一种基于对称参考节点的三维定位方法.pdf
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1、第4 2卷第3期2023年5月大 连 工 业 大 学 学 报J o u r n a l o fD a l i a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t yV o l.4 2N o.3M a y2023收稿日期:2 0 2 3-0 2-2 6.基金项目:河北省自然科学基金项目(F 2 0 2 0 5 0 1 0 1 2).作者简介:高军(1 9 7 1-),男,讲师.D O I:1 0.1 9 6 7 0/j.c n k i.d l g y d x x b.2 0 2 3.0 3 1 3一种基于对称参考节点的三维定位方法高 军,王 梓 铭(东北大学秦皇岛
2、分校 计算机与通信工程学院,河北 秦皇岛 0 6 6 0 0 4)摘要:针对目前三维空间定位精度不高、算法复杂的问题提出了一种基于对称参考节点的三维定位方法。该方法通过布置具有对称特性的参考节点,利用等比算法,把立体空间的三维计算转换为平面的二维计算,易于编程实现,降低了环境中共模干扰因素带来的误差。仿真结果表明,该方法相较于传统球型三维定位方法以及基于交点质心定位方法,具有算法简单、定位精度高的特点,更适合在低功耗无线传感器网络中应用。关键词:无线传感器网络;三维定位;测距中图分类号:T P 3 1 1.5 2文献标志码:A文章编号:1 6 7 4-1 4 0 4(2 0 2 3)0 3-0
3、 2 3 1-0 4A3 Dl o c a l i z a t i o nm e t h o db a s e do ns y mm e t r i cr e f e r e n c en o d e sG A O J u n,WA N G Z i m i n g(S c h o o l o fC o m p u t e ra n dC o m m u n i c a t i o nE n g i n e e r i n g,N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t ya tQ i n h u a n g d a o,Q i n h u a n g d
4、a o0 6 6 0 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:A3 Dp o s i t i o n i n gm e t h o db a s e do ns y mm e t r i cr e f e r e n c en o d e sw a sp r o p o s e df o r t h ec u r r e n tp r o b l e m so f l o wa c c u r a c ya n dc o m p l e xa l g o r i t h mo f 3 Ds p a t i a l p o s i t i o n i n g.T h em e
5、 t h o dc o n v e r t e dt h et h r e e-d i m e n s i o n a l c a l c u l a t i o n i nt h r e e-d i m e n s i o n a l s p a c e i n t oat w o-d i m e n s i o n a l c a l c u l a t i o ni nap l a n eb ya r r a n g i n gr e f e r e n c en o d e sw i t hs y mm e t r i c c h a r a c t e r i s t i c s a
6、 n du s i n ga ne q u a l r a t i oa l g o r i t h m,w h i c hw a se a s yt ob ep r o g r a mm e da n dr e d u c e d t h e e r r o r s c a u s e db yc o mm o nm o d e i n t e r f e r e n c e f a c t o r s i n t h ee n v i r o n m e n t.T h es i m u l a t i o na n a l y s i ss h o w e dt h a tt h i s
7、 m e t h o dh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l ea l g o r i t h ma n dh i g hp o s i t i o n i n ga c c u r a c y,a n di sm o r es u i t a b l ef o ra p p l i c a t i o ni nl o w-p o w e rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s,w h i c hc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n
8、 a ls p h e r i c a l3 Dp o s i t i o n i n gm e t h o da n dm e t h o db a s e do n i n t e r s e c t i o nc e n t r o i dp o s i t i o n i n gt h r o u g hs i m u l a t i o n.K e yw o r d s:w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s(WS N);3 Dp o s i t i o n i n g;d i s t a n c em e a s u r e m e n
