專利名稱：一種基于靜態(tài)聲源輔助的聲陣列網(wǎng)絡(luò)自定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聲陣列網(wǎng)絡(luò)自定位方法，尤其涉及一種適用于在有限信標(biāo)節(jié)點(diǎn)下，對(duì)節(jié)點(diǎn)定位精度要求較高而成本低的大規(guī)模聲陣列網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的基于靜態(tài)聲源輔助的聲陣列網(wǎng)絡(luò)自定位方法。
背景技術(shù)：
在聲陣列網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)本身的位置和朝向信息對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，是進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和網(wǎng)絡(luò)管理的基礎(chǔ)。系統(tǒng)的性能不僅和目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別或定位追蹤算法的性能緊密相關(guān)，更取決于能否精確獲得節(jié)點(diǎn)本身的位置和朝向信息。所以系統(tǒng)必須首先獲取節(jié)點(diǎn)的位置和朝向信息，才能夠采取進(jìn)一步的措施進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。此外，為實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)有效管 理，需要獲取每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置信息，才以設(shè)計(jì)高效的有針對(duì)性的協(xié)議和組織結(jié)構(gòu)(如MAC協(xié)議，路由協(xié)議，休眠調(diào)度，節(jié)點(diǎn)選擇等)。目前已有的自定位方法很多，本發(fā)明關(guān)注的是一種基于靜態(tài)聲源輔助的聲陣列網(wǎng)絡(luò)自定位方法，適用于在有限信標(biāo)節(jié)點(diǎn)下，對(duì)大規(guī)模聲陣列網(wǎng)絡(luò)自定位的場(chǎng)景。傳統(tǒng)的聲陣列網(wǎng)絡(luò)自定位方法中，主要是兩種基本思路方法第一種是根據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離或者DOA (Direction of Arrival,波達(dá)方向角)分別利用三角形測(cè)量法、最大似然估計(jì)等方法來估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)的位置；第二種方法是利用移動(dòng)信標(biāo)(例如移動(dòng)機(jī)器人)來實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)的自定位?，F(xiàn)有的這兩種聲陣列網(wǎng)絡(luò)自定位方法都有各自的不足之處。對(duì)于第一種方法，在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)有限的情況下，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的稀疏性較大，由于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)測(cè)量DOA的距離有限，這導(dǎo)致數(shù)據(jù)融合信息偏少，影響自定位精度以及自定位節(jié)點(diǎn)的覆蓋率；如果增加信標(biāo)個(gè)數(shù)，由于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)價(jià)格昂貴，導(dǎo)致定位的花費(fèi)成本巨大。對(duì)于第二種方法，定位成本低，但是信標(biāo)移動(dòng)容易暴露目標(biāo)，在復(fù)雜地理環(huán)境中移動(dòng)信標(biāo)會(huì)碰撞已經(jīng)定位的節(jié)點(diǎn)，并且信標(biāo)移動(dòng)定位存在節(jié)點(diǎn)覆蓋率低的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于靜態(tài)聲源輔助的聲陣列網(wǎng)絡(luò)自定位方法。為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案一種基于靜態(tài)聲源輔助的聲陣列網(wǎng)絡(luò)自定位方法，包括以下步驟(I)聲陣列網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)部署和初始化。(2)根據(jù)聲陣列網(wǎng)絡(luò)中各陣元的信號(hào)相位差，估計(jì)聲信號(hào)的波達(dá)方向角D0A。(3)根據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所測(cè)靜態(tài)聲源的D0A，利用數(shù)據(jù)融合方法估計(jì)靜態(tài)聲源位置。(4)根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)測(cè)量靜態(tài)聲源與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的D0A，并利用最大似然估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)自定位。本發(fā)明的有益效果是，能夠利用靜態(tài)聲源的輔助在有限的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)下實(shí)現(xiàn)聲陣列網(wǎng)絡(luò)低成本、高精度與高覆蓋率自定位；尤其是在大規(guī)模未知節(jié)點(diǎn)而信標(biāo)節(jié)點(diǎn)稀疏性很大的場(chǎng)景下具有非常巨大的優(yōu)勢(shì)。


圖I是本發(fā)明的基于靜態(tài)聲源輔助的聲陣列傳網(wǎng)絡(luò)自定位方法部署圖；圖2是本發(fā)明中利用MUSIC算法估計(jì)節(jié)點(diǎn)與靜態(tài)聲源的波達(dá)方向角示意圖；圖3是本發(fā)明中采用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)估計(jì)靜態(tài)聲源位置的示意圖；
