一种基于隐马尔科夫模型的室内定位方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201410812548.6

申请日:

2014.12.24

公开号:

CN104469942A

公开日:

2015.03.25

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H04W64/00申请日:20141224|||公开

IPC分类号:

H04W64/00(2009.01)I

主分类号:

H04W64/00

申请人:

福建师范大学

发明人:

叶阿勇; 绍剑飞; 陈秋玲; 郑永星; 李亚成

地址:

350117福建省福州市大学城福建师范大学旗山校区

优先权:

专利代理机构:

福州元创专利商标代理有限公司35100

代理人:

蔡学俊

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内容摘要

本发明涉及一种基于隐马尔科夫模型的室内定位方法,该方法利用RSSI指纹特征进行定位,包括离线阶段和实时定位阶段;离线阶段包括:设置信标基站和参考位置;建立参考位置的无向连通图并据此建立位置转移矩阵;在每个参考位置采集各个信标基站的RSSI特征值,建立定位区域的RSSI指纹数据库;利用贝叶斯方法构建参考位置和RSSI指纹的混淆矩阵,建立隐马尔科夫定位模型;实时定位阶段包括:移动设备采集实时RSSI特征值并发送给定位服务器;定位服务器计算连续运动最大可能的轨迹序列,将轨迹序列的最后位置作为定位结果。该方法可以有效降低连续运动过程中RSSI波动对定位结果造成的误差,提高了室内无线定位的精度和稳定性。

权利要求书

权利要求书1.  一种基于隐马尔科夫模型的室内定位方法,其特征在于,该方法包括离线阶段和实时定位阶段;离线阶段包括以下步骤:步骤101:根据定位区域设置信标基站和参考位置;步骤102:建立参考位置的无向连通图,并根据参考位置的无向连通图建立位置转移矩阵;步骤103:在每个参考位置采集各个信标基站的RSSI特征值,建立定位区域的RSSI指纹数据库;步骤104:利用贝叶斯方法构建参考位置和RSSI指纹的混淆矩阵,建立基于隐马尔科夫模型的定位模型,即隐马尔科夫定位模型;实时定位阶段包括以下步骤:步骤201:移动设备采集实时RSSI特征值并发送给定位服务器;步骤202:定位服务器基于Viterbi算法计算连续运动最大可能的轨迹序列,将轨迹序列的最后位置作为定位结果。2.  根据权利要求1所述的一种基于隐马尔科夫模型的室内定位方法,其特征在于,隐马尔科夫定位模型定义为一个五元组HMLM={n, m, П, A, B},其中,n是参考位置的个数,m是信标基站的个数,Π=πi,i=1,…,n,πi表示初始状态i的概率,A是位置转移矩阵,B是混淆矩阵。3.  根据权利要求2所述的一种基于隐马尔科夫模型的室内定位方法,其特征在于,位置转移矩阵A的构造方法为:根据设置的参考位置和定位区域的结构布局,建立参考位置的无向连通图G,根据无向连通图G和Dijkstra算法,得到参考位置之间的最短距离,然后根据泊松分布特性构建位置转移矩阵,即:其中,pij表示参考位置li到参考位置lj的转移概率,dij表示参考位置li到参考位置lj的最短距离,λ表示移动速率;对pij做归一化处理,即,得到系数η;令aij=η·pij,得到位置转移矩阵A={aij , i,j=1,2,...,n,}。4.  根据权利要求2所述的一种基于隐马尔科夫模型的室内定位方法,其特征在于,混淆矩阵B的构造方法为:定义混淆矩阵B={bjk , j=1,2,...,n, k=1,2,...,K},其中bjk表示在参考位置lj上RSSI指纹为Tk的后验概率,{Tk |k=1,...,K}表示所有可能的RSSI指纹空间;利用贝叶斯方法计算bjk:采集每个参考位置的RSSI特征值;假设参考指纹Rj={(rj1,σj1),(rj2,σj2),...,(rjm,σjm)},其中,Rj表示参考位置j上的参考指纹,rjm表示在参考位置lj测量第m个信标基站的RSSI特征值,σjm表示rjm对应的RSSI标准差;则在参考位置lj上测得第m个信标基站apm的RSSI特征值为tm的后验概率:最后令bjk= Pj1·Pj2·Pj3...·Pjm。5.  根据权利要求1所述的一种基于隐马尔科夫模型的室内定位方法,其特征在于,利用Viterbi算法进行实时定位的方法为:首先定义一个部分概率δ,δt(i)表示在t时刻,移动到位置i的所有可能的位置序列中概率最大的序列的概率;则部分最优序列为达到这个最大概率的序列;对于每一个时刻的每一个位置都有一个部分概率和部分最优序列;通过计算t=T时刻的每一个位置的最大概率和部分最优序列,选择其中概率最大的位置和其部分最优序列得到全局的最优序列,则t=T时刻最大部分概率的位置即为定位结果;计算t=1时刻的部分概率:计算t>1时刻的部分概率:令δt(i)值最大的位置i为定位结果。

