一种基于深度数据的人员无线定位辅助系统

技术领域

本发明涉及无线定位技术领域，具体涉及一种基于深度数据的人员无线定位辅助系统。

背景技术

无线定位是指利用无线电波的传播特点通过测量固定或者运动物体的位置进行定位的技术，具体是通过无线电波的传输接收利用相关算法计算接收信息数据，测量目标位置。目前无线定位被应用到各类空间和通信系统中对人员、设备以及移动物体的定位追踪。

无线定位的实现是基于数据测量，测量数据的准确度决定了系统最终定位的精度。目前无线定位方法中常用的测量参数包括达到时间TOA、达到时间差TDOA、达到角度AOA、信道状态信息CSI等等，基于不同测量参数进行定位的原理和方式存在明显差异和限制条件，例如相较于其他测量参数，达到时间TOA和达到时间差TDOA都需要添加额外的硬件设备，增加了系统的成本开销；而信道状态信息CSI的数据信息尽可以通过部分商用网卡读取，在无线定位领域的使用并不广泛。达到角度AOA只需要少量参考点，降低了系统的不确定因素且不需要精确的时钟同步，但是AOA测量值受到环境的影响较大，因此需要从无线定位信号传播过程中获取更多的数据消除环境对测量值的影响。

发明内容

本发明提供一种基于深度数据的人员无线定位辅助系统，以解决现有的AOA测量值受环境影响较大导致的定位精度低的问题，所采用的技术方案具体如下：

本发明提出了一种基于深度数据的人员无线定位辅助系统，所述系统包括：

深度数据采集模块，用于根据激光雷达采集基站和通信设备所在区域的深度数据及深度图，利用通信设备获取基站发射信号的初始到达角和粗定位区域；

障碍物检测模块，用于根据两个窗口在帧差图像中像素值序列上的滑动结果获取两个窗口序列的环境相似性，将两个环境相似度最小值之间包含的像素点作为像素值序列中障碍物像素点的候选点，根据像素点与候选点的像素值差异获取像素点的障碍相似性，将像素点八邻域内所有像素点的障碍相似度之和作为像素点的障碍突变概率，分别标记每个像素值序列上障碍突变概率大于预设阈值的候选点，采用连通域提取算法获取帧差图像中的障碍物区域，将障碍物区域的中心点作为代表障碍物的像素点；

角度纠正量计算模块，用于根据帧差图像中基站位置、障碍物位置以及像素点位置获取传播路径和理想路径的结构相似性，将帧差图像中基站发射信号到粗定位区域内像素点之间所有传播路径和理想路径结构相似性的均值作为基站发射信号的路径相似性，根据路径相似性、初始到达角以及真实到达角获取基站发射信号的角度差异值，将基站发射信号到粗定位区域内每个像素点角度差异值的均值作为发射信号的角度纠正量；

角度权重计算模块，用于根据基站发射信号到粗定位区域顶点到达角的大小获取基站发射信号到粗定位区域内的到达角范围，根据像素点与每个粗定位区域顶点之间的距离获取顶点相似性，根据像素点的顶点相似性和障碍物像素点数量获取每个像素点的角度影响比，根据基站发射信号到粗定位区域内每个像素点角度影响比获取像素点关于基站发射信号的角度权重；

通信设备定位模块，用于根据基站发射信号的角度纠正量以及像素点关于基站发射信号的角度权重获取粗定位区域内像素点的角度偏差值，根据粗定位区域内像素点的角度偏差值和基站发射信号的初始到达角获取基站发射信号的真实到达角，根据所有基站发射信号的真实到达角得到通信设备的精准定位结果。

优选的，所述根据激光雷达采集基站和通信设备所在区域的深度数据及帧差图像包括：

分别在基站之间的多个信号塔上安置激光雷达，利用激光雷达获取覆盖基站和人员在内的点云数据，控制激光雷达在基站之间往复扫描，获取多个区域内的点云数据，利用点云拼接技术对预处理后多个区域的点云数据进行拼接处理，得到覆盖所有基站和人员通信设备的三维点云数据，并将三维点云数据转化为深度图，将激光雷达在相邻两个时刻扫描点云数据对应深度图进行作差处理，将两幅深度图的作差结果作为帧差图像。

优选的，所述根据两个窗口在帧差图像中像素值序列上的滑动结果获取两个窗口序列的环境相似性包括:

将帧差图像中每行、每列像素点像素值组成的序列作为像素值序列，利用两个口在每行像素值序列上左右滑动或在每列像素值序列上上下滑动，将每个窗口内像素点像素值组成的序列作为每个窗口的窗口序列，将两个窗口序列的欧式距离作为两个窗口序列的环境相似度。

