基于預測濾波器的位置測量方法

專利名稱：基于預測濾波器的位置測量方法
技術領域：
本發明一般涉及位置測量方法，更具體地，涉及使用預測濾波器的、移動節點的位置測量方法，該預測濾波器能夠提高移動節點的位置測量精確性。
背景技術：
在用于計算移動節點的位置測量誤差的方法中，預測濾波器使用以往
(past)測量信息和環境信息來預測移動節點的位置。
為了補償移動節點的位置測量誤差，使用基于利用以往測量和環境信息的補償方法的預測濾波器，或利用先前(previously)記錄的位點特異性(site-specific ) 4言號才莫式的指纟丈(finger printing )方法。
預測濾波器允許利用以往位置和狀態信息來估計移動節點的當前位置，以及通過采用取決于信息可靠性的權重來補償測量的位置與預測的位置之間的偏差。卡爾曼(Kalman)濾波器是熟知的預測濾波器之一。卡爾曼濾波器調整應用到協方差矩陣的估計值和實際測量值的權重。
下面，簡要地說明基于卡爾曼濾波器的位置預測方法。首先，移動節點獲得至少三個錨點(anchornode)的坐標，并且周期性地測量與(from)錨點的距離，然后通過最小平方法(least square method)確定具有來自每個錨點的最小誤差的坐標作為該移動節點的位置。將獲得的坐標輸入到卡爾曼濾波器，以便將輸出作為補償的坐標。以下參照圖1、 2A和2B更詳細地說明該方法。
圖1是說明使用傳統最小平方法和卡爾曼濾波器的測量誤差補償的仿真結果的圖形，而圖2A和2B是說明在室內環境中移動節點的運動的示例的概念圖。
圖l中，X軸和Y軸代表以米(m)為單位的距離。測量周期(A"被設置為2秒，而移動節點以0.6m/s的速度運動。
實線110代表移動節點的運動路線，而標記x 130代表使用最小平方法估計的位置值，粗實線150代表使用卡爾曼濾波器補償位置測量誤差的移動
節點的運動路線。
這里，假設卡爾曼濾波器(即，處理協方差矩陣)和測量協方差矩陣的權重是恒定。
RMSE (最小平方)是通過應用最小平方法而獲得的均方根誤差(RootMean Squared Error, RMSE)。也就是說，RMSE指示通過最小平方法計算的坐標與測量的坐標之間的平均誤差量。RMSE (卡爾曼濾波器)是通過應用卡爾曼濾波器而獲得的RMSE。也就是說，RMSE (卡爾曼濾波器)指示通過應用最小平方法和接著應用卡爾曼濾波器而獲得的坐標與測量的坐標之間的平均誤差的大小。
如圖1中所示，當使用恒定協方差，并且移動節點的運動方向突然改變時，通過應用卡爾曼濾波器而獲得的路徑與實際的運動路徑發生偏離。當先前筆直沿著走廊運動的移動節點的運動方向在走廊的拐角處改變它的運動方向時(參看圖2A),或者當移動節點進入到位于走廊的一側的房間時(參看圖2B)，會發生這種效果。
為了解決這個問題，已經將研究集中在適應于移動節點的情況來確定預測濾波器的權重的方法。結果，大部分傳統技術已經被開發具有諸如加速度傳感器和/或初始傳感器(initiasensor)的補充設備，用于獲取調整預測濾波器的權重所需的信息。
然而，由于諸如加速度傳感器和初始傳感器的額外的物理元件增加了移動節點的制造成本和大小，傳統技術是不利的。另外，處理額外元件獲得的信息增加了系統的復雜性。

發明內容
為了解決現有技術的上面的問題，本發明提供一種位置測量方法，該方法能夠使用預測濾波器提高位置測量的精確性。
本發明還提供一種位置測量方法，該方法能夠適應性地調整卡爾曼濾波器的參數，用于提高位置測量的精確性，特別是在室內環境中。
本發明還提供一種位置測量方法，該方法能夠通過適應性地使用卡爾曼濾波器來提高位置測量的精確性。
本發明還提供一種用于移動節點的位置測量方法，該方法能夠適應于移
5動節點的運動而改變位置測量周期(&)和預測濾波器的權重。
此外，本發明提供一種用于移動節點的位置測量方法，該方法通過預測移動節點的運動的變化，并適應性地校正在測量周期和誤差補償過程中使用的預測濾波器的權重，能夠提高位置測量的精確性。
