一種無線傳感網絡高精度定位方法
【專利摘要】本發明提供一種無線傳感網絡高精度定位方法，其特征在于，包括如下步驟：設置一組錨節點，并選擇適當的位置作為坐標原點o，建立原點坐標系xoz,計算各個錨節點相對于坐標原點o的相對極坐標(r,δ)，每個錨節點上設置有一組紅外攝像頭，計算各個紅外攝像頭的方向信息，將各個相對極坐標和紅外攝像頭方向信息錄入對應的錨節點主控模塊，被測節點上設置兩個紅外發光模塊。本方法對無線傳感網定位參考坐標獲取這一核心為題提供低成本高精度的解決方案，對于無線傳感網機近距離無線通信高精度定位系統研究具有重要的參考價值。
【專利說明】
-種無線傳感網絡高精度定位方法
技術領域
[0001] 本發明設及無線傳感網絡定位領域，具體地講，設及一種無線傳感網絡高精度定 位方法。
【背景技術】
[0002] 無線傳感網（WSN)中的節點定位是WSN眾多研究和應用的基礎，也是一個研究熱 點。為了評價定位算法，我們需要獲取高精度的參考坐標，采用普通的GPS定位方法定位精 度能夠達到2米W內，對于一些高精度定位而言不能滿足需求;雖然通過差分GPS方法可W 達到非常高的精度，但是運種方法花費極大，更重要的是GPS技術室內無法完成定位，而無 線定位的試驗環境很多時候是在室內或半開放環境下，因此我們需要一種通用、廉價、便捷 的參考坐標提供系統和方法，攝像定位系統可W實現高精度的物體定位，但是通常運些系 統需要非常復雜的圖像處理算法、圖像識別技術及強大的處理器來進行圖像分析處理，要 求很強的專業知識，開發難度大，我們設計了一種不同于傳統攝像定位方法的低復雜度攝 像實時定位系統，過濾掉無關的信息，能夠用簡單的算法實現較精度的實時定位。

【發明內容】

[0003] 本發明要解決的技術問題是提供一種無線傳感網絡高精度定位方法，能夠用簡單 的算法實現較精度的實時定位。
[0004] 本發明采用如下技術方案實現發明目的：
[0005] -種無線傳感網絡高精度定位方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0006] (1)設置一組錯節點，并選擇適當的位置作為坐標原點0,建立原點坐標系XOZ，計 算各個錯節點相對于坐標原點O的相對極坐標(r，S)，每個錯節點上設置有一組紅外攝像 頭，計算各個紅外攝像頭的方向信息，將各個相對極坐標和紅外攝像頭方向信息錄入對應 的錯節點主控模塊，被測節點上設置兩個紅外發光模塊；
[0007] (2)首先進行預測量操作，將兩個間距為d紅外發光模塊豎直放置，其中位置較低 的紅外發光模塊與錯節點的紅外攝像頭同高的位置，分別用紅外攝像頭拍攝距離紅外發光 模塊不同設定距離時的紅外圖像，并求得每個紅外圖像的兩個紅外發光模塊間的像素點數 存入距離參考緩沖區DisRef [i]，緩沖區格式如下：Dref [i]、nref[i]，其中，Dref [i]表示不 同設定距離，nref[i]表示不同設定距離對應的兩個紅外發光模塊之間的像素點數，距離參 考緩沖區DisRefti]按照由大到小的順序進行存儲；
[000引（3)其中一個錯節點自動成為主節點，每5秒鐘在發送時隙TO發送一次系統同步指 令SYSSYNC，其他錯節點在自己對應的錯節點時隙化發送應答無線數據包ACKSYSSYNC，被測 節點在終端節點時隙Tt發送應答無線數據包TACKSYSSYNC，如果主節點收到應答無線數據 包ACKSYSSYNC和TACKSYSSYNC，則轉步驟(4)，否則重復步驟(3);
[0009] (4)被測試節點按鍵在Tt時隙發送請求測試無線數據包Appl^est,每個錯節點接 收到請求數據包后在對應的化時隙發送ACKA卵IyTest數據包，被測節點接受到全部錯節點 應答后開始測試進入步驟(5);