9、t0 引 言随着智能手机的普及以及移动互联网的发展,地图与导航类软件将进入一个新的时代 室内三维定位1-2。室内三维定位方法通常使用蓝牙、Z i g B e e、W i F i等技术3-9,其中蓝牙定位方法又分 为 临 近 探 测 法、质 心 定 位 法、多 边 定 位法1 0。3种定位方法中,多边定位法定位精度高,计算复杂度也高。针对 室 内 三 维 定 位 技 术,谷 歌 地 图、微 软B i n gM a p s、苹果均发布了室内高精度定位功能产品。室内三维定位虽不断发展,但仍存在位置环境定位困难、定位精度与成本难以兼顾、移动终端计算资源有限等问题1 1-1 5,无法对定位精度和计算复杂
10、度二者兼顾。利用R S S I测算出被测标签与一组对称参考节点中的每个参考节点的距离,将该距离投影到对应的坐标轴上,得到该点在该坐标轴上的坐标,该方法简化了计算过程,在一定程度上消除了环境中存在的共模干扰1 6,提高定位精度。本研究提出了一种基于对称参考节点,融合了R S S I技术优势的三维定位方法。1 系统参考节点安装将待测空间放置于三维直角坐标系中,在待测空间里安置平行于x轴、y轴、z轴的参考节点组(两个对称参考节点称为一组,二者连线平行某一坐标轴),如图1所示,A型(z方向参考节点:x、y坐标相同,z坐标不同)、B型(x方向参考节点:y、z坐标相同,x坐标不同)、C型(y方向参考节点:
11、x、z坐标相同,y坐标不同)3种类型的参考节点,且已知各参考节点坐标,每个类型的参考节点均可根据实际情况放置多组。(a)A型 (b)B型 (c)C型图1 3种类型参考节点位置分布图F i g.1 T h r e e t y p e so f r e f e r e n c en o d e l o c a t i o nd i s t r i b u t i o nm a p2 三维定位算法2.1 标签到参考节点距离的测定处于工作状态的待测标签,向外发射扫描信号,参考节点检测到该信号的强弱,即R S S I,将R S S I转换为对应标签与参考节点的距离(d)1 7。d=1 0A B S(R
12、S S I)-A1 0n(1)式中:A为距离参考节点1m时的R S S I的绝对值,最佳范围为4 54 9;n为环境衰减因子,需要测试矫正,最佳范围为3.2 54.5 01 8。2.2 坐标计算假设M1、M2为标签分别与两个对称设置的B型参考节点之间的实测距离,X1、X2分别为两个对称设置的B型参考节点的已知的横坐标,其中X1为与坐标原点较近的参考节点,X2为与坐标原点较远的参考节点。理论上应该是M1+M2|X1-X2|,但由于测距的值与实际距离存在误差,当实测距离小于真实距离的时候,就可能出现M1+M2|X1-X2|和M1+M2|X1-X2|两种情况,标签越是靠近一对B型参考节点的连线越可能
13、出现M1+M2|X1-X2|的情况。当M1+M2|X1-X2|时,标签的X坐标为X=(M21-M22)+(X22-X21)2(X2-X1)(2)同理,对于C型参考节点,标签的Y坐标为Y=(P21-P22)+(Y22-Y21)2(Y2-Y1)(3)式中:P1、P2为标签分别与两个对称设置的C型参考节点之间的距离,Y1、Y2分别为两个对称设置的C型参考节点的纵坐标。对于A型参考节点标签的Z坐标为Z=(N21-N22)+(Z22-Z21)2(Z2-Z1)(4)式中:N1、N2为标签分别与两个对称设置的A型参考节点之间的距离,Z1、Z2分别为两个对称设置的A型参考节点的竖坐标。在测量存在误差的情况下,
14、M1+M2|X1-X2|,为减少误差将测量结果等比放大,待测标签的横坐标为X=M1|X2-X1|M1+M2(5)同理可得出待测标签的Y、Z坐标,如式(6)、式(7)所示。Y=P1|Y2-Y1|P1+P2(6)Z=N1|Z2-Z1|N1+N2(7)2.3 三维定位算法的优化为了进一步提高测量精度,布设三组参考节232大 连 工 业 大 学 学 报第4 2卷点在成本以及精度上最为合适1 9-2 0。简易布设模型如图2所示,B型参考节点布设三组,通过式(2)可得B型参考节点所测X坐标为X1、X2、X3,计算待测目标坐标为X0=3i=1Xi3(8)图2 参考节点布设模型F i g.2 R e f e
15、r e n c en o d ep r o p o s e d l a y o u tm o d e l同理,三组A型参考节点所测Z坐标为Z1、Z2、Z3,C型参考节点所测Y坐标为Y1、Y2、Y3,对应最终计算出待测目标的坐标,分别如式(9)、式(1 0)所示。Y0=3i=1Yi3(9)Z0=3i=1Zi3(1 0)3 实验分析3.1 MA T L A B仿真3.1.1 仿真环境与参数设置使用MAT L A B在2 0m2 0m2 0m的三维空间内进行模拟仿真。在边界均匀摆放A、B、C三个类型的参考节点共计6个;在(0,0,0)、(0,2 0,0)、(2 0,0,0)、(0,2 0,2 0)、
16、(2 0,0,2 0)、(2 0,2 0,2 0)摆放6个用于球型定位的参考节点;在空间内均匀摆放1 0个用于质心定位的参考节点,取距离待测标签最近的4个节点进行计算。模型中|R S S I|=4 5,环境衰减因子n=3.2 5,在R S S I信号中添加均值为0、方差为3的高斯噪声,来模拟真实环境中的干扰。3.1.2 仿真结果待测标签实际坐标与球型定位算法仿真结果如表1所示。待测标签实际坐标与基于交点质心算法仿真结果如表2所示。待测标签实际坐标与本算法仿真结果如表3所示。3.1.3 仿真误差距离分析球型算法的平均误差距离为0.7 2m,基于交 表1 球型算法仿真结果T a b.1 S i m
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