息並通過ZigBee模塊發送至上位機，同時由麥克風模塊發出自己的聲音信號；未知聲陣列的ZigBee模塊接收來自其餘聲陣列的聲音信號，同時由麥克風模塊發出自己的聲音信號；未知聲陣列中的FPGA通過接收的聲音信號得出各個陣列聲信號的相位差，再估計波達方向角DOA，最後通過ZigBee模塊將DOA信息發送至上位機； (3)上位機根據未知聲陣列所測得的DOA以及信標聲陣列的GPS位置，利用半定規劃方法估計未知聲陣列位置。 (4)上位機根據所估計的未知聲陣列位置，重新估計未知聲陣列的D0A，通過測量值與真值的比較來去除誤差位置以實現未知聲陣列自定位。
2.根據權利要求1所述的一種基於半定規劃的聲陣列網絡自定位方法，其特徵在於，所述步驟(3)具體為:在系統部署中，假設有m個信標聲陣列裝有GPS，其位置af (a? bj)T,η個未知聲陣列，其位置為Xi=O^yi, Qi) τ，信標聲陣列的波達方向角DOA為Pi ;由於信標聲陣列測量的DOA以朝向角參考方向，首先建立信標聲陣列與未知聲陣列之間的函數關係式，然後通過把該三角函數關係式轉化為凸函數來建立半定規劃模型:
3.根據權利要求1所述的一種基於半定規劃的聲陣列網絡自定位方法，其特徵在於，所述步驟(4)方法如下:根據步驟(3)估計所得的兩個估計結果，再結合利用未知聲陣列與其他聲陣列之間測量的DOA來實現精確定位；首先分別利用兩個估計位置重新得出DOA波達方向角
【文檔編號】H04W64/00GK103941230SQ201410152924
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月16日 優先權日:2014年4月16日
【發明者】王智, 杜天旭, 劉文靜, 邵華傑 申請人:浙江大學