[0010] (5)被測節點按鍵打開紅外發射模塊，然后發送定位測試數據包LocTest,等待2秒 后關閉紅外發射模塊，每個錯節點接收到無線數據包后通知對應的圖像處理模塊進行拍 照，并對采集的圖像信息進行處理，獲取被測節點的全局坐標：
[0011] (6)各個錯節點將獲取的原始數據和最終計算的被測節點全局坐標發送至主節 點，主節點將接收的所有被測節點全局坐標取平均后得到最終的被測節點坐標，同時將坐 標信息存入TF卡，然后將被測節點坐標信息發送至被測節點，被測節點接收到坐標信息后 再顯示模塊上顯示，至此完成一次定位。
[0012] 作為對本技術方案的進一步限定，所述步驟(5)包括如下步驟：
[0013] (5.1)被測節點打開紅外發射模塊，然后發送定位測試數據包LocTest,錯節點接 收到無線數據包后通知圖像處理模塊進行拍照，每個錯節點拍攝的圖像不存在重疊現象， 圖像處理模塊對采集的圖像信息進行處理；
[0014] (5.2)將圖像處理模塊的處理信息發送到錯節點主控模塊計算被測節點的相對坐 標；
[0015] (5.3)通過極坐標運算就可W得到被測節點的全局坐標。
[0016] 作為對本技術方案的進一步限定，所述步驟(5.1)的圖像信息處理包括如下步驟：
[0017] (5.1.1)圖像處理模塊首先將N個發光區域的存儲緩沖區化S陽]清空，每個存儲緩 沖區有7個參數，分別為最小X坐標Xmin，最大X坐標Xmax，最小Y坐標化in，最大Y坐標Ymax，X 坐標平均值Xavg，Y坐標平均值化Vg，像素點數量Num，上述參數的初始值均為0;
[0018] (5.1.2)然后將紅外攝像頭采集的灰度圖像按照行列的順序依次將各像素點發送 至圖像處理模塊，圖像處理模塊判斷每個像素點的亮度是否大于預設的強度闊值Ath,如果 亮度大于Ath，則判斷該像素點為發光點，然后將該像素點的坐標依次與每個存儲緩沖區的 參數進行比對：
[0019] 如果像素點X坐標<Xmin-2或像素 X坐標〉Xmax+2，
[0020] 同時
[0021 ] 像素 Y坐標別min-2或像素 Y坐標〉Ymax+2，
[0022] 則判斷該像素點不在該發光區域內，查找下一個存儲緩沖區；
[0023] 否則判斷該發光點在該發光區域內，更新存儲緩沖區參數：
[0024] 如果乂坐標。111；[]1，貝化111；[]1=乂坐標，
[0025] 否則如果X坐標〉Xmax，則Xmax=X坐標，
[0026] 如果Y坐標 <化;[]1，則化;[]1 = ￥坐標，
[0027] 否則如果Y坐標〉Ymax，則Ymax = Y坐標；
[002引 Xavg= (Xavg*Num 巧坐標）/Num;
[0029] 化 Vg= (Yavg*Num 巧坐標）/Num;
[0030] Num = Num+!；
[0031] (5.1.3)如果該像素點不在所有的發光區域中，則判斷為新的發光區域，新的發光 區域的存儲緩沖區P〇s[m]的參數設置如下：
[0032] Xmin=X 坐標；
[003；3] Xmax=X 坐標；
[0034] %iin = Y 坐標；
[0035] Ymax = Y 坐標；
[0036] Xavg=X 坐標；
[0037] 化 Vg = Y 坐標；
[00；3 引 Num=I;
[0039] (5.1.4)當所有的像素點傳輸完畢后圖像處理模塊將所有存儲緩沖區信息處理， 首先選擇滿足如下條件的發光區域W降低誤差：
[0040] Xavg-Xmin〉Rxth 同時 Xmax-Xavg〉Rxth 同時化 vg-%iin〉R}fth 同時 Ymax-化 vg〉RYth， Rxth, Ryth為系統設置的發光區域最小有效半徑;然后選出所有發光區域Xavg相差5W內的 發光區域，如有2個發光區域滿足條件則表明成功拍攝到被測節點，否則表明未拍攝到被測 節點。
[0041] 作為對本技術方案的進一步限定，所述步驟(5.2)包括如下步驟：