依照本發明的實施例，移動節點的位置測量方法包括4企測移動節點運動方式(pattern)的變化；根據運動方式的變化來校正位置測量周期和預測濾波器的權重；以及使用位置測量周期和預測濾波器的校正后的權重來計算移動節點的位置。
依照本發明的另一個實施例，移動節點的位置測量方法包括當4企測移動節點的運動方式的變化時，使用最小平方法估計移動節點的位置；將運動方式的距離和方位角與各自的閾值進行比較；當運動方式的距離大于閾值時，校正位置測量周期的權重，當運動方式的方位角大于閾值時，校正預測濾波器的權重；以及通過應用校正后的權重來計算移動節點的位置測量。


通過以下以結合附圖的詳細描述，本發明的上述的和其他的目的、特征和優勢將更加清楚，其中
圖1是說明使用傳統的最小平方法和卡爾曼濾波器補償位置測量誤差的仿真結果的圖形；
圖2A和2B是說明在室內環境中移動節點的運動的概念圖；圖3是說明在根據本發明實施例的位置測量方法中使用的位置測量周期(A,)和位置變化測量周期(& )的概念的示圖4和圖5是說明根據本發明實施例的位置測量及測量補償方法的流程
圖6是說明在根據本發明實施例的位置測量方法中位置測量的計算的示圖；以及
圖7是說明根據本發明實施例的位置測量方法的仿真結果的圖形。
具體實施例方式
參照附圖詳細地描述本發明的實施例。貫穿附圖，相同的參考數字用于指代相同或相似的部分。省略對結合于此的熟知的功能和結構的詳細描述，以避免其使本發明的實質內容^t糊。
在說明書和權利要求書中所使用的詞和術語僅是為了說明的目的而不是限制。其中所描述的示例和構造不覆蓋本發明的全部技術精神，而僅是本發明的最優選實施例。因此，應當理解的是，可以對本發明的實施例做出各種等效替換和修改。
在下面的說明中，提供一種基于預測濾波器的位置測量方法，用于提高移動節點的位置測量的精準性。在下面的實施例中，移動節點適應性地調整預測濾波器的參數值，用于增加位置測量的精準性，特別是在室內環境中。也就是說，移動節點校正測量周期(Af )和預測濾波器的權重以適應于移動節點的運動。
為此，根據實施例的移動節點辨識(recognize)運動方式的改變，并且校正測量周期(")和預測濾波器的權重以適應于運動方式的改變，用于補償移動節點的位置測量。
在根據本發明實施例的位置測量方法中，移動節點在每個測量周期將位移信息轉換到柱面坐標，以便辨識運動的變化。
在根據本發明實施例的位置測量方法中，位置測量周期(A,)被調整以便補償由移動節點的運動而引發的誤差。
在根據本發明實施例的位置測量方法中，位置測量周期()被與移動節點的運動速度成比反例地調整。
在根據本發明實施例的位置測量方法中，預測濾波器的權重根據移動節點的運動的變化來調整。
在根據本發明實施例的位置測量方法中，移動節點計算其運動方向和速度的變化，以及當計算的值大于閾值時，移動節點調整要在預測濾波器的估計值和測量值之間應用的權重。
在根據本發明實施例的位置測量方法中，當運動方向和速度的變化大于閾值時，移動節點增加要應用到測量值的權重，因此，在測量位置的補償過程中，首先補償測量值。
盡管根據本發明的實施例，在位置測量方法中采用卡爾曼濾波器作為預測濾波器，但本發明不被限制于此。例如，本發明的位置測量方法能夠用多種的用于計算位置測量誤差的預測濾波器來實現。
卡爾曼濾波器被稱為最優遞歸數據處理算法。卡爾曼濾波器通過遞歸數據處理追蹤最優值并且是有效用于使用最小平方法，依照具有運動比噪聲的
方程(equations of motion to noise )的時間，實時追蹤基于時間的狀態向量的遞歸計算方法。其中，最小平方法是用于獲得估計量的方法，該估計量減少誤差的平方和，即，最小平方估計器。卡爾曼濾波器的使用描述如下。
首先，假設;c(")和;K")滿足等式組(1 ):
jc(" + l)-F(" + l，")x(") + v,("), (Mxl矩P車) (1)= C(w)x(") + v2 (w), (M x 1殺巨P車)