说明书

说明书一种基于隐马尔科夫模型的室内定位方法
技术领域
本发明涉及无线网络技术领域,特别涉及一种基于隐马尔科夫模型的室内定位方法,可应用于室内的人员或者车辆等移动目标的定位。
背景技术
由于能适应室内复杂的多径效应,基于非测距的RSSI指纹定位方法已被广泛应用于各种室内定位系统中。在室内环境中,由于无线信号的传播容易受温度、湿度和人员走动的影响,因此RSSI的测量值波动较大。为了提高测量的稳定性和精度,许多基于RSSI的定位算法往往采用多次采集取平均或加权的方法。但是这种多次测量的方法只能应用于移动特征较弱的目标,当待定位目标的移动特征较强,系统往往难于在同一个位置上采集到多次的RSSI数据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于隐马尔科夫模型的室内定位方法,该方法可以提高室内无线定位的精度和稳定性。
为实现上述目的,本发明的技术方案是:一种基于隐马尔科夫模型的室内定位方法,该方法包括离线阶段和实时定位阶段;
离线阶段包括以下步骤:
步骤101:根据定位区域设置信标基站和参考位置;
步骤102:建立参考位置的无向连通图,并根据参考位置的无向连通图建立位置转移矩阵;
步骤103:在每个参考位置采集各个信标基站的RSSI特征值,建立定位区域的RSSI指纹数据库;
步骤104:利用贝叶斯方法构建参考位置和RSSI指纹的混淆矩阵,建立基于隐马尔科夫模型的定位模型,即隐马尔科夫定位模型;
实时定位阶段包括以下步骤:
步骤201:移动设备采集实时RSSI特征值并发送给定位服务器;
步骤202:定位服务器基于Viterbi算法计算连续运动最大可能的轨迹序列,将轨迹序列的最后位置作为定位结果。
进一步的,隐马尔科夫定位模型定义为一个五元组HMLM={n, m, П, A, B},其中,n是参考位置的个数,m是信标基站的个数,Π=πii=1,…,n,πi表示初始状态i的概率,A是位置转移矩阵,B是混淆矩阵。
进一步的,位置转移矩阵A的构造方法为:根据设置的参考位置和定位区域的结构布局,建立参考位置的无向连通图G,根据无向连通图G和Dijkstra算法,得到参考位置之间的最短距离,然后根据泊松分布特性构建位置转移矩阵,即:

其中,pij表示参考位置li到参考位置lj的转移概率,dij表示参考位置li到参考位置lj的最短距离,λ表示移动速率;
pij做归一化处理,即,得到系数η;
aij=η·pij,得到位置转移矩阵A={aij , i,j=1,2,...,n,}。
进一步的,混淆矩阵B的构造方法为:定义混淆矩阵B={bjk , j=1,2,...,n, k=1,2,...,K},其中bjk表示在参考位置lj上RSSI指纹为Tk的后验概率,{Tk|k=1,...,K}表示所有可能的RSSI指纹空间;
利用贝叶斯方法计算bjk:采集每个参考位置的RSSI特征值;假设参考指纹Rj={(rj1,σj1),(rj2,σj2),...,(rjm,σjm)},其中,Rj表示参考位置j上的参考指纹,rjm表示在参考位置lj测量第m个信标基站的RSSI特征值,σjm表示rjm对应的RSSI标准差;则在参考位置lj上测得第m个信标基站apm的RSSI特征值为tm的后验概率:

最后令bjk= Pj1·Pj2·Pj3...·Pjm
进一步的,利用Viterbi算法进行实时定位的方法为:首先定义一个部分概率δδt(i)表示在t时刻,移动到位置i的所有可能的位置序列中概率最大的序列的概率;则部分最优序列为达到这个最大概率的序列;对于每一个时刻的每一个位置都有一个部分概率和部分最优序列;通过计算t=T时刻的每一个位置的最大概率和部分最优序列,选择其中概率最大的位置和其部分最优序列得到全局的最优序列,则t=T时刻最大部分概率的位置即为定位结果;
计算t=1时刻的部分概率:
计算t>1时刻的部分概率:
δt(i)值最大的位置i为定位结果。
本发明的有益效果是引入隐马尔科夫模型描述室内定位模型,利用移动目标历史的位置信息和移动空间的限制来计算移动目标的最大可能移动路径,将该路径的终点作为定位结果,该方法有效的降低了连续运动过程中RSSI波动对单次采集实时RSSI指纹定位造成的误差,提高了定位精度和稳定性,能较好地适应目标连续移动的定位场景,在RSSI波动较大的环境中仍具有较高的定位精度和稳定性。
附图说明
图1是本发明方法中隐马尔科夫定位模型的定位原理图。
图2是本发明方法中混淆矩阵的示意图。
图3是本发明方法中实时定位阶段设备运行示意图。
图4是本发明的实现流程图。
具体实施方式
本发明定义基于隐马尔科夫模型的定位模型,即隐马尔科夫定位模型为一个五元组HMLM={n, m, П, A, B},其中,n是参考位置的个数,m是信标基站的个数,Π=πii=1,…,n,πi表示初始状态i的概率,A是位置转移矩阵,B是混淆矩阵。本发明基于隐马尔科夫模型的室内定位方法,包括离线阶段和实时定位阶段。
离线阶段包括以下步骤:
步骤101:根据定位区域设置信标基站和参考位置。
步骤102:建立参考位置的无向连通图,并根据参考位置的无向连通图建立位置转移矩阵。其中,位置转移矩阵A的构造方法为:根据设置的参考位置和定位区域的结构布局,建立参考位置的无向连通图G,根据无向连通图G和Dijkstra算法,得到参考位置之间的最短距离,然后根据泊松分布特性构建位置转移矩阵,即:

其中,pij表示参考位置li到参考位置lj的转移概率,dij表示参考位置li到参考位置lj的最短距离,λ表示移动速率;
pij做归一化处理,即,得到系数η;
aij=η·pij,得到位置转移矩阵A={aij , i,j=1,2,...,n,}。
步骤103:在每个参考位置采集各个信标基站的RSSI特征值,建立定位区域的RSSI指纹数据库。
步骤104:利用贝叶斯方法构建参考位置和RSSI指纹的混淆矩阵,建立基于隐马尔科夫模型的定位模型,即隐马尔科夫定位模型。其中,混淆矩阵B的构造方法为:定义混淆矩阵B={bjk , j=1,2,...,n, k=1,2,...,K},其中bjk表示在参考位置lj上RSSI指纹为Tk的后验概率,{Tk|k=1,...,K}表示所有可能的RSSI指纹空间;
利用贝叶斯方法计算bjk:采集每个参考位置的RSSI特征值;假设参考指纹Rj={(rj1,σj1),(rj2,σj2),...,(rjm,σjm)},其中,Rj表示参考位置j上的参考指纹,rjm表示在参考位置lj测量第m个信标基站的RSSI特征值,σjm表示rjm对应的RSSI标准差;则在参考位置lj上测得第m个信标基站apm的RSSI特征值为tm的后验概率:

最后令bjk= Pj1·Pj2·Pj3...·Pjm
实时定位阶段包括以下步骤:
步骤201:移动设备采集实时RSSI特征值并发送给定位服务器。
步骤202:定位服务器基于Viterbi算法计算连续运动最大可能的轨迹序列,将轨迹序列的最后位置作为定位结果。其中,利用Viterbi算法进行实时定位的方法为:首先定义一个部分概率δδt(i)表示在t时刻,移动到位置i的所有可能的位置序列中概率最大的序列的概率;则部分最优序列为达到这个最大概率的序列;对于每一个时刻的每一个位置都有一个部分概率和部分最优序列;通过计算t=T时刻的每一个位置的最大概率和部分最优序列,选择其中概率最大的位置和其部分最优序列得到全局的最优序列,则t=T时刻最大部分概率的位置即为定位结果;
计算t=1时刻的部分概率:
计算t>1时刻的部分概率:
δt(i)值最大的位置i为定位结果。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
基于隐马尔科夫模型的定位模型:
本发明将隐马尔科夫模型HMM引入到室内定位中,建立基于隐马尔科夫模型的定位模型,即隐马尔科夫定位模型(Hidden Markov Localizing Model, HMLM)。图1为隐马尔科夫定位模型的定位原理图,其中,lj'表示在一个定位序列中的第j次定位位置,Tj'表示一个定位序列中第j次实时采集的目标RSSI指纹,当有m个信标基站时,Tj'可进一步表示Tj'={tj1',…, tjm'},表示实时定位阶段中采集目标指纹的时间间隔。
因此,本发明定义HMLM为一个五元组{n, m, П, A, B},其中:n是参考点位置的个数;m是信标基站的个数;Π=πii=1,…,n,πi表示初始状态i的概率,即位置序列中第一个位置的后验概率,各位置概率可认为相等;A是位置转移矩阵,A=aiji,j=1,…,n,aij表示位置l-i到位置l-j的转移概率;B是位置与概率相对应的混淆矩阵,B=bjki=1,…,n,k=1,…,K,K为离线指纹空间大小。
在位置转移矩阵和混淆矩阵中的每个概率都是时间无关的,即当系统演化时,这些矩阵并不随时间改变。对于一个n和m固定的HMM来说,可以用λ={ π, A, B}表示 HMLM 参数。 
位置转移矩阵的构造方法:
根据室内布局结构建立参考点位置的无向连通图G,G定义如下:

其中,V表示参考位置集合,E表示参考位置之间连通边的集合,eij表示位置i与位置j的连通关系,1表示连通,0表示不连通。
根据无向连通图G和Dijkstra算法,可以得到参考位置点之间的最短距离dij。然后根据泊松分布的特性来构建转移矩阵,即:

其中,pij表示位置i到位置j的转移概率;而λ为移动速率,可以取每秒移动距离1米或2米方便计算;
pij做归一化处理,即,得到系数η。
aij=η·pij,得到转移矩阵A={aiji,j=1,2,...,n,}。
混淆矩阵的构造方法:
混淆矩阵是隐藏的位置状态和可观察的RSSI特征状态之间的概率关系矩阵。如图2所示,混淆矩阵B={bjk,,j=1,2,...,n, k=1,2,...,K},其中bjk表示在参考位置lj上RSSI指纹为Tk的后验概率,{Tk|k=1,...,K}表示所有可能的RSSI指纹空间。
本发明利用贝叶斯方法来计算bjk。首先根据室内平面图设定好参考点位置,然后采集每个参考位置的RSSI特征。为了提高精度和稳定性,可以在同一位置采集多次(一般为50到100次),并做均值和方差计算。假设参考指纹Rj={(rj1,σj1),(rj2,σj2),...,(rjm,σjm)},其中,Rj表示位置j上的参考指纹,rjm表示在参考位置j测量第m个信标基站的RSSI特征值,σjm表示rjm对应的RSSI标准差。则在位置lj上测得第m个信标基站的RSSI特征为tm的后验概率,计算如下:

由于接收自不同信标基站的RSSI值都可以认为是相互独立的,那么通过所有条件概率相乘向多维推广,即在多信标环境下bjk= Pj1·Pj2·Pj3…·Pjm
基于Viterbi算法的实时定位方法:
Viterbi算法可以根据给定的HMM和可观察到序列计算出最可能的隐藏状态序列。利用该算法,可以在实时定位阶段中根据一个定位序列中连续采集到的多次RSSI特征(一般为3~5次),找到最大可能的位置序列。
首先,定义一个部分概率δδt(i)表示在t时刻,移动到位置i的所有可能的位置序列中概率最大的序列的概率;则部分最优序列就是达到这个最大概率的序列。对于每一个时刻的每一个位置都有一个部分概率和部分最优序列。通过计算t=T时刻的每一个位置的最大概率和部分最优序列,选择其中概率最大的位置和它的部分最优序列就可以得到全局的最优序列,因此t=T时刻最大部分概率的位置即为定位结果。
计算t=1时刻的部分概率:
计算t>1时刻的部分概率:
δt(i)值最大的位置i即为定位结果。
下面结合图3、图4说明本发明的实施流程,本发明的具体实施步骤包括离线阶段和实时定位阶段:
(1)离线阶段:
步骤1:设置m个信标基站{ap1,ap2,…,apm}和n个参考位置{l1,l2,…,ln}。信标基站的数目m建议为3~5个,并且分布在定位区域的四周;参考点位置为等间距,建议设置距离为1~2米。
步骤2:根据设定的参考点位置和定位区域的结构布局,建立参考点位置的无向连通图G= <V, E>;根据上述位置转移矩阵的构造方法,生成位置转移矩阵A={aiji,j=1,2,...,n,}。
步骤3:采集所有参考位置{l1,l2,…,ln}的离线RSSI特征库。假设Rj表示参考位置lj上的参考指纹,则Rj={(rj1,σj1),(rj2,σj2),,...,(rjm,σjm)},其中,rjm表示在参考位置lj测量信标基站apm的RSSI特征值,σjm表示rjm对应的RSSI标准差。为了提高稳定性和精确度,可以在同一位置采集50到100次RSSI值,并做均值和方差计算。
步骤4:根据上述混淆矩阵的构造方法,生成混淆矩阵B={bjk,,j=1,2,...,n, k=1,2,...,K}。
(2)实时定位阶段
步骤1:获取实时RSSI。
如图3所示,移动目标通过携带的移动设备测量各信标基站的RSSI值,并提交给定位服务器。可以定义实时指纹为Tj'={tj1',…, tjm'},Tj'表示在一个定位序列中第j次采集的实时RSSI指纹,tjm'表示信标基站apm的RSSI值。根据设置的连续定位序列长度,并将一个定位序列的所有实时指纹一同发送到定位服务器。其中,设备的采集频率为1次/秒,一次定位序列的时间周期为3到4秒。
步骤2:位置估算。
根据已构建的HMM参数和实时定位阶段收集到的指纹序列,并利用Viterbi 算法计算出最优可能的物理位置的序列,最后将序列的最后位置作为定位结果。
以上是本发明的较佳实施例,凡依本发明技术方案所作的改变,所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时,均属于本发明的保护范围。

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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410812548.6(22)申请日 2014.12.24H04W 64/00(2009.01)(71)申请人福建师范大学地址 350117 福建省福州市大学城福建师范大学旗山校区(72)发明人叶阿勇 绍剑飞 陈秋玲 郑永星李亚成(74)专利代理机构福州元创专利商标代理有限公司 35100代理人蔡学俊(54) 发明名称一种基于隐马尔科夫模型的室内定位方法(57) 摘要本发明涉及一种基于隐马尔科夫模型的室内定位方法,该方法利用RSSI指纹特征进行定位,包括离线阶段和实时定位阶段;离线阶段包括:设置信标基站和参考位置;建立参考位置的无向。

2、连通图并据此建立位置转移矩阵;在每个参考位置采集各个信标基站的RSSI特征值,建立定位区域的RSSI指纹数据库;利用贝叶斯方法构建参考位置和RSSI指纹的混淆矩阵,建立隐马尔科夫定位模型;实时定位阶段包括:移动设备采集实时RSSI特征值并发送给定位服务器;定位服务器计算连续运动最大可能的轨迹序列,将轨迹序列的最后位置作为定位结果。该方法可以有效降低连续运动过程中RSSI波动对定位结果造成的误差,提高了室内无线定位的精度和稳定性。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书6页 附图2页(10)申请公布号 CN 104469942 A(43。

3、)申请公布日 2015.03.25CN 104469942 A1/2 页21. 一 种 基 于 隐 马 尔 科 夫 模 型 的 室 内 定 位 方 法, 其 特 征 在 于, 该 方 法 包 括 离 线 阶 段 和 实时定位阶段 ;离线阶段包括以下步骤 :步骤 101 : 根据定位区域设置信标基站和参考位置 ;步 骤 102 : 建 立 参 考 位 置 的 无 向 连 通 图, 并 根 据 参 考 位 置 的 无 向 连 通 图 建 立 位 置 转 移矩阵 ;步骤 103 : 在每个参考位置采集各个信标基站的 RSSI特征值, 建立定位区域的 RSSI指纹数据库 ;步 骤 104 : 利 用 。

4、贝 叶 斯 方 法 构 建 参 考 位 置 和 RSSI 指 纹 的 混 淆 矩 阵, 建 立 基 于 隐 马 尔 科夫模型的定位模型, 即隐马尔科夫定位模型 ;实时定位阶段包括以下步骤 :步骤 201 : 移动设备采集实时 RSSI 特征值并发送给定位服务器 ;步骤 202 : 定位服务器基于 Viterbi算法计算连续运动最大可能的轨迹序列, 将轨迹序列的最后位置作为定位结果。2. 根 据 权 利 要 求 1 所 述 的 一 种 基 于 隐 马 尔 科 夫 模 型 的 室 内 定 位 方 法, 其 特 征 在 于, 隐马尔科夫定位模型定义为一个五元组 HMLM=n, m, , A, B, 。

5、其中, n是参考位置的个数,m 是信标基站的个数, =i, i=1,n, i表示初始状态 i 的概率, A 是位置转移矩阵, B是混淆矩阵。3. 根 据 权 利 要 求 2 所 述 的 一 种 基 于 隐 马 尔 科 夫 模 型 的 室 内 定 位 方 法, 其 特 征 在 于, 位置 转 移 矩 阵 A 的 构 造 方 法 为 : 根 据 设 置 的 参 考 位 置 和 定 位 区 域 的 结 构 布 局, 建 立 参 考 位 置的无向连通图 G, 根据无向连通图 G 和 Dijkstra 算法, 得到参考位置之间的最短距离, 然后根据泊松分布特性构建位置转移矩阵, 即 :其中, pij表示。