[0042] 化9 1')巧巧獻畑Il巧占的鳥底；
[0043]
[0044] 其中，nt為拍攝圖像中兩個發光區域中屯、點間的像素點數，假設較高的發光區域 中屯、點Y坐標為Yavgl,較低的發光區域中屯、點Y坐標為Yavg2,則nt=(Yavgl-Yavg2); Yimagemax表示拍攝圖像的高度，d表示兩個紅外發光模塊的實際間距；
[0045] (5.2.2)計算紅外攝像頭與被測節點的距離Dis,具體步驟如下：
[0046] 首先在距離參考緩沖區DisRef [ i ]中查找nt，當nref [i ]<nt或者nref [ i ] = nt時停 止查找，
[0047] 如果nref [i]=nt，則被測節點與攝像頭距離Dis = Drefti];
[004引 否則Dis = nt*( Dref [ i ]-Dref[ i_l ])/(nref [ i ]-nref[ i_l ])
[0049] 如果沒有找到則：
[0050] Dis = nt*(Dref [Nmax-l ]-Dref [Nmax-2] )/(nref [Nmax-l ]-nref [Nmax-2]) ,Nmax 表示化ef和nref數組的最大數量；
[0051 ] (5.2.3)計算被測節點的相對坐標，具體步驟如下：
[0052]首先建立垂直于拍攝圖像XY平面的XZ平面，)(Z平面穿過紅外攝像頭且與兩個被測 節點連線垂直，拍攝圖像平面為XY平面，紅外攝像頭在XY平面的投影位于拍攝圖像中屯、化 (nx/2，ny/2)，在XY平面上穿過拍攝圖像中屯、化且與兩個被測節點連線垂直的直線為拍攝 圖像X軸，在XY平面上穿過拍攝圖像中屯、化且與拍攝圖像X軸垂直的為拍攝圖像Y軸，在XZ平 面上穿過拍攝圖像中屯、化和紅外攝像頭的直線為拍攝圖像Z軸，nx為拍攝圖像的寬度，ny為 拍攝圖俊的高底.巧揚圖像的中,|、地1距離兩個被測節點連線的距離化為：
[0化3]
[0054]紅外攝像頭與被測節點的距離Dis在XZ平面映射距離Diszx為：
[0化5]
[0056]紅外攝像頭與拍攝圖像中屯、化的距離化為
[0化7]
[005引 i角丫計算如下：
[0化9]
[0060] 被測節點相對攝像頭在XZ平面上的相對坐標為(Diszx，丫）。
[0061] 作為對本技術方案的進一步限定，所述紅外攝像頭的方向信息是指紅外攝像頭與 原點坐標系XO Z的X軸在XZ平面的夾角0。
[0062] 作為對本技術方案的進一步限定，所述步驟(5.3)包括如下步驟：
[0063] 被測節點在XZ平面上與紅外攝像頭的夾角為丫；
[0064] 被測節點相對錯節點的高度Dy,也就是被測節點距離XZ平面的高度，即被測節點 的實際的Y向坐標為：
[0065] 所W可W得到被測節點相對錯節點X軸坐標：
[0066] 被測節點相對紅外攝像頭在XZ平面上映射距離為Diszx,又已知紅外攝像頭與原 點坐標系的X軸在XZ平面夾角為0，因此被測節點相對紅外攝像頭在XZ平面上與原點坐標系 的X軸的夾角為e+y ;
[0067] 最后利用各錯節點的相對極坐標(r，S)計算得到被測節點相對于原點O的坐標，被 測節點的全局X向坐標為? cos(S)+Diszx ? cos(0+ 丫）；被測節點的全局Z向坐標為:1'? sin(5)+Diszx ? sin(0+ 丫）。
[0068] 與現有技術相比，本發明的優點和積極效果是:本測試方法通過在被測節點安裝 紅外發光模塊，定位錯節點上安裝多臺單通道紅外攝像頭采集圖像信息，得到被測節點紅 外發光區域大小和位置計算得到被測節點的=維坐標，通過多錯節點協同得到精確的位置 信息，為無線傳感網定位提供高精度的參考位置信息。本方法對無線傳感網定位參考坐標 獲取運一核屯、為題提供低成本高精度的解決方案，對于無線傳感網機近距離無線通信高精 度定位系統研究具有重要的參考價值。