(") ~ ，, Q (")), (M x 1矩陣)
v2 (") ~ ，,込("))， (M x 1矩陣)
在等式(l)中，忽略噪聲。由于們的線性關系，變量會隨著時間變化。另外，忽略變量和觀察的值之間預期的噪聲，其間存在線性關系。
在等式(l)中，x(")是Mxl矩陣，其包含預期為已知的、在特定時間n處的變量。如在第一個等式中所示的，忽略噪聲^("),通過矩陣F(/7 + l,"),相對于jc(" +1)線性地變化。限定與x(" +1)之間關系的F(w +1, 是M xM矩陣，其被稱為轉換矩陣。如第三個等式中所示，W")是噪聲或觀察誤差且遵循具有均值0 (M x 1零矩陣)以及協方差矩陣^(") ( M x M矩陣)的正態分布(normal distribution )。 y(")是包含用于獲取x(")而 見測的Y直的N x 1矩陣。
如在第二個等式中所示的，忽略噪聲v,(n),少(n)通過矩陣C(n)具有與;c(")的線性關系。限定;K")與x(n)之間關系的C(")是NxM矩陣，被稱為測量矩陣。h(")可以被當作噪聲或觀察誤差并遵循具有均值0 (Nx 1零矩陣)和協方差矩陣^(") (NxN矩陣)的正態分布。
利用上述系統模型，依照如下使用卡爾曼濾波器來估計x("):
1 )初始化
x(l|Y(0))=>x(l)最佳期望值(Mx 1矩陣)K(l,O)=>用于最佳性能的恒定值(M x M矩陣)FCi^n+l^FCn+l,!!)-1 =>如果確定模型則預計算(M x M矩陣)2)實際執行(n=l， 2，...)
G(") = F("+1, ")/C("," - l)C" (")「C(")A"(rt," - 1)CW (")+込(")"，(M x N矩陣)= x") - C(") x (" I y(" -1)), (M x 1矩陣)<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，y(")是一組觀察值<formula>formula see original document page 9</formula>是基于對Y(n-l)的觀 察結果所估計的;c(") ， " +1)是F(" +1,")的擴展概念，即F(" +1,")的逆矩陣， 用于在忽略噪聲時從x(n + l)獲得x(")，以及其他的參數是在中間計算過程中 所使用的變量。上標H代表矩陣的共軛轉置(conjugate transpose),以及上 標-1代表矩陣的逆矩陣。
以下，定義在本發明的實施例中所使用的參數。
根據本發明的實施例，位置測量周期(A,)是用于測量移動節點的位置 的間隔。在每一測量周期(Af)，移動節點測量與至少三個錨點的距離并基 于所述距離計算其的位置。
另外，根據本發明的實施例，位置變化測量周期(&)用于測量移動節 點的運動變化。移動節點將以往變化測量周期的坐標與當前的變化測量周期 的坐標進行比較，即，位置變化測量周期()是確定用于比較以往坐標與 當前的坐標的持續時間的參數，并且是位置測量周期(A/ )的常數倍(constant multiple )。
位置變化測量周期(Ay )被設置為位置測量周期(A,)的常數倍，以便 保證至少有一組坐標來自先前測量。
位置變化測量周期(A5 )是可變的。為了更精確地檢測移動節點的運動， 優選地將位置變化測量周期(As )設置為大值。不然，為了更快地檢測移動 節點的運動，優選地將位置變化測量周期(As )設置為小值。位置變化測量 周期太短時，難以確定角度的變化是由實際的運動引發的還是誤差。 因此，位置變化測量周期(A5 )應當被設置為針對最優化系統性能而獲得的 值。
