基於傳感器空間模式的藍牙定位精度優化方法與流程
2023-08-04 08:04:46 2
本發明涉及室內定位技術領域，具體的說是一種基於傳感器空間模式的藍牙定位精度優化方法，尤其涉及一種在多餘傳感器信號情況下基於傳感器空間模式的藍牙定位精度優化方法。
背景技術：
城市生活的現代化趨勢使得大型地下停車場、購物中心等大型建築不斷湧現，人們希望能夠快速確定自己所在的位置，找到目的地。GPS(Global Positioning System，全球定位系統，以下簡稱為GPS)和北鬥等衛星定位系統是目前應用最廣的定位技術，具有精度高、覆蓋範圍廣、用戶接入量大等技術優勢。但人們的活動場所也不僅局限在室外，室內的活動需求也成為了生活的重要一部分，然而GPS等定位系統並不能適用於封閉的室內定位應用中。因此，解決室內定位問題的需求應運而生。
人們提出來許多基於各種無線技術的室內定位技術，包括WIFI、紅外、超寬帶、Zigbee(紫蜂協議)和藍牙等。這些定位機制大致可以分為兩類：基於測距的定位機制和基於射頻指紋的定位機制。但由於室內環境的複雜多樣，現有的無線定位系統大都存在精度不高和定位成本過高等問題，此外大多數方法均不能直接應用在手機上，必須通過專用的手持設備才能實現，實用性不強，且精度也受到一定限制。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種基於傳感器空間模式的藍牙定位精度優化方法，該方法針對現有技術存在的缺陷，在室內密集部署的實際定位環境中，通過三角形建立起藍牙基站之間的空間聯繫，模式信息存入到定位模式庫中。通過掃描藍牙的信號強度並排序，對最優的兩個信號值組合成邊序列，進入到模式庫中通過點邊關係查詢到關係最近的點，同時也是物理分布較近和結構較合理的點；再通過掃描排序得到的藍牙信號序列與模式庫中找到的序列進行匹配，提取6個(少於6個時全部提取)相匹配的藍牙；得到最佳的藍牙基站的組合，最後利用算法對這幾個基站點構成的幾何形狀進行計算，給定位組合所能到達的一種定位效果進行等級評定。最終通過定位算法解算出最終位置和定位精度。
本發明基於傳感器空間模式的藍牙定位精度優化方法，包括如下步驟：
步驟1，基於當前空間模式部署藍牙基站，構建定位場模式資料庫，實現不規則三角網匹配庫的搭建；
步驟2，基於當前移動終端進行信號定標，實時獲取不同距離處藍牙信號強度RSSI值，測定終端參數並解算信標距離；
步驟3，基於移動終端獲取藍牙信號RSSI值並排序，依據最優強度獲取信號模式序列，通過信號模式與過濾掃描信號，並通過幾何關係對精度分級；
步驟4，基於獲取的藍牙信號序列，依據非線性三邊定位算法求解當前最終坐標和定位精度。
所述步驟1中傳感器空間模式資料庫與不規則三角網匹配庫的構建包括以下子步驟：
步驟1.1，藍牙基站坐標存儲數據結構與定位場不規則三角網匹配庫存儲模式構建；藍牙基站坐標數據存儲模式其中o為基站id編號，為mac地址，為坐標參數，ι為所屬樓層信息，ξ為附加條件；基於當前定位場藍牙數據構建定位場資料庫，並依據基站間空間位置關係提取搭建不規則三角網TIN模式匹配庫；TIN模式匹配庫的結構為T＝，其中os為當前三角邊的一個起始頂點藍牙id號，oe為終止頂點藍牙id號，ofir，osec為當前三角邊兩側的鄰接藍牙id編號；
步驟1.2，定位場藍牙基站坐標數據入庫；
步驟1.3，基於基站空間位置關係，實現定位場不規則三角網搭建，獲取所有TIN頂點坐標信息的鍵值對邊集合L＝{(s，e＝1，2，….)}；遍歷每個鍵值對的起始頂點oi獲取與其鄰接的邊信息，再次遍歷鄰接邊頂點判定其鄰接邊頂點是否存在有頂點oj；如果存在，則表示當前鄰接邊的其中一頂點為的一個鄰接點；否則，進行下一步的遍歷與判斷；當找到該鍵值對的兩個鄰接點後，按照TIN匹配庫模式進行構建入庫。