圖4是本發(fā)明中采用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)輔助聯(lián)合來定位未知節(jié)點(diǎn)的示意圖；圖5是本發(fā)明中利用波達(dá)方向角和目標(biāo)輔助的自定位效果圖；圖6是本發(fā)明中靜態(tài)聲源數(shù)目對(duì)定位精度影響的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明專利在原有的聲陣列網(wǎng)絡(luò)自定位基礎(chǔ)上，利用廉價(jià)的靜態(tài)聲源的輔助，實(shí)現(xiàn)在有限信標(biāo)節(jié)點(diǎn)下聲陣列網(wǎng)絡(luò)的自定位，降低了自定位成本，同時(shí)增加了自定位精度與節(jié)點(diǎn)自定位的覆蓋率。本發(fā)明基于靜態(tài)聲源輔助的聲陣列傳網(wǎng)絡(luò)自定位方法，包括以下步驟I、聲陣列網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成、部署和初始化?；陟o態(tài)聲源輔助的聲陣列傳網(wǎng)絡(luò)自定位方法包括上位機(jī)和若干個(gè)裝有GPS的無線聲陣列節(jié)點(diǎn)(稱為信標(biāo)節(jié)點(diǎn))，大量廉價(jià)的靜態(tài)聲源(例如麥克風(fēng)節(jié)點(diǎn))以及無GPS的未知節(jié)點(diǎn)。無線聲陣列節(jié)點(diǎn)和靜態(tài)聲源隨機(jī)部署在監(jiān)控區(qū)域中，根據(jù)聲陣列網(wǎng)絡(luò)自身特性、定位精度和監(jiān)控范圍，并綜合傳感器感知半徑考慮，區(qū)域可設(shè)置為IkmX Ikm,感知半徑為150m ;系統(tǒng)部署完成后進(jìn)彳丁系統(tǒng)初始化，初始化中實(shí)現(xiàn)無線聲陣列網(wǎng)絡(luò)的基本功能。系統(tǒng)部署如圖I所示，聲陣列網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)之間進(jìn)行無線通信。2、根據(jù)聲陣列網(wǎng)絡(luò)中各陣元的信號(hào)相位差，估計(jì)聲信號(hào)的波達(dá)方向角D0A。通過各陣元接收到的聲信號(hào)的相位差可以估算目標(biāo)聲源到達(dá)陣列的方向角。具體的實(shí)現(xiàn)可通過陣列信號(hào)處理技術(shù)完成，利用經(jīng)典的MUSIC算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)到達(dá)角度的估計(jì)值，如圖2所示。3、根據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所測(cè)靜態(tài)聲源的D0A，利用數(shù)據(jù)融合方法估計(jì)靜態(tài)聲源位置。如圖3所示，在系統(tǒng)部署中，假設(shè)有n個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)裝有GPS，其位置(Xi，Yi)和朝向角Qi已知，利用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)測(cè)量靜態(tài)聲源的波達(dá)方向角為ai。由于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)測(cè)量的DOA以朝向角為參考方向，因此為了計(jì)算簡(jiǎn)單，首先將在參考坐標(biāo)系下測(cè)量的波達(dá)方向角DOA轉(zhuǎn)化為絕對(duì)坐標(biāo)系下的角度。假設(shè)DOA在絕對(duì)坐標(biāo)系下的角度為Pi,則有^ ^ 0 i+a j(或者 3 尸 0 片 a「360。)。其中，Cii表示波達(dá)方向角，9,為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的朝向角。由于正切函數(shù)的周期為不影響計(jì)算結(jié)果，故在絕對(duì)坐標(biāo)系下的測(cè)量角度可以簡(jiǎn)化表示為j= 9 j+ a j, i = 1，2, n。在絕對(duì)坐標(biāo)系下，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)(Xi，yi)與朝向角0 i已知，假設(shè)某一靜態(tài)聲源的位置未知，設(shè)為S1Oi1, V1),則根據(jù)兩點(diǎn)確定一條直線，可得
tan ^ J=(Yi-V1)/ (Xi-U1)；對(duì)上式進(jìn)行化簡(jiǎn)得到tan ( a 9 U1-V1=-Y^Xjtan ( a 9 ；因此，根據(jù)偽線性最小二乘法可得到靜 態(tài)聲源的位置為S1= (A1tA1) I1tB1 ；其中
rtan(ar, +O1) -I ) (tan^ +O^xl - V1、A1 = ,爲(wèi)二 ；。
、tan(a +0 ) -Ij [tm(a +0 )x2 -ynj4.根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)測(cè)量靜態(tài)聲源與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的D0A，并利用最大似然估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)自定位。對(duì)于未知節(jié)點(diǎn)的自定位，主要根據(jù)步驟3估計(jì)所得的靜態(tài)聲源位置以及信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置，再結(jié)合利用未知節(jié)點(diǎn)測(cè)量信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與靜態(tài)聲源的DOA來實(shí)現(xiàn)的。如圖4所示，假設(shè)m個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與靜態(tài)聲源的已知位置為(h” Pi)，未知節(jié)點(diǎn)測(cè)量目標(biāo)得到的DOA為科，假設(shè)某一個(gè)待估計(jì)的未知節(jié)點(diǎn)的位置為(g，q)，朝向角為Y，并假設(shè)測(cè)量噪聲滿足高斯分布(0,(7；)，因此根據(jù)最大似然估計(jì)可以得到未知節(jié)點(diǎn)自定位的代價(jià)函數(shù)為
fX 2
Wl/fj _ n\