參照附圖，更詳細地描述根據本發明的實施例的位置測量方法。 圖3是說明在根據本發明的實施例的位置測量方法中使用的位置測量周 期(& )和位置變化測量周期()的概念的示圖。圖3中示出具有預定誤 差范圍的移動節點的最大誤差角是根據位置變化測量周期來確定的。 參考數字310代表移動節點的實際運動路徑，參考數字320代表位置變化測量周期(A5 )以及參考數字330代表位置測量周期(A/ )。參考數字341、 343、 345和347代表隨著移動節點沿路徑310運動時移動節點的測量位置， 而參考數字351、 353、 355和357代表到測量的位置341、 343、 345和347 的移動節點的補償的位置。
如下描述用于計算測量的位置測量周期以及預測濾波器的權重的調整。 移動節點在每個位置測量周期(&)獲得來自至少三個錨點的測距結果 (ranging result),并使用最小平方估計來計算移動節點的位置辨識坐標
(x，y)。位置辨識坐標(JC，^)是測量的位置坐標。
從至少三個錨點獲得測距結果的原因在于使用三角形算法來計算移動 節點的位置。三角形算法利用來自錨點的信號的接收時間(time-of-arrivals) 來計算移動節點與錨點之間的距離。將位置確定在用來自至少三個錨點的距 離作為它們的直徑而所畫的圓周相交叉的點上。為此，移動節點接收來自至 少三個錨點的測距結果。
接下來，移動節點將根據最小平方估計而獲得的位置辨識坐標(x,;O與在 位置變化測量周期(As )之前所補償的以往坐標進行比較，并將位移轉換到
^主面坐標系(O",0,Z)的坐標。
柱面坐標系是三維的極坐標系，其中P點是由三元組((j,(zU )來表示的， 除平面極坐標系外，包括與平面的高度z (或h)。柱面坐標系在分析關于軸 對稱的表面時是有效的。在柱面坐標系的情況下，點可以由多個坐標來表示。 因此，概括來講，參數的范圍限制如下
0S"2;r,以及 (3) r無約束
在參數的范圍中，如下將直角坐標系的坐標轉換為柱面坐標系的坐標 cr = V "2 ，
^ = arctan上,and (4)
根據本發明的一個實施例，坐標轉換等式(4)可以由要應用于位置測 量方法的等式(5)來表示。從最小平方估計獲得的位置辨識坐標(^c,7)可如 下轉換到柱面坐標
=\fe -x",.)2-3V&)2 以及將在時間t測量的位置辨識坐標(x,少)與在位置變化測量周期()之前 計算的以往位置測量進行比較，位置辨識坐標(i,;O將依照等式(5)轉換到 柱面坐標。在柱面坐標系中，C7,是移動節點的運動的距離，而0,是移動節點 的運動的方位角(角度)。
接著，移動節點將在位置變化測量周期(Ay )期間的運動的距離O",和方 位角A與各自的閾值進行比較。
閾值被優選地設置為大于位置測量的誤差范圍。因此，在位置測量誤差 范圍較窄的情況下，閾值被設置為更小的值，從而能更敏感地檢測移動節點 的運動方式。
作為測量值與閾值之間的比較結果，如果測量的距離大于閾值距離，則 移動節點減少位置測量周期(AO。另外，如果測量的方位角大于閾值方位 角，則移動節點在位置測量的計算中通過調整預測濾波器的權重來加權位置 辨識坐標(^少)而不是估計的坐標。
另外，如果移動節點的運動的測量的距離和方位角小于閾值，則移動節 點以傳統方式使用預測濾波器來3卜償測量。
以下，描述基于上述系統的位置測量方法。本發明不被限制于下面的描 述，而在其他實施例中能夠用等重等效替換和修改來實踐。
圖4和圖5是說明根據本發明實施例的位置測量及測量補償方法的流程圖。
參照圖4，根據本發明實施例的位置測量方法包括在步驟401中，檢 測移動節點的運動方式的變化；在步驟403中，根據移動節點的運動方式的 變化程度來校正位置測量周期(Af )和預測濾波器的權重；以及，在步驟 405中，基于校正后的位置測量周期(M )和預測濾波器的權重來計算移動 節點的位置。
位置測量周期(Af )是用于測量移動節點的位置的持續時間。參照圖5 更詳細地描述了圖4的步驟。
參照圖4和圖5，如果檢測到運動方式的變化，則在步驟501中移動節 點使用最小平方法估計它的位置。
