面向高速無(wú)人旋翼飛行器的室內(nèi)定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種面向高速無(wú)人旋翼飛行器的室內(nèi)定位方法，包括如下步驟：在提供定位服務(wù)的區(qū)域內(nèi)安裝多部無(wú)線路由器；將區(qū)域劃分為網(wǎng)格，測(cè)量每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)WiFi信號(hào)強(qiáng)度；飛行器以固定時(shí)間間隔持續(xù)測(cè)量WiFi信號(hào)強(qiáng)度；飛行器向服務(wù)器請(qǐng)求定位并上傳測(cè)量數(shù)據(jù)；服務(wù)器根據(jù)測(cè)量結(jié)果，計(jì)算飛行器位置，將結(jié)果發(fā)送給飛行器；飛行器接收定位結(jié)果。本方法可以有效提高高速移動(dòng)中無(wú)人旋翼飛行器的室內(nèi)定位精度。
【專利說(shuō)明】面向高速無(wú)人旋翼飛行器的室內(nèi)定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及通信、導(dǎo)航定位【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及一種面向高速無(wú)人旋翼飛行器 的室內(nèi)定位方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無(wú)人飛行器的普及，越來(lái)越多的無(wú)人飛行器導(dǎo)航功能需要位置信息給與支 撐，即所謂的基于位置的信息服務(wù)（LBS)。因此定位技術(shù)發(fā)展成為無(wú)人飛行器導(dǎo)航領(lǐng)域中具 有支撐性的關(guān)鍵技術(shù)。在室外，無(wú)人飛行器可以使用GPS技術(shù)進(jìn)行定位，但是GPS技術(shù)在室 內(nèi)定位精度極低，因此限制了無(wú)人飛行器導(dǎo)航在室內(nèi)的使用。隨著無(wú)人旋翼飛行器在大型 室內(nèi)場(chǎng)館的運(yùn)用普及，無(wú)人旋翼飛行器的室內(nèi)定位問(wèn)題日益突出，并且沒有比較成熟的商 業(yè)解決方案。
[0003] 從21世紀(jì)初起，很多高校和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始了針對(duì)一般用戶的室內(nèi)定位技術(shù) 的研究，并取得了較大的突破。典型的室內(nèi)定位系統(tǒng)有：AT&T Cambridge所開發(fā)的Active Badges系統(tǒng)，利用無(wú)線局域網(wǎng)進(jìn)行定位的RADAR系統(tǒng)，使用超聲波定位技術(shù)的Cricket定位 系統(tǒng)，基于RFID的SpotON系統(tǒng)等等。
[0004] 其中，得益于現(xiàn)在移動(dòng)智能終端的快速發(fā)展和無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，基 于WiFi信號(hào)強(qiáng)度的室內(nèi)定位技術(shù)在近年來(lái)已經(jīng)成為室內(nèi)定位、導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?；?于WiFi信號(hào)強(qiáng)度的室內(nèi)定位技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)直接通過(guò)智能終端獲取信號(hào)強(qiáng)度 (Received Signal Strength, RSS) ;2)利用信號(hào)強(qiáng)度能夠以純應(yīng)用的開發(fā)方式實(shí)現(xiàn)定位； 3)具有定位系統(tǒng)成本低，開發(fā)方便，同時(shí)能夠提供較高定位精度等優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 然而，基于WiFi的室內(nèi)定位方法不能直接運(yùn)用于高速移動(dòng)的無(wú)人旋翼飛行器上， 原因是該方法需要飛行器在原地停留一段時(shí)間（1-2秒左右），在該時(shí)段內(nèi)無(wú)人飛行器可能 已經(jīng)離開原本的位置，因此定位精度受到了 WiFi信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量和飛行器運(yùn)動(dòng)速度的制約。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種面向高速無(wú)人旋翼飛行器 的室內(nèi)定位方法，通過(guò)使無(wú)人旋翼飛行器在飛行過(guò)程中持續(xù)采集定位數(shù)據(jù)，使定位服務(wù)器 在執(zhí)行定位算法時(shí)能夠獲得歷史定位數(shù)據(jù)。通過(guò)使用卡爾曼濾波方法，估計(jì)飛行器的歷史 移動(dòng)路線，從而修正最新定位結(jié)果，提高了定位精度。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0008] -種面向高速無(wú)人旋翼飛行器的室內(nèi)定位方法，包括如下步驟：
[0009] 步驟1 :首先在需要提供定位服務(wù)的區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個(gè)無(wú)線路由器；