6、参考位置 li到参考位置 lj的转移概率, dij表示参考位置 li到参考位置lj的最短距离, 表示移动速率 ;对 pij做归一化处理, 即 , 得到系数 ;令 aij= pij, 得到位置转移矩阵 A=aij, i,j=1,2,.,n,。4. 根 据 权 利 要 求 2 所 述 的 一 种 基 于 隐 马 尔 科 夫 模 型 的 室 内 定 位 方 法, 其 特 征 在 于, 混淆矩阵 B 的构造方法为 : 定义混淆矩阵 B=bjk, j=1,2,.,n, k=1,2,.,K, 其中 bjk表示在参考位置 lj上 RSSI 指纹为 Tk的后验概率, Tk |k=1,.,K 表示所有可能的 R。

7、SSI 指纹空间 ;利用贝叶斯方法计算 bjk: 采集每个参考位置的 RSSI特征值 ; 假设参考指纹 Rj=(rj1,j1),(rj2,j2),.,(rjm,jm), 其中, Rj表示参考位置 j 上的参考指纹, rjm表示在参考位置lj测量第 m 个信标基站的 RSSI 特征值, jm表示 rjm对应的 RSSI 标准差 ; 则在参考位置 lj权 利 要 求 书CN 104469942 A2/2 页3上测得第 m 个信标基站 apm的 RSSI 特征值为 tm的后验概率 :最后令 bjk=Pj1Pj2Pj3.Pjm。5. 根 据 权 利 要 求 1 所 述 的 一 种 基 于 隐 马 尔 。

8、科 夫 模 型 的 室 内 定 位 方 法, 其 特 征 在 于, 利用 Viterbi算法进行实时定位的方法为 : 首先定义一个部分概率 , t(i)表示在 t 时刻,移 动 到 位 置 i 的 所 有 可 能 的 位 置 序 列 中 概 率 最 大 的 序 列 的 概 率 ; 则 部 分 最 优 序 列 为 达 到 这个 最 大 概 率 的 序 列 ; 对 于 每 一 个 时 刻 的 每 一 个 位 置 都 有 一 个 部 分 概 率 和 部 分 最 优 序 列 ; 通过 计 算 t=T 时 刻 的 每 一 个 位 置 的 最 大 概 率 和 部 分 最 优 序 列, 选 择 其 中 概 。

9、率 最 大 的 位 置 和 其部分最优序列得到全局的最优序列, 则 t=T 时刻最大部分概率的位置即为定位结果 ;计算 t=1 时刻的部分概率 :计算 t1 时刻的部分概率 :令 t(i) 值最大的位置 i 为定位结果。权 利 要 求 书CN 104469942 A1/6 页4一种基于隐马尔科夫模型的室内定位方法技术领域0001 本 发 明 涉 及 无 线 网 络 技 术 领 域, 特 别 涉 及 一 种 基 于 隐 马 尔 科 夫 模 型 的 室 内 定 位 方法, 可应用于室内的人员或者车辆等移动目标的定位。背景技术0002 由 于 能 适 应 室 内 复 杂 的 多 径 效 应, 基 于。

10、 非 测 距 的 RSSI 指 纹 定 位 方 法 已 被 广 泛 应用于各种室内定位系统中。 在室内环境中, 由于无线信号的传播容易受温度、 湿度和人员走动的影响, 因此 RSSI的测量值波动较大。 为了提高测量的稳定性和精度, 许多基于 RSSI的定位算法往往采用多次采集取平均或加权的方法。 但是这种多次测量的方法只能应用于移动 特 征 较 弱 的 目 标, 当 待 定 位 目 标 的 移 动 特 征 较 强, 系 统 往 往 难 于 在 同 一 个 位 置 上 采 集 到多次的 RSSI 数据。发明内容0003 本 发 明 的 目 的 在 于 提 供 一 种 基 于 隐 马 尔 科 夫 。

11、模 型 的 室 内 定 位 方 法, 该 方 法 可 以 提高室内无线定位的精度和稳定性。0004 为 实 现 上 述 目 的, 本 发 明 的 技 术 方 案 是 : 一 种 基 于 隐 马 尔 科 夫 模 型 的 室 内 定 位 方法, 该方法包括离线阶段和实时定位阶段 ;离线阶段包括以下步骤 :步骤 101 : 根据定位区域设置信标基站和参考位置 ;步 骤 102 : 建 立 参 考 位 置 的 无 向 连 通 图, 并 根 据 参 考 位 置 的 无 向 连 通 图 建 立 位 置 转 移矩阵 ;步骤 103 : 在每个参考位置采集各个信标基站的 RSSI特征值, 建立定位区域的 RS。

12、SI指纹数据库 ;步 骤 104 : 利 用 贝 叶 斯 方 法 构 建 参 考 位 置 和 RSSI 指 纹 的 混 淆 矩 阵, 建 立 基 于 隐 马 尔 科夫模型的定位模型, 即隐马尔科夫定位模型 ;实时定位阶段包括以下步骤 :步骤 201 : 移动设备采集实时 RSSI 特征值并发送给定位服务器 ;步骤 202 : 定位服务器基于 Viterbi算法计算连续运动最大可能的轨迹序列, 将轨迹序列的最后位置作为定位结果。0005 进 一 步 的 , 隐 马 尔 科 夫 定 位 模 型 定 义 为 一 个 五 元 组 HMLM=n, m, , A, B, 其 中 ,n 是参考位置的个数, 。