為了辨識運動方式的變化，移動節點能夠在每一位置變化測量周期(& )將位移信息轉換到柱面坐標，該周期是可變的。移動節點的當前位置(即， 位置辨識坐標(XJ))是通過將最小平方法應用到從至少三個錨點接收的測距 結果來估計的。這里，位置辨識坐標(x,y)是移動節點的測量的坐標。
接著，在步驟503，通過位置變化測量周期(Ay)，移動節點將位置辨 識坐標(;c,y)與移動節點的以往測量的坐標進行比較，并且，在步驟505，計 算當前坐標與以往坐標之間的位移。然后，在步驟507,移動節點將該位移 轉換到柱面坐標。柱面坐標系是三維極坐標系，除平面極坐標系外，還包括 與平面的高度z (或h)。坐標轉換能夠使用等式(3)至(5)來執行。
接著，在步驟509,通過位置變化測量周期(A5),移動節點將其運動 的距離和方位角分別與閾值距離和閾值方位角進行比較。
作為比較的結果，如果移動節點的運動的距離和方位角兩者都大于閾值 距離和閾值方位角，則移動節點在步驟511減少位置測量周期()并校正 預測濾波器的權重，并在步驟513基于更新的位置測量周期(M )和預測濾 波器的權重來補償移動節點的位置。另外，在步驟513中，如果移動節點的 運動的距離和方位角中的至少一個小于或等于閾值距離或閾值方位角，則移 動節點以正常的補償方式來補償不大于對應閾值的目標(距離和/或方位角)， 而通過校正其權重來補償大于對應閾值的目標(距離/方位角)。
圖6是說明根據本發明的實施例的位置測量方法中位置測量的計算的示圖。
參照圖6，參考數字610、 620、 630和640代表通過位置變化測量周期 (As )補償的先前位置(卜4A^，卜3As,卜2Ay和,-As)，以及參考數字650 代表在時間t測量的位置，即，移動節點的當前測量的位置。參考數字660 代表位置610、 620、 630和640相較于在位置變化測量周期(As )之前的位 置的位移，以及參考數字670代表當移動節點的運動方式突然變化時的位移。 所示出的由節點的行進方向的變化所引發的方位角是較大的。
在圖7中示出針對這樣的示例情況執行的仿真結果。
圖7是說明根據本發明的實施例的位置測量方法的仿真結果的圖形。具 體地說，圖7示出了使用最小平方估計和卡爾曼濾波器的位置測量仿真結果， 其中增加了在移動節點的運動變化較大的位置處所測量的值的權重(圖6的 670)。
如圖7中所示，與圖1中的傳統方法的仿真結果相比較，根據本發明的
12實施例的使用位置測量方法所追蹤的路徑近似幾乎與移動節點的實際路徑 相同，從而提高了位置測量的精確性。
位置700處的測量值已經通過采用校正后的協方差矩陣被計算，該矩陣 擔當卡爾曼濾波器的權重，且相比于圖1的傳統方法，已經減少了 70%的 RMSE (卡爾曼濾波器)。
模擬使用Matlap來執行。Matlap是提供數字分析和編程環境的工程軟 件，并且允許簡單的矩陣運算、繪制函數及數據、執行算法、創建用戶接口 以及與其它語言的程序進行接口連接。
盡管在上面詳細地描述了本發明的實施例，但應當清楚地知道，本領域 技術人員所想到的、對這里所教導的基本發明構思的很多變化或修改仍在由 所附權利要求書限定的本發明的精神和范圍之內。
如上所述，使用根據本發明的預測濾波器的位置測量方法適應于移動節 點的運動變化來調整在預測濾波器中所使用的權重和位置測量周期()， 因此提高了位置測量的精確性。
此外，本發明的位置測量方法使得預測濾波器的誤差補償性能相比于傳 統誤差補償方法提高了大約70%。另外，本發明的位置測量方法改進了移動 節點的誤差補償性能，而沒有在系統實施復雜性上妥協，因為位置測量方法 可以在不增加任何額外設備的情況下執行。
權利要求
1、一種移動節點的位置測量方法，包括檢測所述移動節點的運動方式的變化；依照所述運動方式的變化來校正位置測量周期及預測濾波器的權重；使用由校正后的權重更新的值來計算所述移動節點的當前位置。