所述步驟2中移動終端信號定標並解算信標距離包括以下子步驟：
步驟2.1，獲取移動終端距離藍牙基站1m處信號強度RSSI值ρ；
步驟2.2，獲取移動終端實時掃描獲取的信號強度RSSI值γ；
步驟2.3，基於信號強度解算距離算法，利用ρ與γ來計算終端與藍牙基站之間的距離。
所述步驟3中依據信號強度排序獲取信號模式序列包括以下子步驟：
步驟3.1，移動終端實時獲取藍牙信號強度RSSI值並降序排列作為RSSI序列；
步驟3.2，選取信號最強的前兩個藍牙點構成一條初始匹配序列邊，將其與TIN模式模式庫中進行匹配，查詢n個相關聯的藍牙信標；以最初查找的n0個關聯信標的中心坐標值作為對TIN模式匹配庫中藍牙信標的優選，依據信標距離中心點的距離，依次從這些待選信標中提取前8作為模式匹配庫中待選信標序列；
步驟3.3，將RSSI排序序列與待選信標序列進行匹配，找出其中相匹配的藍牙信標；當匹配信標序列多於6個時，選取6個作為定位節點；如果少於6個大於3個時，則提取所有的信標；如果少於3個時，則匹配失敗，通過改變初始邊序列組合再次進行匹配，直到滿足條件則為處理成功。
如果未滿足條件，則可以說明本次採集的信號序列穩定性較差，存在較大誤差，不建議用來進行定位解算。
所述步驟3中獲取藍牙信號序列分級，是指對藍牙信標的實際空間布局關係判定是否滿足對稱結構，如果滿足對稱結構，表明該藍牙信號序列優先級高、定位精度高。
本發明一種基於傳感器空間模式的藍牙定位精度優化方法的有益效果在於：通過利用傳感器部署節點間的空間模式構建不規則三角網模式匹配庫，讓定位信號節點位置間關係可知，空間分布較近並擁有較好拓撲結構的節點間會構建起一種不規則三角形結構，並將這種關聯關係以點邊結構進行存儲。依據點邊關聯結構，當得到一組富含噪聲的定位信號序列時，可以通過該結構找出空間分布最為合理的序列，通過比較可從中找出最合理的信號序列，從而實現智能化選取最優參考點定位，在部署密集的小範圍定位環境中，由於受傳感器節點間信號相互幹擾大帶來很大噪聲，其表現效果尤為突出；本發明方法能夠依據構建的節點間的相互關係，判定當前所獲取的定位信號序列的優劣等級，因而能夠對信號序列進行實時的處理，無需記錄歷史序列濾波處理，實時獲取高精度定位信息，對高動態情況下的定位表現有較好效果。
附圖說明
圖1為基於傳感器空間模式的藍牙定位精度優化結構圖。
圖2為空間模式下藍牙信號數據處理流程圖。
圖3為實施例中藍牙的布局位置圖。
圖中，1-17代表藍牙定位傳感器布設位置。
具體實施方式
下面結合附圖，對本發明做進一步說明。如圖1-圖3所示，本發明要求保護一種基於傳感器空間模式的藍牙定位精度優化方法。
對於空間關係模式庫的構建，本發明選擇利用矢量三角形構建的算法來構建區域內所有傳感器坐標點的關聯關係，通過優先銳角三角形構建的方式，能夠將相鄰的基站點首先構建關聯，同時保證各個點之間關係的穩定性和確定性。同時對於轉入到沿線分布的情況，往往會與同某個點構建起鈍角三角形，來構建起相互間的相關關係。
具體實施時，利用程序可實現方法流程的自動運行，實施例所提供方法的實現流程包括以下步驟：
步驟1，基於當前空間模式部署藍牙基站，構建定位場模式資料庫，實現不規則三角網匹配庫的搭建；
實施例中，步驟1的定位場資料庫與不規則三角網匹配庫的構建包括以下子步驟：