13、m 是信标基站的个数, =i, i=1,n, i表示初始状态 i 的概率,A 是位置转移矩阵, B 是混淆矩阵。0006 进 一 步 的, 位 置 转 移 矩 阵 A 的 构 造 方 法 为 : 根 据 设 置 的 参 考 位 置 和 定 位 区 域 的 结构布局, 建立参考位置的无向连通图 G, 根据无向连通图 G 和 Dijkstra 算法, 得到参考位置之间的最短距离, 然后根据泊松分布特性构建位置转移矩阵, 即 :说 明 书CN 104469942 A2/6 页5其中, pij表示参考位置 li到参考位置 lj的转移概率, dij表示参考位置 li到参考位置lj的最短距离, 表示移动速。

14、率 ;对 pij做归一化处理, 即 , 得到系数 ;令 aij= pij, 得到位置转移矩阵 A=aij, i,j=1,2,.,n,。0007 进 一 步 的, 混 淆 矩 阵 B 的 构 造 方 法 为 : 定 义 混 淆 矩 阵 B=bjk, j=1,2,.,n, k=1,2,.,K, 其 中 bjk表 示 在 参 考 位 置 lj上 RSSI 指 纹 为 Tk的 后 验 概 率, Tk|k=1,.,K表示所有可能的 RSSI 指纹空间 ;利用贝叶斯方法计算 bjk: 采集每个参考位置的 RSSI特征值 ; 假设参考指纹 Rj=(rj1,j1),(rj2,j2),.,(rjm,jm), 其。

15、中, Rj表示参考位置 j 上的参考指纹, rjm表示在参考位置lj测量第 m 个信标基站的 RSSI 特征值, jm表示 rjm对应的 RSSI 标准差 ; 则在参考位置 lj上测得第 m 个信标基站 apm的 RSSI 特征值为 tm的后验概率 :最后令 bjk=Pj1Pj2Pj3.Pjm。0008 进一步的, 利用 Viterbi算法进行实时定位的方法为 : 首先定义一个部分概率 ,t(i)表示在 t 时刻, 移动到位置 i 的所有可能的位置序列中概率最大的序列的概率 ; 则部分 最 优 序 列 为 达 到 这 个 最 大 概 率 的 序 列 ; 对 于 每 一 个 时 刻 的 每 一 。

16、个 位 置 都 有 一 个 部 分 概 率和 部 分 最 优 序 列 ; 通 过 计 算 t=T 时 刻 的 每 一 个 位 置 的 最 大 概 率 和 部 分 最 优 序 列, 选 择 其 中概 率 最 大 的 位 置 和 其 部 分 最 优 序 列 得 到 全 局 的 最 优 序 列, 则 t=T 时 刻 最 大 部 分 概 率 的 位 置即为定位结果 ;计算 t=1 时刻的部分概率 :计算 t1 时刻的部分概率 :令 t(i) 值最大的位置 i 为定位结果。0009 本 发 明 的 有 益 效 果 是 引 入 隐 马 尔 科 夫 模 型 描 述 室 内 定 位 模 型, 利 用 移 动 。

17、目 标 历 史的 位 置 信 息 和 移 动 空 间 的 限 制 来 计 算 移 动 目 标 的 最 大 可 能 移 动 路 径, 将 该 路 径 的 终 点 作 为定 位 结 果, 该 方 法 有 效 的 降 低 了 连 续 运 动 过 程 中 RSSI 波 动 对 单 次 采 集 实 时 RSSI 指 纹 定 位造 成 的 误 差, 提 高 了 定 位 精 度 和 稳 定 性, 能 较 好 地 适 应 目 标 连 续 移 动 的 定 位 场 景, 在 RSSI波动较大的环境中仍具有较高的定位精度和稳定性。说 明 书CN 104469942 A3/6 页6附图说明0010 图 1 是本发明方。

18、法中隐马尔科夫定位模型的定位原理图。0011 图 2 是本发明方法中混淆矩阵的示意图。0012 图 3 是本发明方法中实时定位阶段设备运行示意图。0013 图 4 是本发明的实现流程图。具体实施方式0014 本 发 明 定 义 基 于 隐 马 尔 科 夫 模 型 的 定 位 模 型, 即 隐 马 尔 科 夫 定 位 模 型 为 一 个 五元组 HMLM=n, m, , A, B, 其中, n 是参考位置的个数, m 是信标基站的个数, =i,i=1,n, i表示初始状态 i 的概率, A 是位置转移矩阵, B 是混淆矩阵。本发明基于隐马尔科夫模型的室内定位方法, 包括离线阶段和实时定位阶段。0。

19、015 离线阶段包括以下步骤 :步骤 101 : 根据定位区域设置信标基站和参考位置。0016 步 骤 102 : 建 立 参 考 位 置 的 无 向 连 通 图, 并 根 据 参 考 位 置 的 无 向 连 通 图 建 立 位 置转移矩阵。 其中, 位置转移矩阵 A的构造方法为 : 根据设置的参考位置和定位区域的结构布局, 建立参考位置的无向连通图 G, 根据无向连通图 G 和 Dijkstra 算法, 得到参考位置之间的最短距离, 然后根据泊松分布特性构建位置转移矩阵, 即 :其中, pij表示参考位置 li到参考位置 lj的转移概率, dij表示参考位置 li到参考位置lj的最短距离, 。

20、表示移动速率 ;对 pij做归一化处理, 即 , 得到系数 ;令 aij= pij, 得到位置转移矩阵 A=aij, i,j=1,2,.,n,。0017 步 骤 103 : 在 每 个 参 考 位 置 采 集 各 个 信 标 基 站 的 RSSI 特 征 值, 建 立 定 位 区 域 的RSSI 指纹数据库。0018 步 骤 104 : 利 用 贝 叶 斯 方 法 构 建 参 考 位 置 和 RSSI 指 纹 的 混 淆 矩 阵, 建 立 基 于 隐 马尔 科 夫 模 型 的 定 位 模 型, 即 隐 马 尔 科 夫 定 位 模 型。 其 中, 混 淆 矩 阵 B 的 构 造 方 法 为 : 。