【附圖說明】
[0069] 圖1為本發明的被測節點控制裝置的原理方框圖。
[0070] 圖2為本發明的錯節點控制裝置的原理方框圖。
[0071] 圖3為本發明的被測節點所處的無線網絡的結構示意圖。
[0072] 圖4為本發明的原點坐標系和紅外攝像頭關系的結構示意圖。
[0073] 圖5為本發明的拍攝圖像的結構示意圖。
[0074] 圖6為本發明的XY平面和XZ平面的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0075] 下面結合附圖和優選實施例對本發明作更進一步的詳細說明。
[0076] 參見圖1-圖6,本發明的硬件部分包括被測節點控制裝置和錯節點控制裝置，所述 被測節點控制裝置包括被測節點主控模塊1，所述被測節點主控模塊1分別連接被測節點無 線模塊2和兩個紅外發射模塊3,所述錯節點控制裝置包括錯節點主控模塊7,所述錯節點主 控模塊7分別連接錯節點無線模塊8和圖像處理模塊9,每個所述圖像處理模塊9分別連接紅 外攝像頭10,所述被測節點無線模塊和錯節點無線模塊分別連接有天線6。
[0077] 所述被測節點主控模塊1還連接被測節點顯示模塊4和被測節點鍵盤模塊5。所述 錯節點主控模塊7還連接錯節點顯示模塊11和錯節點鍵盤模塊12,被測節點顯示模塊4和錯 節點顯示模塊11采用OL邸模塊。
[0078] 兩個所述紅外發射模塊3豎直放置，兩個所述紅外攝像頭10的夾角為90-120度。
[0079] 所述被測節點控制裝置和所述錯節點控制裝置都設置于支架13上，所述被測節點 控制裝置和所述錯節點控制裝置都設置有電源模塊14。
[0080] 本發明包括如下步驟：
[0081] (1)設置一組錯節點，并選擇適當的位置作為坐標原點0,建立原點坐標系XOZ，計 算各個錯節點相對于坐標原點O的相對極坐標(r，S)，每個錯節點上設置有一組紅外攝像 頭，計算各個紅外攝像頭的方向信息，將各個相對極坐標和紅外攝像頭方向信息錄入對應 的錯節點主控模塊，被測節點上設置兩個紅外發光模塊；
[0082] (2)首先進行預測量操作，將兩個間距為d紅外發光模塊豎直放置，其中位置較低 的紅外發光模塊與錯節點的紅外攝像頭同高的位置，分別用紅外攝像頭拍攝距離紅外發光 模塊不同設定距離時的紅外圖像，并求得每個紅外圖像的兩個紅外發光模塊間的像素點數 存入距離參考緩沖區DisRef [ i ]，緩沖區格式如下：
[0083] Dref [i]、nref[i]，其中，Dref [i]表示不同設定距離，nref[i]表示不同設定距離 對應的兩個紅外發光模塊之間的像素點數，距離參考緩沖區DisRef [i]按照由大到小的順 序進行存儲；
[0084] (3)其中一個錯節點自動成為主節點，每5秒鐘在發送時隙TO發送一次系統同步指 令SYSSYNC，其他錯節點在自己對應的錯節點時隙化發送應答無線數據包ACKSYSSYNC，被測 節點在終端節點時隙Tt發送應答無線數據包TACKSYSSYNC，如果主節點收到應答無線數據 包ACKSYSSYNC和TACKSYSSYNC，則轉步驟(4)，否則重復步驟(3);
[0085] (4)被測試節點按鍵在Tt時隙發送請求測試無線數據包Appl^est,每個錯節點接 收到請求數據包后在對應的化時隙發送ACKA卵IyTest數據包，被測節點接受到全部錯節點 應答后開始測試進入步驟(5);
[0086] (5)被測節點按鍵打開紅外發射模塊，然后發送定位測試數據包LocTest,等待2秒 后關閉紅外發射模塊，每個錯節點接收到無線數據包后通知對應的圖像處理模塊進行拍 照，并對采集的圖像信息進行處理，獲取被測節點的全局坐標：
[0087] (6)各個錯節點將獲取的原始數據和最終計算的被測節點全局坐標發送至主節 點，主節點將接收的所有被測節點全局坐標取平均后得到最終的被測節點坐標，同時將坐 標信息存入TF卡，然后將被測節點坐標信息發送至被測節點，被測節點接收到坐標信息后 再顯示模塊上顯示，至此完成一次定位。