[0010] 步驟2 :將需要提供定位服務(wù)的區(qū)域劃分為多個(gè)邊長(zhǎng)L米的正方形網(wǎng)格，并測(cè)量各 個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的來(lái)自于各個(gè)無(wú)線路由器的WiFi信號(hào)強(qiáng)度，并將測(cè)量的結(jié)果上傳至定位服務(wù)器；
[0011] 步驟3 :無(wú)人旋翼飛行器在飛行過(guò)程中持續(xù)測(cè)量來(lái)自于各個(gè)無(wú)線路由器的WiFi信 號(hào)強(qiáng)度，并存儲(chǔ)于本地；
[0012] 步驟4 :飛行器需要定位時(shí)，向服務(wù)器請(qǐng)求定位，并上傳目前為止的WiFi信號(hào)強(qiáng)度 測(cè)量數(shù)據(jù)；
[0013] 步驟5 :服務(wù)器根據(jù)上傳的測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算飛行器位置，并將結(jié)果發(fā)送給飛行器；
[0014] 步驟6 :飛行器接收定位結(jié)果。
[0015] 優(yōu)選的，所述步驟1中的無(wú)線路由器均正常工作于SSID廣播可見模式，即以固定 周期發(fā)送Beacon廣播信號(hào)。
[0016] 優(yōu)選地，所述步驟2包括如下步驟：
[0017] 步驟2. 1 :每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的WiFi信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試過(guò)程為：在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)針對(duì)各個(gè)無(wú)線 路由器分別測(cè)量N次來(lái)自于無(wú)線路由器的WiFi信號(hào)輻射強(qiáng)度，并將測(cè)量結(jié)果上傳至定位服 務(wù)器；
[0018] 步驟2. 2 :定位服務(wù)器根據(jù)上傳的測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行以下計(jì)算：
[0019] 設(shè)步驟2中網(wǎng)格總數(shù)為W，則對(duì)于網(wǎng)格w，計(jì)算得到以下一系列函數(shù)：
[0020]

【權(quán)利要求】
1. 一種面向高速無(wú)人旋翼飛行器的室內(nèi)定位方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1 :在需要提供定位服務(wù)的區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個(gè)無(wú)線路由器； 步驟2 :將需要提供定位服務(wù)的區(qū)域劃分為多個(gè)正方形網(wǎng)格，并測(cè)量各個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的來(lái) 自于各個(gè)無(wú)線路由器的WiFi信號(hào)強(qiáng)度，并將測(cè)量的結(jié)果上傳至定位服務(wù)器； 步驟3 :無(wú)人旋翼飛行器在飛行過(guò)程中持續(xù)測(cè)量來(lái)自于各個(gè)無(wú)線路由器的WiFi信號(hào)強(qiáng) 度，并存儲(chǔ)于本地； 步驟4 :飛行器需要定位時(shí)，向服務(wù)器請(qǐng)求定位，并上傳目前為止的WiFi信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量 數(shù)據(jù)； 步驟5 :服務(wù)器根據(jù)上傳的測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算飛行器位置，并將結(jié)果發(fā)送給飛行器； 步驟6:飛行器接收定位結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向高速無(wú)人旋翼飛行器的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所 述步驟1中的無(wú)線路由器均正常工作于SSID廣播可見模式，即以固定周期發(fā)送Beacon廣 播信號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向高速無(wú)人旋翼飛行器的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所 述步驟2包括如下步驟： 步驟2. 1 :每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的WiFi信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試過(guò)程為：在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)針對(duì)各個(gè)無(wú)線路由 器分別測(cè)量N次來(lái)自于無(wú)線路由器的WiFi信號(hào)輻射強(qiáng)度，并將測(cè)量結(jié)果上傳至定位服務(wù) 器； 步驟2. 2 :定位服務(wù)器根據(jù)上傳的測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行以下計(jì)算： 設(shè)步驟2中網(wǎng)格總數(shù)為W，則對(duì)于網(wǎng)格w，計(jì)算得到以下一系列函數(shù)：