21、定 义 混淆矩阵 B=bjk, j=1,2,.,n, k=1,2,.,K, 其中 bjk表示在参考位置 lj上 RSSI 指纹为Tk的后验概率, Tk|k=1,.,K 表示所有可能的 RSSI 指纹空间 ;利用贝叶斯方法计算 bjk: 采集每个参考位置的 RSSI特征值 ; 假设参考指纹 Rj=(rj1,j1),(rj2,j2),.,(rjm,jm), 其中, Rj表示参考位置 j 上的参考指纹, rjm表示在参考位置lj测量第 m 个信 标基站的 RSSI 特征值, jm表示 rjm对应的 RSSI 标准差 ; 则在参考位置 lj上测得第 m 个信标基站 apm的 RSSI 特征值为 tm的。

22、后验概率 :说 明 书CN 104469942 A4/6 页7最后令 bjk=Pj1Pj2Pj3.Pjm。0019 实时定位阶段包括以下步骤 :步骤 201 : 移动设备采集实时 RSSI 特征值并发送给定位服务器。0020 步骤 202 : 定位服务器基于 Viterbi算法计算连续运动最大可能的轨迹序列, 将轨迹序列的最后位置作为定位结果。 其中, 利用 Viterbi算法进行实时定位的方法为 : 首先定义 一 个 部 分 概 率 , t(i) 表 示 在 t 时 刻, 移 动 到 位 置 i 的 所 有 可 能 的 位 置 序 列 中 概 率 最大 的 序 列 的 概 率 ; 则 部 分。

23、 最 优 序 列 为 达 到 这 个 最 大 概 率 的 序 列 ; 对 于 每 一 个 时 刻 的 每 一 个位 置 都 有 一 个 部 分 概 率 和 部 分 最 优 序 列 ; 通 过 计 算 t=T 时 刻 的 每 一 个 位 置 的 最 大 概 率 和 部分 最 优 序 列, 选 择 其 中 概 率 最 大 的 位 置 和 其 部 分 最 优 序 列 得 到 全 局 的 最 优 序 列, 则 t=T 时刻最大部分概率的位置即为定位结果 ;计算 t=1 时刻的部分概率 :计算 t1 时刻的部分概率 :令 t(i) 值最大的位置 i 为定位结果。0021 下面结合附图及具体实施例对本发明。

24、作进一步的详细说明。0022 基于隐马尔科夫模型的定位模型 :本 发 明 将 隐 马 尔 科 夫 模 型 HMM 引 入 到 室 内 定 位 中, 建 立 基 于 隐 马 尔 科 夫 模 型 的 定 位 模型, 即隐马尔科夫定位模型 (Hidden Markov Localizing Model, HMLM) 。图 1 为隐马尔科夫定位模型的定位原理图, 其中, lj 表示在一个定位序列中的第 j 次定位位置, Tj 表示一个 定 位 序 列 中 第 j 次 实 时 采 集 的 目 标 RSSI 指 纹, 当 有 m 个 信 标 基 站 时, Tj 可 进 一 步 表 示Tj=tj1, tjm。

25、, 表示实时定位阶段中采集目标指纹的时间间隔。0023 因此, 本发明定义 HMLM为一个五元组 n, m, , A, B, 其中 : n是参考点位置的个数 ; m是信标基站的个数 ; =i, i=1,n, i表示初始状态 i 的概率, 即位置序列中第一个位置的后验 概率, 各位置概率可认为相等 ; A 是位置转移矩阵, A=aij, i,j=1,n, aij表 示 位 置 l i到 位 置 l j的 转 移 概 率 ; B 是 位 置 与 概 率 相 对 应 的 混 淆 矩 阵, B=bjk, i=1,n,k=1,K, K 为离线指纹空间大小。0024 在 位 置 转 移 矩 阵 和 混 淆。

26、 矩 阵 中 的 每 个 概 率 都 是 时 间 无 关 的, 即 当 系 统 演 化 时, 这些 矩 阵 并 不 随 时 间 改 变。 对 于 一 个 n 和 m 固 定 的 HMM 来 说, 可 以 用 = , A, B 表 示 HMLM 参数。0025 位置转移矩阵的构造方法 :根据室内布局结构建立参考点位置的无向连通图 G, G 定义如下 :说 明 书CN 104469942 A5/6 页8其中, V 表示参考位置集合, E 表示参考位置之间连通边的集合, eij表示位置 i 与位置j 的连通关系, 1 表示连通, 0 表示不连通。0026 根据无向连通图 G和 Dijkstra算法,。

27、 可以得到参考位置点之间的最短距离 dij。 然后根据泊松分布的特性来构建转移矩阵, 即 :其 中, pij表 示 位 置 i 到 位 置 j 的 转 移 概 率 ; 而 为 移 动 速 率, 可 以 取 每 秒 移 动 距 离 1米或 2 米方便计算 ;对 pij做归一化处理, 即 , 得到系数 。0027 令 aij= pij, 得到转移矩阵 A=aij, i,j=1,2,.,n,。0028 混淆矩阵的构造方法 :混淆矩阵是隐藏的位置状态和可观察的 RSSI特征状态之间的概率关系矩阵。 如图 2所示, 混 淆 矩 阵 B=bjk,j=1,2,.,n, k=1,2,.,K, 其 中 bjk表。