步驟1.1，藍牙基站坐標存儲數據結構與定位場不規則三角網匹配庫存儲模式構建。藍牙基站坐標數據存儲模式其中o為基站id編號，為mac地址，為坐標參數，ι為所屬樓層信息，ξ為附加條件。基於當前定位場藍牙數據構建定位場資料庫，並依據基站間空間位置關係提取搭建不規則三角網(TIN)模式匹配庫。TIN模式匹配庫的結構為T＝，其中os為當前三角邊的一個起始頂點藍牙id號，oe為終止頂點藍牙id號，ofir，osec為當前三角邊兩側的鄰接藍牙id編號。
步驟1.2，定位場藍牙基站坐標數據入庫；
步驟1.3，基於基站空間位置關係，實現定位場不規則三角網搭建，獲取所有TIN頂點坐標信息的鍵值對邊集合L＝{(s，e＝1，2，….)}。遍歷每個鍵值對的起始頂點oi獲取與其鄰接的邊信息，再次遍歷鄰接邊頂點判定其鄰接邊頂點是否存在有頂點oj。如果存在，則表示當前鄰接邊的其中一頂點為的一個鄰接點。否則，進行下一步的遍歷與判斷。當找到該鍵值對的兩個鄰接點後，按照TIN模式匹配庫的模式進行構建入庫。
具體實施時，本發明基於停車誘導系統的需要，藍牙定位傳感器是與車位探頭集成一體式的設備，因而藍牙布設的方式具有密度高的特點，按對稱車位平行分布和單邊車位線性分布的特徵，高密度的iBeacon信標使得較容易得到高精度定位結果，而由此也引起了信標節點間的互擾，加之常見的多路徑、傳感器穩定性等信號影響因素，使掃描信號的可用性未知性增大。通過在停車場中部署傳感器設備，作為定位信標基站，利用矢量三角形構建算法，構建各個基站坐標點間的相關關係，並通過json格式存入到模式資料庫中。json文件中包含有各個基站點的坐標信息和以邊點結構存儲的各個基站間的關聯關係信息。當移動終端進入實驗區域時，設定在傳入室內地圖信息的同時，將傳感器定位場的信息也加載到手機本地資料庫中，則當進入到室內無網絡環境時，可以直接調用手機中存儲的數據信息進行快速的定位解算。具體實施中藍牙布局如圖3所示。
步驟2，基於當前移動終端進行信號定標，實時獲取不同距離處藍牙信號強度RSSI值，測定終端參數並解算信標距離；
實施例中，步驟2移動終端信號定標並解算信標距離包括以下子步驟：
步驟2.1，獲取移動終端距離藍牙基站1m處信號強度RSSI值ρ；
步驟2.2，獲取移動終端實時掃描獲取的信號強度RSSI值γ；
步驟2.3，基於信號強度解算距離算法，利用ρ與γ來計算終端與藍牙基站之間的距離；
具體實施時，時，距離D＝Math.pow(r，10)；時，D＝(A)*Math.pow(r，B)+C(A，B，C為定標參數，依據終端設備不同)。
步驟3，基於移動終端獲取藍牙信號RSSI值，依據強度排序獲取信號模式序列，通過信號模式分級獲取精度；
實施例中，步驟3中依據信號強度排序獲取信號模式序列包括以下子步驟：
步驟3.1，移動終端實時獲取藍牙信號強度RSSI值並降序排列作為RSSI序列；
步驟3.2，選取信號最強的前兩個藍牙點構成一條初始匹配序列邊，將其與TIN模式庫中進行匹配，查詢n個相關聯的藍牙信標。以最初查找的n0個關聯信標的中心坐標值作為對模式庫中藍牙信標的優選，依據信標距離中心點的距離，依次從這些待選信標中提取前(n-n0)作為模式匹配庫中待選信標序列；
步驟3.3，將RSSI排序序列與待選信標序列進行匹配，找出其中相匹配的藍牙信標。當匹配信標序列多於6個時，選取6個作為定位節點；如果少於6個大於3個時，則提取所有的信標；如果少於3個時，匹配則失敗，可以通過改變初始邊序列組合再次進行匹配，直到滿足條件則為處理成功。如果未滿足條件，則可以說明本次採集的信號序列穩定性較差，存在較大誤差，不建議用來進行定位解算。