[0088] 所述步驟(5)包括如下步驟：
[0089] (5.1)被測節點打開紅外發射模塊，然后發送定位測試數據包LocTest,錯節點接 收到無線數據包后通知圖像處理模塊進行拍照，每個錯節點拍攝的圖像不存在重疊現象， 圖像處理模塊對采集的圖像信息進行處理；
[0090] (5.2)將圖像處理模塊的處理信息發送到錯節點主控模塊計算被測節點的相對坐 標；
[0091] (5.3)通過極坐標運算就可W得到被測節點的全局坐標。
[0092] 所述步驟(5.1)的圖像信息處理包括如下步驟：
[0093] (5.1.1)圖像處理模塊首先將N個發光區域的存儲緩沖區化S陽]清空，每個存儲緩 沖區有7個參數，分別為最小X坐標Xmin，最大X坐標Xmax，最小Y坐標化in，最大Y坐標Ymax，X 坐標平均值Xavg，Y坐標平均值化Vg，像素點數量Num，上述參數的初始值均為0;
[0094] (5.1.2)然后將紅外攝像頭采集的灰度圖像按照行列的順序依次將各像素點發送 至圖像處理模塊，圖像處理模塊判斷每個像素點的亮度是否大于預設的強度闊值Ath,如果 亮度大于Ath，則判斷該像素點為發光點，然后將該像素點的坐標依次與每個存儲緩沖區的 參數進行比對：
[0095] 如果像素點X坐標<Xmin-2或像素 X坐標〉Xmax+2，
[0096] 同時
[0097] 像素 Y坐標別min-2或像素 Y坐標〉Ymax+2，
[0098] 則判斷該像素點不在該發光區域內，查找下一個存儲緩沖區；
[0099] 否則判斷該發光點在該發光區域內，更新存儲緩沖區參數：
[0100] 如果 X 坐標 <Xmin，貝 IjXmin=X 坐標，
[0101 ] 否則如果X坐標〉Xmax,則Xmax=X坐標，
[0102] 如果Y坐標 <化;[]1，則化;[]1 = ￥坐標，
[0103] 否則如果Y坐標〉Ymax,則Ymax = Y坐標；
[0104] Xavg= (Xavg*Num 巧坐標）/Num;
[0105] 化 Vg= (Yavg*Num 巧坐標）/Num;
[0106] Num = Num+!；
[0107] (5.1.3)如果該像素點不在所有的發光區域中，則判斷為新的發光區域，新的發光 區域的存儲緩沖區P〇s[m]的參數設置如下：
[010 引 Xmin=X 坐標；
[0109] Xmax=X 坐標；
[0110] %iin = Y 坐標；
[0111] Ymax = Y坐標；
[0112] Xavg=X 坐標；
[0113] 化 Vg = Y 坐標；
[0114] Num=I ；
[0115] (5.1.4)當所有的像素點傳輸完畢后圖像處理模塊將所有存儲緩沖區信息處理， 首先選擇滿足如下條件的發光區域W降低誤差：
[0116] Xavg-Xmin〉Rxth 同時 Xmax-Xavg〉Rxth 同時化 vg-%iin〉R}fth 同時 Ymax-化 vg〉RYth， Rxth, Ryth為系統設置的發光區域最小有效半徑;然后選出所有發光區域Xavg相差5W內的 發光區域，如有2個發光區域滿足條件則表明成功拍攝到被測節點，否則表明未拍攝到被測 節點。
[0117] 所述步驟(5.2)包括如下步驟：
[0118] (5.2.1)獲取被測節點的高度：
[0119]
[0120] 其中，nt為拍攝圖像中兩個發光區域中屯、點間的像素點數，假設較高的發光區域 中屯、點Y坐標為Yavgl,較低的發光區域中屯、點Y坐標為Yavg2,則nt=(Yavgl-Yavg2); Yimagemax表示拍攝圖像的高度，d表示兩個紅外發光模塊的實際間距；
[0121 ] (5.2.2)計算紅外攝像頭與被測節點的距離Dis，具體步驟如下：