优选的，所述根据像素点与候选点的像素值差异获取像素点的障碍相似性包括：

式中，

优选的，所述根据连通域提取算法获取帧差图像中的障碍物区域，将障碍物区域的中心点作为代表障碍物的像素点包括：

将两个环境相似度最小值之间包含的像素点作为像素值序列中障碍物像素点的候选点，将像素点八邻域内所有像素点的障碍相似度之和作为像素点的障碍突变概率，分别标记每个像素值序列上障碍突变概率大于预设阈值的候选点，采用连通域提取算法获取被标记像素点的连通域，将连通域作为障碍物区域，将障碍物区域的中心点作为代表障碍物的像素点。

优选的，所述根据帧差图像中基站位置、障碍物位置以及像素点位置获取传播路径和理想路径的结构相似性包括：

将连接基站与粗定位区域内像素点的第一线段作为基站发射信号的理想路径，将连接基站、障碍物以及粗定位区域内像素点的第二线段作为障碍物所在的传播路径，将第一线段与第二线段的结构相似性作为理想路径和传播路径的结构相似性。

优选的，所述根据路径相似性、初始到达角以及真实到达角获取基站发射信号的角度差异值包括：

式中，

优选的，所述根据像素点的顶点相似性和障碍物像素点数量获取每个像素点的角度影响比包括：

分别计算像素点与粗定位区域所有顶点的欧氏距离，将所有顶点欧式距离之和与像素点和每个顶点欧氏距离的比值作为像素点的顶点相似性；将基站、顶点、粗定位结果、像素点连接形成的区域作为顶点的纠正区域，将以基站与顶点之间的线段作为长对角线的规则菱形区域作为顶点的影响区域，计算顶点纠正区域内障碍物像素点数量与顶点影响区域内障碍物像素点数量的比值，将比值与像素点顶点相似性的乘积作为顶点对像素点处的角度影响比。

优选的，所述根据基站发射信号到粗定位区域内每个像素点角度影响比获取像素点关于基站发射信号的角度权重包括：

根据粗定位区域上顶点到达角的大小获取发射信号在粗定位区域内的到达角范围，将到达角范围内最大到达角与最小到达角的差值作为分母；根据基站发射信号到像素点的真实达到角、初始到达角获取角度差值，将角度差值与角度影响比的乘积作为分子；计算分子与分母的比值，将比值的累加和作为像素点关于基站发射信号的角度权重。

优选的，所述根据粗定位区域内像素点的角度偏差值和基站发射信号的初始到达角获取基站发射信号的真实到达角包括：

式中，

本发明的有益效果是：本发明提出一种基于深度数据的人员无线定位辅助系统，针对传统AOA定位方法受环境影响较大，当基站与人员通信设备之间环境情况不清楚时，测量值误差比较大，定位精度较低的问题，本发明首先利用深度数据获取帧差图像确定基站和粗定位区域之间障碍物的位置，其次构建发射信号对应的角度权重和角度纠正量，对人员通信设备计算的发射信号初始到达角进行纠正。基于环境相似度和障碍突变概率获取障碍物区域的有益效果在于能够精准的获取差分图像中各个位置各种形状的障碍物，消除障碍物的形状对后续获取代表障碍物的像素点时可能造成的误差。角度纠正量考虑了粗定位区域内每个像素点附近是精准定位结果的概率，其有益效果在于考虑所有会影响到发射信号的障碍物，能够适用于多种地形分布情况下通信设备的精准定位；角度权重避免了精准定位结果距离粗定位区域顶点位置较远时基站发射信号经过顶点k时产生的角度偏差对通信设备初始到达角的影响。利用角度权重和角度纠正量纠正后的到达角更接近真实到达角，减小了定位误差，提高设备定位精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一个实施例所提供一种基于深度数据的人员无线定位辅助系统的流程示意图；

图2为像素值序列上两个窗口滑动的示意图；

图3为窗口滑动过程中窗口序列环境相似度的变化曲线示意图；

图4为粗定位区域顶点的障碍物分布情况对精准定位结果影响的示意图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种基于深度数据的人员无线定位辅助系统，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种基于深度数据的人员无线定位辅助系统。

请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种基于深度数据的人员无线定位辅助系统流程图，该系统包括：深度数据采集模块、障碍物检测模块、角度纠正量计算模块、角度权重计算模块、通信设备定位模块。