具體實施時，行動裝置進入到定位場，對實時接收到的信標信號，通過信號強度對藍牙序列進行排序，篩選出最強的10個信標信號(少於10個時取全部)。在提取藍牙信號強度的序列時，並不會直接取前6個，而是通過信號最強的前兩個藍牙構成一條初始匹配序列邊，將序列邊引入到模式庫中進行匹配，查詢相關聯的藍牙信標，直到找尋數量達到12個。以最初找尋的4個關聯信標的中心坐標值作為對模式庫中藍牙信標的優選，依據信標距離中心點的距離，依次從12個待選信標中提取前8個信標作為模式庫中待選信標序列。將兩個序列按照兩個排序的順序依次進行匹配，找出兩個序列中相匹配的藍牙信標，當匹配信標序列多於六個時，選取6個作為定位節點，少於6個大於3個時提取所有的信標，少於3個時匹配失敗；可以通過改變初始邊序列組合再次進行匹配，直到滿足條件則處理成功。若未滿足條件，則可以說明本次採集的信號序列具有極大的不穩定性，有較大的誤差，不建議用來進行定位的解算。考慮本發明對信號序列的處理是實時進行的，有較快的處理速度，可以對單條信息進行處理。手機某次實時掃描到的藍牙序列經排序處理後RSSI排序序列：3，-54；12，-60；11，-60；4，-61；8，-64；13，-65；17，-66；9，-66；7，-66；10，-66。前面為編號，後面為對應RSSI值，可得到3，12構成起始邊，匹配失敗，再用3，11構成初始邊，同樣失敗，再用3，4構成的初始邊進行匹配，能夠成功匹配，模式獲取序列：3，4，2，10，5，9，11，1。兩個序列匹配出相同的編號即為最終的待選定位序列，最終定位序列為：3，-54；4，-61；10，-66；9，-66；11，-66。5個坐標點的分布均在採集點周圍，其中5號點也在周圍內，但源於實時掃描信號前10內都無此點，可見改點此次的RSSI值存在較大的跳動，通過相互間影響對其進行了過濾處理，而剩餘點能解算出較好的結果。
實施例中，步驟3中獲取藍牙信號序列分級具備以下特徵：
對藍牙信標的實際空間布局關係判定是否滿足對稱結構，如果滿足的話表明該藍牙信號序列優先級高，定位精度高。
具體實施時，對經過模式庫進行匹配篩選的藍牙信標序列進行分級的判定，主要通過對藍牙信標的實際物理布局的關係進行判定，本次測試的布局環境而言，可以判斷序列組合是否具有對稱的一種結構，對稱結構的定位效果相對較好，同時在對稱結構中，本實施方案中矩形的結構具有最佳的組合方式，對於接收藍牙經過篩選後得到的藍牙序列組合，其分布如圖所示是矩形，因而可以判定其有著很好的組合結構。算法處理上通過幾何結構的解算方式，通過計算兩條最長對邊距離近似相等，可以判定出其結構具有矩形結構特徵(藍牙布局方式有效避免了其他可能)，因而其具有較高精度的定位等級。
步驟4，基於獲取的藍牙信號序列，依據非線性三邊定位算法求解當前最終坐標和定位精度。
具體實施時，傳入最終獲取到的藍牙序列和精度等級，利用三邊定位的方式解算最終的坐標位置，考慮到最大可能提高定位解算的精度，會選用引入最小二乘法的非線性三邊定位算法來解算最終的位置坐標和定位精度。
應當理解的是，本說明書未詳細闡述的部分均屬於現有技術。
應當理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細，並不能因此而認為是對本發明專利保護範圍的限制，本領域的技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明權利要求所保護的範圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發明的保護範圍之內，本發明的請求保護範圍應以所附權利要求為準。