本发明涉及定位方法技术领域，具体涉及一种基于元胞自动机的无线室内定位方法。
背景技术
现代社会人类活动80％以上的时间都处在室内环境中，随着无线通信技术迅猛发展和智能手机、可穿戴设备等智能移动终端的普及，室内位置服务几乎成了每个人的日常需求，室内定位已成为当前信息产业发展的重要组成部分，并逐步深入到国民经济和社会发展的方方面面，在应急救援、公共安全、军事和医疗等方面具有重要意义。室内定位市场前景广阔，仅我国需求规模达千亿元以上。开展高可用性高精度室内定位关键技术的研究已纳入国家中长期科技发展规划纲要。因此定位方法成为关注和研究的焦点，其中室内定位方法作为定位系统的核心尤为重要，极大的影响着室内定位的应用效果和推广。
现有技术的实现原理介绍如下：
(1)几何定位方法:是通过采集无线定位测量值，再根据无线信号空间传播规律计算出距离，再利用几何关系计算出未知节点的所在坐标。其中常用的几何关系包括，三角形法则和双曲线法则。
(2)指纹定位方法，其通常采用rss作为无线定位测量值，定位原理的主要思想来源于模式识别理论，是利用定位测量值与位置坐标间的一一对应关系，通过在线采集到的无线定位测量值与先验知识库中已知位置的定位测量值进行匹配来最终实现位置计算。指纹定位法的应用过程通常分为两个阶段，即指纹数据离线采样阶段和指纹库在线匹配定位阶段。
例如，申请号为201710961571.5的中国发明专利申请，公开了一种室内定位系统及方法，所述系统包括具有图像采集单元和数据处理单元的定位装置以及移动机器人，移动机器人在室内的地板上移动时，移动机器人设有的发射器朝向室内的天花板发射光束，形成大小和/或形状不同的第一光斑和第二光斑；斜向上设于室内的墙壁上的图像采集单元采集天花板的轮廓图像以及第一光斑和第二光斑的图像；数据处理单元根据天花板的轮廓图像以及第一光斑和第二光斑的图像，确定移动机器人在室内的地板上的位姿，实现在监测移动机器人在室内的地板上的位姿时，大大减轻发射器发射的光束经天花板至图像采集单元的光路被室内的家具、电器等物体遮挡的影响，有利于提高移动机器人定位的准确度。
上述现有技术的缺陷是：几何定位方法只考虑无线定位测量值与距离间的关系，而没有考虑无线信号受环境因素影响和设备老化所产生的波动，所以定位误差无法得到有效抑制。指纹定位方法只考虑了多个定位基站对某坐标点刻画的唯一性，而忽视了多个定位基站相对于同一坐标的空间关联性；只考虑了定位目标与采样点间的匹配关系而忽略了人和金属等障碍物引起的无线信号强时变性，导致定位精度低。
目前国内尚无采用元胞自动机用于室内定位方法。
技术实现要素：
针对现有技术的的缺陷和空白，本发明提供了一种基于元胞自动机的无线室内定位方法。
本发明的技术方案是：一种基于元胞自动机的无线室内定位方法，具体包括以下步骤：
步骤1根据定位精度需求，设定网格大小，将经过网格划分后的室内定位空间映射到元胞空间，使得元胞空间与定位空间具有相同的形状和大小，定位空间中的一个网格对应元胞空间中的一个元胞；
步骤2单个元胞通常具有多种元胞状态，每个状态均采用一个数值来代表，所述数值是元胞的状态值，状态值的组合决定了元胞状态集，元胞邻居的类型和元胞状态集的设定直接关系到室内定位演化规则的设计；
步骤3根据定位空间中的建筑结构和障碍物实际分布情况给出元胞空间中所有元胞的初始状态值，通过给以元胞不同赋值来代表障碍物，障碍物分为固定不可穿越障碍物、固定可穿越障碍物、移动不可穿越障碍物、移动可穿越障碍物，且需指定元胞自动机演化的起始元胞，即定位起始点；
步骤4定位空间中设置有定位基站，与定位终端通过无线网络连接，将无线通信过程中获得的无线信号强度或信号传播时间作为定位测量值，并且以队列的方式存储于定位终端的内存中；
步骤5权值根据元胞邻域内中心元胞和邻居元胞间的空间关系进行设定，权值与中心元胞与邻居元胞间的距离成反比，利用定位测量值的加权求和，在定位方法中加入空间关联约束；
邻居元胞i的权值为
∑rssm＝∑(rssm,i×wi)+rssm,c,i∈(1,...,8)……(1)
其中，
si是第i个邻居元胞到某个定位基站的距离；
s是中心元胞到定位基站的距离；
rssm,i表示邻居元胞i相对于定位基站m的信号强度变化量；
wi表示邻居元胞i相对于定位基站m的权值；
rssm,c表示中心元胞相对于基站m的信号强度变化量；
步骤6相邻时间测量值差分计算，求得相邻时刻间步骤5中所得加权和的变化量，通过差分去掉共模噪声的同时，在定位方法中加入了时间关联约束，降低定位误差，与步骤5共同组成了时空关联约束，能够有效去除设备一致性差、设备老化以及温湿度等环境因素改变所导致的定位测量值波动；