28、 示 在 参 考 位 置 lj上 RSSI 指纹为 Tk的后验概率, Tk|k=1,.,K 表示所有可能的 RSSI 指纹空间。0029 本发明利用贝叶斯方法来计算 bjk。 首先根据室内平面图设定好参考点位置, 然后采 集 每 个 参 考 位 置 的 RSSI 特 征。 为 了 提 高 精 度 和 稳 定 性, 可 以 在 同 一 位 置 采 集 多 次 ( 一 般为 50 到 100 次 ) , 并 做 均 值 和 方 差 计 算。 假 设 参 考 指 纹 Rj=(rj1,j1),(rj2,j2),.,(rjm,jm), 其 中, Rj表 示 位 置 j 上 的 参 考 指 纹, rjm表。

29、 示 在 参 考 位 置 j 测 量 第 m 个 信 标 基 站 的RSSI特征值, jm表示 rjm对应的 RSSI标准差。 则在位置 lj上测得第 m个信标基站的 RSSI特征为 tm的后验概率, 计算如下 :由 于 接 收 自 不 同 信 标 基 站 的 RSSI 值 都 可 以 认 为 是 相 互 独 立 的, 那 么 通 过 所 有 条 件 概率相乘向多维推广, 即在多信标环境下 bjk=Pj1Pj2Pj3Pjm。0030 基于 Viterbi 算法的实时定位方法 :Viterbi 算法可以根据给定的 HMM 和可观察到序列计算出最可能的隐藏状态序列。 利用 该 算 法, 可 以 在。

30、 实 时 定 位 阶 段 中 根 据 一 个 定 位 序 列 中 连 续 采 集 到 的 多 次 RSSI 特 征 ( 一 般为 35 次 ) , 找到最大可能的位置序列。说 明 书CN 104469942 A6/6 页90031 首先, 定义一个部分概率 , t(i) 表示在 t 时刻, 移动到位置 i 的所有可能的位置 序 列 中 概 率 最 大 的 序 列 的 概 率 ; 则 部 分 最 优 序 列 就 是 达 到 这 个 最 大 概 率 的 序 列。 对 于 每一个时刻的每一个位置都有一个部分概率和部分最优序列。 通过计算 t=T时刻的每一个位置 的 最 大 概 率 和 部 分 最 优。

31、 序 列, 选 择 其 中 概 率 最 大 的 位 置 和 它 的 部 分 最 优 序 列 就 可 以 得 到全局的最优序列, 因此 t=T 时刻最大部分概率的位置即为定位结果。0032 计算 t=1 时刻的部分概率 :计算 t1 时刻的部分概率 :令 t(i) 值最大的位置 i 即为定位结果。0033 下面结合图 3、 图 4 说明本发明的实施流程, 本发明的具体实施步骤包括离线阶段和实时定位阶段 :(1) 离线阶段 :步骤 1 : 设置 m 个信标基站 ap1, ap2, apm 和 n 个参考位置 l1, l2, ln。信标基 站 的 数 目 m 建 议 为 35 个, 并 且 分 布 。

32、在 定 位 区 域 的 四 周 ; 参 考 点 位 置 为 等 间 距, 建 议 设 置距离为 12 米。0034 步 骤 2 : 根 据 设 定 的 参 考 点 位 置 和 定 位 区 域 的 结 构 布 局, 建 立 参 考 点 位 置 的 无向 连 通 图 G= ; 根 据 上 述 位 置 转 移 矩 阵 的 构 造 方 法, 生 成 位 置 转 移 矩 阵 A=aij,i,j=1,2,.,n,。0035 步 骤 3 : 采 集 所 有 参 考 位 置 l1, l2, , ln 的 离 线 RSSI 特 征 库。 假 设 Rj表 示 参考位置 lj上的参考指纹, 则 Rj=(rj1,j1。

33、),(rj2,j2),.,(rjm,jm), 其中, rjm表示在参考位置 lj测量信标 基站 apm的 RSSI 特征值, jm表示 rjm对应的 RSSI 标准差。 为了提高稳定性和精确度, 可以在同一位置采集 50 到 100 次 RSSI 值, 并做均值和方差计算。0036 步 骤 4 : 根 据 上 述 混 淆 矩 阵 的 构 造 方 法, 生 成 混 淆 矩 阵 B=bjk,j=1,2,.,n, k=1,2,.,K。0037 (2) 实时定位阶段步骤 1 : 获取实时 RSSI。0038 如 图 3 所 示, 移 动 目 标 通 过 携 带 的 移 动 设 备 测 量 各 信 标 。

34、基 站 的 RSSI 值, 并 提 交 给定位服务器。 可以定义实时指纹为 Tj=tj1, tjm, Tj 表示在一个定位序列中第 j 次采集的实时 RSSI 指纹, tjm 表示信标基站 apm的 RSSI 值。根据设置的连续定位序列长度,并 将 一 个 定 位 序 列 的 所 有 实 时 指 纹 一 同 发 送 到 定 位 服 务 器。 其 中, 设 备 的 采 集 频 率 为 1 次/ 秒, 一次定位序列的时间周期为 3 到 4 秒。0039 步骤 2 : 位置估算。0040 根据已构建的 HMM 参数和实时定位阶段收集到的指纹序列, 并利用 Viterbi 算法计算出最优可能的物理位置的序列, 最后将序列的最后位置作为定位结果。0041 以 上 是 本 发 明 的 较 佳 实 施 例, 凡 依 本 发 明 技 术 方 案 所 作 的 改 变, 所 产 生 的 功 能 作用未超出本发明技术方案的范围时, 均属于本发明的保护范围。说 明 书CN 104469942 A1/2 页10图 1图 2说 明 书 附 图CN 104469942 A10。

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