C = ^— (p + f-arctan-7^~-； i=i Iv"i~Sj其中，(g，q)為未知節(jié)點(diǎn)的位置，Y為其朝向角，待估計(jì) 為未知節(jié)點(diǎn)測(cè)量目標(biāo)得到的DOA，(hi； Pi)為m個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與靜態(tài)聲源的位置。通過求取代價(jià)函數(shù)的最小值就可以估計(jì)出未知節(jié)點(diǎn)的位置與朝向角。如圖5為本方法得到的節(jié)點(diǎn)自定位估計(jì)位置和實(shí)際位置的對(duì)比圖。如圖6為靜態(tài)聲源數(shù)目對(duì)定位精度影響的效果圖。由圖6可知隨著靜態(tài)聲源數(shù)目的增加，定位精度提高。本發(fā)明考慮到在有限信標(biāo)節(jié)點(diǎn)下，針對(duì)傳統(tǒng)的聲陣列網(wǎng)絡(luò)自定位方法中定位精度高而定位成本昂貴、成本低而定位精度與節(jié)點(diǎn)覆蓋率低等缺點(diǎn)，采用了一種基于靜態(tài)聲源輔助的聲陣列網(wǎng)絡(luò)自定位方法，充分利用靜態(tài)聲源的橋梁輔助作用，使得信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系更加緊密，從而可以獲取更多的數(shù)據(jù)信息，有利于數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)高精度、低成本定位。
權(quán)利要求
1.一種基于靜態(tài)聲源輔助的聲陣列網(wǎng)絡(luò)自定位方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)聲陣列網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)部署和初始化； (2)根據(jù)聲陣列網(wǎng)絡(luò)中各陣元的信號(hào)相位差，估計(jì)聲信號(hào)的波達(dá)方向角DOA； (3)根據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所測(cè)靜態(tài)聲源的D0A，利用數(shù)據(jù)融合方法估計(jì)靜態(tài)聲源位置； (4)根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)測(cè)量靜態(tài)聲源與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的D0A，并利用最大似然估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)自定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種基于靜態(tài)聲源輔助的聲陣列網(wǎng)絡(luò)自定位方法，其特征在于，所述步驟(2)具體為，通過各陣元接收到的聲信號(hào)的相位差可以估算目標(biāo)聲源到達(dá)陣列的方向角DOA (Direction of Arrival,波達(dá)方向角)；具體的實(shí)現(xiàn)可通過陣列信號(hào)處理技術(shù)完成，利用經(jīng)典的MUSIC算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)波達(dá)方向角的估計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種基于靜態(tài)聲源輔助的聲陣列網(wǎng)絡(luò)自定位方法，其特征在于，所述步驟(3)具體為，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過MUSIC算法測(cè)量各個(gè)靜態(tài)聲源的波達(dá)方向角D0A，然后根據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所測(cè)的DOA利用最小二乘估計(jì)方法估計(jì)靜態(tài)聲源的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種基于靜態(tài)聲源輔助的聲陣列網(wǎng)絡(luò)自定位方法，其特征在于，所述步驟(4)包括以下幾個(gè)子步驟 (1)首先未知節(jié)點(diǎn)針對(duì)信號(hào)相位差利用MUSIC算法實(shí)現(xiàn)靜態(tài)聲源以及信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信號(hào)到達(dá)角度的估計(jì)； (2)根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)所測(cè)的波達(dá)方向角，結(jié)合靜態(tài)聲源與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的已知位置，利用最大似然估計(jì)實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)位置與朝向角的估計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于靜態(tài)聲源輔助的聲陣列網(wǎng)絡(luò)自定位方法，該方法能夠在有限信標(biāo)下，通過借助于靜態(tài)聲源的輔助，將靜態(tài)聲源作為連接信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)的橋梁，從而實(shí)現(xiàn)聲陣列網(wǎng)絡(luò)中未知節(jié)點(diǎn)自定位；該方法的優(yōu)點(diǎn)在于在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)有限稀疏的情況下，通過借助于靜態(tài)聲源的輔助作用，并利用聲陣列網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與靜態(tài)聲源之間所測(cè)的DOA(DirectionofArrival，波達(dá)方向角)來實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)高精度、低成本、高覆蓋率自定位；尤其適用于精度要求較高而定位成本較低的大規(guī)模聲陣列網(wǎng)絡(luò)自定位場(chǎng)景。
文檔編號(hào)G01S5/22GK102749614SQ20121024381
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月13日
發(fā)明者劉薇, 印明, 李元實(shí), 王智, 薛海亮, 邵華杰 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)