其中，深度数据采集模块，用于根据激光雷达采集基站和通信设备所在区域的深度数据及帧差图像，利用通信设备获取基站发射信号的初始到达角和粗定位区域。

由于基站和人员通信设备之间的距离远近是不确定的，因此分别在基站之间的多个信号塔上安置激光雷达，利用激光雷达获取覆盖基站和人员在内的点云数据，控制激光雷达在基站之间往复扫描，获取多个区域内的点云数据，两个区域之间存在重叠区域，为了消除噪声干扰，利用高斯滤波对获取的点云数据进行预处理，高斯滤波为公知技术，具体过程不再赘述。获取预处理后的点云数据后，利用点云拼接技术将多个区域内点云数据合成一个覆盖所有基站的点云数据，点云拼接为公知技术，具体过程不再赘述。其次利用人员通信设备接收各个基站发送的无线电波，获取无线电波信号数据，通信设备采用波达方向定位DOA技术对接收无线电波进行处理得到每个基站发射信号的初始到达角，无线电波的处理为公知技术，具体过程不再赘述。通信设备会接收到周围多个基站的发射信号，为了将每个基站与其发射信号一一对应，根据信号强度和接收通道号实现发射信号与基站的匹配，此为公知技术，具体过程不再赘述。

其中，障碍物检测模块，用于根据两个窗口在帧差图像中像素值序列上的滑动结果获取两个窗口序列的环境相似性，将两个环境相似度最小值之间包含的像素点作为像素值序列中障碍物像素点的候选点，根据像素点与候选点的像素值差异获取像素点的障碍相似性，将像素点八邻域内所有像素点的障碍相似度之和作为像素点的障碍突变概率，分别标记每个像素值序列上障碍突变概率大于预设阈值的候选点，根据连通域提取算法获取帧差图像中的障碍物区域，将障碍物区域的中心点作为代表障碍物的像素点；

通信设备从各基站发射信号获取的初始到达角存在偏差的原因是从基站到通信设备的人员之间存在障碍物之类的环境干扰因素，例如当定位环境中存在障碍物时，障碍物会将信号发散到多个方向，信号散射，接收信号弱；当存在具有反射能力的障碍物时，基站发射信号的能量会被吸收，通信设备接收信号也会变弱，获取的初始到达角与实际角度之间就会存在偏差，利用这些初始到达角获取的定位效果就会存在较大误差。

深度数据包含基站到通信设备之间的三维空间内的大量点云数据，而基站发射信号与通信设备之间的到达角是在同一个二维平面上的。因此需要将深度数据从三维空间映射到二维平面上。基站发射的信号是无线电波信号，无线电波信号从基站向周围扩散，距离基站发射中心不同位置的无线电波信号发送过程中受到的障碍物影响也是不同的，即通信设备获取的初始到达角是存在一定差异的。由于存在多个基站，仅利用激光雷达从一个视点直接采集深度图无法获取每个基站到通信设备之间的深度数据，因此考虑将采集的点云数据转化成深度图，即将三维点云数据映射到二维平面上得到一幅深度图，点云数据转化为深度图为公知技术，具体过程不再赘述。

利用激光雷达实时获取点云数据并获取相邻时间点云数据的帧差图像，具体为：分别获取T、T+1时刻的点云数据集，其次分别获取T、T+1时刻点云数据集对应的深度图

基于上述分析，此处构建障碍突变概率R，用于表征帧差图像中像素点对应障碍物的可能性。以帧差图像

式中，

本发明中，两个窗口的滑动规则是保持两个窗口大小不变，将两个窗口以相同步长向同一侧滑动，直至像素值序列的最后一个像素值出现在第二个窗口序列中停止滑动，滑动步长大小取经验值1。例如，两个窗口

当两个窗口序列的环境相似度取最小值时，两个窗口序列相邻像素点就是该像素值序列障碍物的边缘像素点，随着两个窗口继续滑动，环境相似度从最小值逐渐增大再减小到最小值，如图3所示，这是因为随着滑动两个窗口中分别包含的障碍物像素点数量的数量差从最大到减小再回到最大。例如，第x行像素值序列共有100个像素值，属于障碍物的像素点是第65-75共10个像素值，初始位置处窗口序列

、/>

是像素点i的障碍相似度，/>

根据上述步骤分别获取每个像素值序列中环境相似度的最小值，将两个最小值之间包含的像素点作为对应像素值序列中障碍物像素点的候选点。其次计算每个候选点的障碍突变概率，将所有候选点障碍突变概率的最大值

其中，角度纠正量计算模块，用于根据帧差图像

通信设备获取多个基站发射信号的初始到达角后，采用到达角测距AOA技术获取一个粗定位结果m。由于障碍物的影响，粗定位结果可能位于精准定位结果的周围，具体偏离方向是不确定的，因此本发明中以像素点m为中心，取大小为7*7的方形区域作为粗定位区域M，认为精准定位结果位于粗定位区域M内，同样实施者也可根据实际应用增大或减小方形区域的大小。