[0122] 首先在距離參考緩沖區DisRef [ i ]中查找nt，當nref [i ]<nt或者nref [ i ] = nt時停 止查找，
[0123] 如果nref[i] =nt,則被測節點與攝像頭距離Dis = Dref[i];
[0124] 否則Dis = nt*( Dref [ i]-Dref[ i_l ])/(nref [ i]-nref[ i_l ])
[0125] 如果沒有找到則：
[01 %] Dis = nt*(Dref [Nmax-l ]-Dref [Nmax-2] )/(nref [Nmax-l ]-nref [Nmax-2])，Nmax 表示化ef和nref數組的最大數量；
[0127] (5.2.3)計算被測節點的相對坐標，具體步驟如下：
[012引首先建立垂直于拍攝圖像XY平面的XZ平面，)(Z平面穿過紅外攝像頭且與兩個被測 節點連線垂直，拍攝圖像平面為XY平面，紅外攝像頭在XY平面的投影位于拍攝圖像中屯、化 (nx/2，ny/2)，在XY平面上穿過拍攝圖像中屯、化且與兩個被測節點連線垂直的直線為拍攝 圖像X軸，在XY平面上穿過拍攝圖像中屯、化且與拍攝圖像X軸垂直的為拍攝圖像Y軸，在XZ平 面上穿過拍攝圖像中屯、化和紅外攝像頭的直線為拍攝圖像Z軸，nx為拍攝圖像的寬度，ny為 拍攝圖像的高度，拍攝圖像的中屯、化距離兩個被測節點連線的距離化為：
[0129]
[0130] 紅外攝像頭與被測節點的距離Dis在XZ平面映射距離Diszx為：
[0131]
[0132] 奸林標傻車白柏標巧像中屯、化的距離化為
[0133]
[0134] Diszx與化的水平夾角丫計算如下：
[0135]
[0136] 被測節點相對攝像頭在XZ平面上的相對坐標為(Diszx，丫）。
[0137] 所述紅外攝像頭的方向信息是指紅外攝像頭與原點坐標系XOZ的X軸在XZ平面的 夾角e。
[0138] 所述步驟(5.3)包括如下步驟：
[0139] 被測節點在XZ平面上與紅外攝像頭的夾角為丫；
[0140] 被測節點相對鋪帶占的高原Dv,也就是被測節點距離XZ平面的高度，即被測節點 的實際的Y向坐標呆
[0141] 所W可W得到被測節點相對錯節點X軸坐標：
[0142] 被測節點相對紅外攝像頭在XZ平面上映射距離為Diszx,又已知紅外攝像頭與原 點坐標系的X軸在XZ平面夾角為0，因此被測節點相對紅外攝像頭在XZ平面上與原點坐標系 的X軸的夾角為0+T ;
[0143]最后利用各錯節點的相對極坐標(r，S)計算得到被測節點相對于原點O的坐標，被 測節點的全局X向坐標為? cos(S)+Diszx ? cos(0+ 丫）；被測節點的全局Z向坐標為:1'? sin(5)+Diszx ? sin(0+ 丫）。
【主權項】
1. 一種無線傳感網絡高精度定位方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 設置一組錨節點，并選擇適當的位置作為坐標原點0,建立原點坐標系X〇Z，計算各 個錨節點相對于坐標原點〇的相對極坐標α，δ)，每個錨節點上設置有一組紅外攝像頭，計 算各個紅外攝像頭的方向信息，將各個相對極坐標和紅外攝像頭方向信息錄入對應的錨節 點主控模塊，被測節點上設置兩個紅外發光模塊； (2) 首先進行預測量操作，將兩個間距為d紅外發光模塊豎直放置，其中位置較低的紅 外發光模塊與錨節點的紅外攝像頭同高的位置，分別用紅外攝像頭拍攝距離紅外發光模塊 不同設定距離時的紅外圖像，并求得每個紅外圖像的兩個紅外發光模塊間的像素點數存入 距離參考緩沖區DisRef [i]，緩沖區格式如下： Dref [i]、nref [i]，其中，Dref [i]表示不同設定距離，nref [i]表示不同設定距離對應 的兩個紅外發光模塊之間的像素點數，距離參考緩沖區DisRef [i]按照由大到小的順序進 行存儲； (3) 其中一個錨節點自動成為主節點，每5秒鐘在發送時隙TO發送一次系統同步指令 SYSSYNC，其他錨節點在自己對應的錨節點時隙Τη發送應答無線數據包ACKSYSSYNC，被測節 點在終端節點時隙Tt發送應答無線數據包TACKSYSSYNC，如果主節點收到應答無線數據包 ACKSYSSYNC和TACKSYSSYNC，則轉步驟(4)，否則重復步驟(3); (4) 被測試節點按鍵在Tt時隙發送請求測試無線數據包ApplyTest，每個錨節點接收到 請求數據包后在對應的Τη時隙發送ACKApp 1 yTe s t數據包，被測節點接受到全部錨節點應答 后開始測試進入步驟(5); (5) 被測節點按鍵打開紅外發射模塊，然后發送定位測試數據包LocTest，等待2秒后關 閉紅外發射模塊，每個錨節點接收到無線數據包后通知對應的圖像處理模塊進行拍照，并 對采集的圖像信息進行處理，獲取被測節點的全局坐標： (6) 各個錨節點將獲取的原始數據和最終計算的被測節點全局坐標發送至主節點，主 節點將接收的所有被測節點全局坐標取平均后得到最終的被測節點坐標，同時將坐標信息 存入TF卡，然后將被測節點坐標信息發送至被測節點，被測節點接收到坐標信息后再顯示 模塊上顯示，至此完成一次定位。2. 根據權利要求1所述的無線傳感網絡高精度定位方法，其特征在于，所述步驟(5)包 括如下步驟： (5.1) 被測節點打開紅外發射模塊，然后發送定位測試數據包LocTest，錨節點接收到 無線數據包后通知圖像處理模塊進行拍照，每個錨節點拍攝的圖像不存在重疊現象，圖像 處理模塊對采集的圖像信息進行處理； (5.2) 將圖像處理模塊的處理信息發送到錨節點主控模塊計算被測節點的相對坐標； (5.3) 通過極坐標運算就可以得到被測節點的全局坐標。3. 根據權利要求2所述的無線傳感網絡高精度定位方法，其特征在于，所述步驟(5.1) 的圖像信息處理包括如下步驟： (5.1.1) 圖像處理模塊首先將N個發光區域的存儲緩沖區Pos[N]清空，每個存儲緩沖區 有7個參數，分別為最小X坐標Xmin，最大X坐標Xmax，最小Y坐標Ymin，最大Y坐標Ymax，X坐標 平均值Xavg，Y坐標平均值Yavg，像素點數量Num，上述參數的初始值均為0; (5.1.2) 然后將紅外攝像頭采集的灰度圖像按照行列的順序依次將各像素點發送至圖 像處理模塊，圖像處理模塊判斷每個像素點的亮度是否大于預設的強度閾值Ath，如果亮度 大于Ath，則判斷該像素點為發光點，然后將該像素點的坐標依次與每個存儲緩沖區的參數 進行比對： 如果像素點X坐標〈Xmin-2或像素 X坐標>Xmax+2， 同時 像素 Y坐標〈Ymin-2或像素 Y坐標〉Ymax+2， 則判斷該像素點不在該發光區域內，查找下一個存儲緩沖區； 否則判斷該發光點在該發光區域內，更新存儲緩沖區參數： 如果X坐標〈Xmin，則Xmin = X坐標， 否則如果X坐標>Xmax，則Xmax = X坐標， 如果Y坐標〈Ymin，則Ymin = Y坐標， 否則如果Y坐標〉Ymax，則Ymax = Y坐標； Xavg= (Xavg*Num+X 坐標）/Num; Yavg= (Yavg*Num+Y 坐標）/Num; Num=Num+l ； (5.1.3) 如果該像素點不在所有的發光區域中，則判斷為新的發光區域，新的發光區域 的存儲緩沖區P〇s[m]的參數設置如下： Xmin = X 坐標； Xmax = X 坐標； Ymin = Y 坐標； Ymax = Y坐標； Xavg = X 坐標； Yavg = Y 坐標； Num= 1 ； (5.1.4) 當所有的像素點傳輸完畢后圖像處理模塊將所有存儲緩沖區信息處理，首先 選擇滿足如下條件的發光區域以降低誤差： Xavg_Xmin>Rxth 同時 Xmax_Xavg>Rxth 同時 Yavg_Ymin>Ryth 同時 Ymax_Yavg>RYth， Rxth，Ryth為系統設置的發光區域最小有效半徑;然后選出所有發光區域Xavg相差5以內的 發光區域，如有2個發光區域滿足條件則表明成功拍攝到被測節點，否則表明未拍攝到被測 節點。