2、 如權利要求1所述的位置測量方法，其中，檢測所述移動節點的運動方式的變化包括在位置變化測量周期期間將位移信息轉換到柱面坐標，并且，其中，所述位置變化測量周期是可變的。
3、 如權利要求1所述的位置測量方法，其中，所述權重包括至少一個參數，該參數應用于位置測量周期和預測濾波器，用于計算由移動節點的運動方式的變化而引發的位置測量誤差。
4、 如權利要求3所述的位置測量方法，其中，所述位置測量周期與所述移動節點的運動速度成反比例。
5、 如權利要求1所述的位置測量方法，其中，校正所述位置測量周期和所述預測濾波器的權重包括在每一位置測量周期，計算所述移動節點的運動方向和距離的位移；將計算的位移與預定的閾值進行比較；以及當所述位移大于預定的閾值中的各自的閾值時，調整要應用于所述預測濾波器的估計值的權重。
6、 如權利要求5所述的位置測量方法，其中，校正所述位置測量周期和所述預測濾波器的權重包括當所述位移小于或等于所述各自的閾值時，通過應用調整后的權重來計算位置測量誤差。
7、 一種移動節點的位置測量方法，包括當檢測所述移動節點的運動方式的變化時，使用最小平方法估計所述移動節點的位置；將所述運動方式的距離和方位角與各自的閾值進行比較；當所述運動方式的距離大于所述閾值時，校正位置測量周期的權重；當所述運動方式的方位角大于所述閾值時，校正預測濾波器的權重；以及通過應用校正后的權重來計算所述移動節點的位置測量。
8、 如權利要求7所述的位置測量方法，其中，估計所述位置包括依照位置變化測量周期將位移信息轉換到柱面坐標，以侵_;險測所述移動節點的運動方式的變4匕，以及，其中所述位置變化測量周期是可變的。
9、 如權利要求7所述的位置測量方法，其中，將所述位移信息轉換到柱面坐標包4舌計算估計位置與在所述位置變化測量周期之前的先前位置之間的位移；將所述位移轉換到柱面坐標；以及從所述柱面坐標獲得所述運動方式的距離和方位角。
10、 如權利要求7所述的位置測量方法，其中，計算所述位置測量包括當所述運動方式的距離和方位角中的至少一個小于或等于所述各自的閾值時，使用所述預測濾波器計算所述距離和方位角中的至少一個；以及當所述運動方式的距離和方位角中的至少一個大于所述各自的閾值時，校正所述距離和方位角中的至少一個的權重。
11、 如權利要求9所述的位置測量方法，其中，所述距離和方位角是通過計算在時間(t)處測量的位置辨識坐標(xj)與在位置變化測量周期(& )之前測量并補償的坐標之間的位移、以及使用以下公式將所述位移轉換到柱面坐標而獲得的<formula>formula see original document page 3</formula>和<formula>formula see original document page 3</formula>其中，^是所述移動節點的運動的距離，而-,是所述移動節點的運動的方位角(角度)。
12、 如權利要求11所述的位置測量方法，其中，位置辨識坐標(；,少)是當前測量的移動節點的坐標，而所述位置變化測量周期()是用于測量移動節點的運動的變化的單位持續時間。
13、 如權利要求7所述的位置測量方法，其中，所述閾值對應于所述移動節點的測量誤差范圍。
14、 如權利要求7所述的位置測量方法，其中，所述預測濾波器是卡爾曼濾波器。
全文摘要
本發明提供一種使用預測濾波器的、移動節點的位置測量方法，用于提高移動節點的位置測量的精確性。移動節點的位置測量方法檢測所述移動節點的運動方式的變化，基于所述運動方式的變化來校正位置測量周期及預測濾波器的權重，以及使用所述位置測量周期及預測濾波器的校正后的權重來補償所述移動節點的位置。
文檔編號G01S5/02GK101526602SQ20091011856
公開日2009年9月9日 申請日期2009年3月4日 優先權日2008年3月4日
發明者吳潤濟, 崔成昌, 徐明煥, 池明仁, 白鎮碩, 金俊佑, 馬重秀 申請人:三星電子株式會社;韓國情報通信大學校產學協力團