理想路径是基站与通信设备之间没有障碍物，基站发射信号没有受到障碍物影响到通信设备时的信号传输路径，也就是说障碍物并不在基站到粗定位区域M内像素点之间的信号传播范围内。本发明中，将连接基站BS与像素点的连线作为理想路径，连接基站BS、障碍物、像素点的连线作为传播路径。

不同位置的障碍物对基站BS发射信号k的影响不同，即基站BS与每个像素点之间会形成多条传播路径，这些传播路径结构各不相同，但是基站BS发射信号k对应的理想路径是固定的。如果帧差图像

如果将基站发射信号作为随机变量，将基站发射信号的每条传播路径作为随机变量的输出值，将基站发射信号的理想路径作为固定值，那么多条传播路径包围的区域内会存在基站发射信号的理想路径。因此考虑利用多条传播路径与理想路径的分布特征获取每个基站发射信号的初始到达角的纠正量，纠正量的含义为初始到达角需要进行多大的纠正量才能作为真实到达角。

基于上述分析，构建角度纠正量t，用于表征每个基站发射信号受到障碍物影响发生了多大程度的偏差，计算基站BS的发射信号k的角度纠正量

式中，a是粗定位区域M内的像素点，f是基站BS与像素点a之间的障碍物，

是像素点a作为精准定位结果时发射信号k的角度差异值，/>

n是粗定位区域M内像素点数量，

角度纠正量反映了发射信号k到粗定位区域M内受障碍物影响应该纠正角度的大小，发射信号k的理想路径与障碍物f对应的传播路径的路径相似性越小，即

其中，角度权重计算模块，用于根据基站发射信号到粗定位区域顶点到达角的大小获取基站发射信号到粗定位区域内的到达角范围，根据像素点与每个粗定位区域顶点之间的距离获取顶点相似性，根据像素点的顶点相似性和障碍物像素点数量获取每个像素点的角度影响比，根据基站发射信号到粗定位区域内每个像素点角度影响比获取像素点关于基站发射信号的角度权重。

对于每个基站的发射信号在一定区域内的到达角度范围是有限的，例如对于基站BS，其发射信号k，粗定位区域M的顶点限制了到达角的范围。分别将粗定位区域的每个顶点作为通信设备的精准定位结果，分别获取将每个顶点作为精准定位结果时发射信号k的真实到达角，

由于精准定位结果是未知的，因此考虑粗定位区域内每个像素点作为精准定位结果的可能性，并根据每个像素点作为精准定位结果时对应初始到达角和顶点的真实达到角之间的角度差值获取每个像素点的角度权重。角度差值与达到角范围

基于上述分析，此处构建角度权重，用于表征粗定位区域M内不同像素点对基站发射信号初始到达角的影响程度高低，计算像素点a的角度权重

/>

式中，

是发射信号k的纠正区域内障碍物的像素点数量，/>

是顶点g关于像素点a的角度影响比，反映的是顶点g的真实到达角受障碍物影响产生偏差的大小。/>

是像素点a关于发射信号k的角度权重，/>

角度权重反映了粗定位区域M的顶点对精准定位结果的影响程度。

其中，通信设备定位模块，用于根据基站发射信号的角度纠正量以及像素点关于基站发射信号的角度权重获取粗定位区域内像素点的角度偏差值，根据粗定位区域内像素点的角度偏差值和基站发射信号的初始到达角获取基站发射信号的真实到达角，根据所有基站发射信号的真实到达角得到通信设备的精准定位结果。

根据上述步骤获取基站BS发射信号k对应的角度纠正量

式中，

根据上述步骤获取每个基站发射信号的真实到达角，其次根据多个基站发射信号的真实到达角，利用三角测量法获取通信设备的精准定位结果，三角测量法为公知技术，具体定位过程不再赘述，并将精准定位的坐标信息和距离信息由人员操控通信设备发送到各基站处。

在本实施例中，采集的深度数据转化成帧差图像，帧差图像中基站发射信号初始到达角，障碍物数量和位置以及粗定位区域的大小和位置都会影响真实到达角的结果。基于上述步骤分别获取每个基站发射信号对应的角度纠正量和每个顶点的角度权重，获取每个基站发射信号的真实到达角，利用三角定位法获取通信设备的精准定位结果。

在本实施例中，通信设备的精准定位是基于深度数据和多个基站发射信号的真实到达角进行的，因此获取多个基站发射信号的真实到达角，得到通信设备的精准定位结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。