其中，Pwj (·)表示在網(wǎng)格w處接收到的來(lái)自于第j個(gè)路由器的信號(hào)強(qiáng)度概率密度分布 函數(shù)，N為在網(wǎng)格w內(nèi)的測(cè)試次數(shù)，〇wji為在網(wǎng)格w處接收到的來(lái)自于第j個(gè)路由器的信號(hào) 強(qiáng)度的第i次測(cè)試所得到的值，σ為常數(shù)，Μ為無(wú)線路由器的總數(shù)，〇表示接收信號(hào)強(qiáng)度； 定位服務(wù)器將以上計(jì)算所得的函數(shù)Ρ"_ (〇)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向高速無(wú)人旋翼飛行器的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所 述步驟3包括如下步驟： 步驟3. 1 :無(wú)人旋翼飛行器在飛行過(guò)程中以固定時(shí)間間隔Τ持續(xù)測(cè)量來(lái)自于各個(gè) 無(wú)線路由器的WiFi信號(hào)強(qiáng)度，每次測(cè)量可以得到一組來(lái)自于各個(gè)無(wú)線路由器的信號(hào)
其中5,,是時(shí)間為t時(shí)，來(lái)自第j個(gè)路由器的信號(hào)強(qiáng)度， Μ為無(wú)線路由器的總數(shù)，時(shí)間間隔T的最小值等于無(wú)人飛行器執(zhí)行一次WiFi信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量 的最小耗時(shí)； 步驟3. 2:所述無(wú)人旋翼飛行器安裝有蜂窩網(wǎng)或WiFi端口設(shè)備，能夠經(jīng)由蜂窩網(wǎng)或 WiFi連接定位服務(wù)器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的面向高速無(wú)人旋翼飛行器的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所 述步驟5包括如下步驟： 步驟5. 1 :根據(jù)無(wú)人旋翼飛行器上傳所得到的所有WiFi信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行以下 計(jì)算： 對(duì)于網(wǎng)格W，計(jì)算以下概率值：
其中Pwt為時(shí)間t時(shí)無(wú)人旋翼飛行器處于網(wǎng)格W中的概率，Μ為無(wú)線路由器的總數(shù)， Pwj (·)為步驟2. 2中所得函數(shù)，％為移動(dòng)終端在步驟3中在時(shí)間t時(shí)所測(cè)得的來(lái)自于第j 個(gè)無(wú)線路由器的信號(hào)強(qiáng)度，KT為無(wú)人旋翼飛行器最后一次定位的時(shí)間； 最后，對(duì)于不同t，從Pwt，w = 1，...，W中找出值最大者或者最大者之一所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格 w，該網(wǎng)格w即為所計(jì)算得出的在時(shí)間t時(shí)無(wú)人旋翼飛行器所在的位置，記為
1'，21'，...0，其中，1/1，7/1為該網(wǎng)格中心的橫、縱坐標(biāo)值 ； 步驟5. 2 :使用卡爾曼濾波對(duì)zt進(jìn)行處理，具體如下： 設(shè)定無(wú)人旋翼飛機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向量：
其中，xt，yt為無(wú)人旋翼飛機(jī)在時(shí)間t時(shí)的位置橫縱坐標(biāo)值，vxt，v yt為無(wú)人旋翼飛機(jī)在 時(shí)間t時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度向量在橫、縱方向的分量值； 設(shè)定無(wú)人旋翼飛機(jī)運(yùn)動(dòng)模型矩陣：
設(shè)定運(yùn)動(dòng)方差矩陣：
其中為運(yùn)動(dòng)方差，為常數(shù)； 設(shè)定測(cè)量結(jié)果矩陣：
設(shè)定測(cè)量方差矩陣：
其中σ22為測(cè)量方差，為常數(shù)； 卡爾曼濾波處理過(guò)程如下：從t = Τ到t = ΚΤ，執(zhí)行以下循環(huán)計(jì)算：
其中Pt為時(shí)間t時(shí)的濾波矩陣，f為時(shí)間t時(shí)的修正濾波矩陣，Kt為時(shí)間t時(shí)的濾波 權(quán)重矩陣，E為單位矩陣，為時(shí)間t時(shí)的濾波結(jié)果，F(xiàn)T、Ητ分別表示F和Η的轉(zhuǎn)置矩陣，循 環(huán)的初始值設(shè)置為
由此，可以得到卡爾曼濾波結(jié)果
，取作為定位結(jié)果輸出。
【文檔編號(hào)】H04W64/00GK104159293SQ201410322947
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】于拓, 周子龍, 張陽(yáng), 張哲慧, 吳煒捷, 楊峰, 王新兵 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)