4.根據權利要求3所述的無線傳感網絡高精度定位方法，其特征在于，所述步驟(5.2) 包括如下步驟： (5.2.1) 獲取被測節點的高度：其中，nt為拍攝圖像中兩個發光區域中心點間的像素點數，假設較高的發光區域中心 點Y坐標為Yavgl，較低的發光區域中心點Y坐標為Yavg2,則nt = (Yavgl_Yavg2) ;Yimagemax 表示拍攝圖像的高度，d表示兩個紅外發光模塊的實際間距； (5.2.2) 計算紅外攝像頭與被測節點的距離Dis，具體步驟如下： 首先在距離參考緩沖區DisRef [i]中查找nt，當nref [i]〈nt或者nref [i] =nt時停止查 找， 如果nref [ i ] =nt，則被測節點與攝像頭距離Dis = Dref [ i ]; 否則018 = 111:*(0代;1^[;[]-0^;1^[;[-1])/(1^6；1^[;[]-1^6；1^[;[-1]) 如果沒有找到則： Dis = nt*(Dref[Nmax_l ]-Dref[Nmax_2] )/(nref[Nmax_l ]-nref[Nmax_2])，Nmax 表不 Dref和nref數組的最大數量； (5.2.3)計算被測節點的相對坐標，具體步驟如下： 首先建立垂直于拍攝圖像XY平面的XZ平面，XZ平面穿過紅外攝像頭且與兩個被測節點 連線垂直，拍攝圖像平面為XY平面，紅外攝像頭在XY平面的投影位于拍攝圖像中心ChUx/ 2，ny/2)，在XY平面上穿過拍攝圖像中心(h且與兩個被測節點連線垂直的直線為拍攝圖像X 軸，在XY平面上穿過拍攝圖像中心Oi且與拍攝圖像X軸垂直的為拍攝圖像Y軸，在XZ平面上 穿過拍攝圖像中心Ch和紅外攝像頭的直線為拍攝圖像Z軸，nx為拍攝圖像的寬度，ny為拍攝 圖像的高度，拍攝圖像的中心〇:距離兩個被測節點連線的距離Dx為：紅外攝像頭與被測節點的距離Dis在XZ平面映射距離Diszx為：紅外攝像頭與拍攝圖像中心Οι的距離Dz為Diszx與Dz的水平夾角γ計算如下：被測節點相對攝像頭在ΧΖ平面上的相對坐標為(Diszx，γ )。5. 根據權利要求4所述的無線傳感網絡高精度定位方法，其特征在于，所述紅外攝像頭 的方向信息是指紅外攝像頭與原點坐標系xoz的X軸在ΧΖ平面的夾角β。6. 根據權利要求5所述的無線傳感網絡高精度定位方法，其特征在于，所述步驟(5.3) 包括如下步驟： 被測節點在xz平面上與紅外攝像頭的夾角為γ ; 被測節點相對錨節點的高度Dy，也就是被測節點距離XZ平面的高度，即被測節點的實 際的Y向坐標為：所以可以得到被測節點相對錨節點X軸坐標： 被測節點相對紅外攝像頭在XZ平面上映射距離為Diszx，又已知紅外攝像頭與原點坐 標系的X軸在XZ平面夾角為β，因此被測節點相對紅外攝像頭在XZ平面上與原點坐標系的X 軸的夾角為β+γ ; 最后利用各錨節點的相對極坐標(rj)計算得到被測節點相對于原點〇的坐標，被測節 點的全局X向坐標為:r · cos(5)+Diszx · cos(P+ γ ); 被測節點的全局ζ向坐標為:r · sin(5)+Diszx · sin(P+Y )。
【文檔編號】G01S5/16GK105828291SQ201610285587
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月3日
【發明人】付勇, 徐梅, 王春梅, 劉瑞霞, 陳長英, 胡帆, 胡一帆, 朱亮, 王英龍
【申請人】山東省計算中心（國家超級計算濟南中心）