步骤5中的t时刻所得到的定位测量值加权和为
步骤7通过设置离散阈值grss对步骤6中所得数据进行离散化处理，离散阈值对应中心元胞与定位基站间远近关系的变化，通过多个基站远近关系变化的逻辑判断获得定位结果，利用逻辑判断进行定位具有计算量小和多定位目标并行计算的特点，适合于大规模定位场景的应用；
采集从t到t+1时刻的中心元胞和邻居元胞相对于4个定位基站的信号强度变化量δrssm(m∈a,b,c,d)，然后利用离散阈值进行离散化，得到(ωa,ωb,ωc,ωd)的组合，根据不同的组合关系判定中心元胞的移动方向，从而实现元胞定位；
步骤8定位目标每移动一次，进行一次元胞自动机演化，即对步骤4～步骤7步骤进行迭代执行，每次迭代的结果输出即为本次定位目标移动后的位置坐标。
本发明所述室内定位方法的有益效果如下：
(1)权值根据元胞邻域内元胞间的空间关系进行设定，利用定位测量值的加权求和，利用中心元胞和邻居元胞间的空间关联性对定位误差进行约束，有效提高定位精度；
(2)时间维度上差分计算是值求得相邻时刻间的所得加权和的变化量，通过差分去掉共模误差的同时，利用元胞自动机演化规则中的时间关联性对定位误差进行约束，提高定位精度；
(3)通过设置离散阈值对步骤6中所得数据进行离散化处理，离散阈值对应中心元胞与定位基站间远近关系的变化，通过多个基站远近关系变化的逻辑判断获得定位结果，通过逻辑判断进行定位具有计算量小和多定位目标并行计算的特点，适合于大规模定位场景的应用。
附图说明
图1为本发明所述无线室内定位方法的工作流程图。
图2为本发明所述无线室内定位方法的实施例1的工作流程图。
图3为本发明所述无线室内定位方法的实施例2的工作流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和说明书附图对本发明所述无线室内定位方法做进一步详细说明。
实施例1
如图1和图2所示，实施例1位在某个体育馆内采用本发明所述室内定位方法对人员进行定位，具体包括以下步骤：
步骤1根据体育馆内定位空间的形状设定元胞空间为矩形，设定网格大小为l＝m＝1m，将经过网格划分后的室内定位空间投影到元胞空间，元胞空间与定位空间具有相同的形状，采用矩形，大小与室内体育馆大小相同，定位空间中的一个网格对应元胞空间中的一个元胞；
步骤2设定元胞参数
元胞参数设置如下：
1)设定5种元胞移动状态，分别为原地不动、向上移动、向下移动、向左移动和向右移动；
2)采用moore型元胞邻居(元胞以相邻的8个元胞为邻居)，设定元胞状态参数(ωa,ωb,ωc,ωd)，与元胞状态对应关系如表1所示；
表1定位逻辑真值表
步骤3元胞自动机初始条件设置
根据室内体育馆中的立柱位置、人员定位起始位置、定位基站位置对元胞进行初始赋值，设定空白元胞的初始值为0，障碍物的初始值为-1，起始位置的赋值为1；
步骤4通过定位设备采集到的定位测量值以队列的形式存储于上位机的内存中，每次取出一个pmv(定位测量值)用于一次迭代过程；
步骤5根据元胞邻域内中心元胞与邻居元胞间的空间关系求得权值，中心元胞对于基站m的距离表示为s，所对应的权值设为1，邻居元胞i的权值表示为
∑rssm＝∑(rssm,i×wi)+rssm,c,i∈(1,...,8)……(1)
步骤6将步骤5所求得的t时刻定位测量值的加权和
通过差分去掉共模误差的同时，在定位方法中加入了时间关联约束，降低定位误差；步骤5和步骤6共同组成了时空关联约束，可有效去除设备一致性差、设备老化以及温湿度等环境因素改变所导致的定位测量值波动；
步骤7设置离散阈值grss＝1，对步骤6所得数据进行离散化处理，得到(ωa,ωb,ωc,ωd)的组合，离散阈值对应中心元胞与定位基站间远近关系的变化，通过多个基站远近关系变化的逻辑判断获得定位结果；
步骤8根据定位目标的运动情况，迭代运行步骤4至步骤7，获得移动目标的位置。
实施例2
如图1和图3所示，实施例2为在某机场候机大厅采用本发明所述室内定位方法对旅客和工作人员的进行定位，具体步骤如下：
步骤1根据候机厅定位空间的形状设定元胞空间为矩形，设定网格大小为l＝m＝2m，将经过网格划分后的室内定位空间投影到元胞空间，元胞空间与定位空间具有相同的形状，采用矩形，大小与候机厅大小相同，定位空间中的一个网格对应元胞空间中的一个元胞；
步骤2设定元胞参数
元胞参数设置如下：
1)设定9种元胞移动状态，分别为原地不动、向上移动、向下移动、向左移动、向右移动、向右上移动、向左上移动、向右下移动和向左下移动；
2)采用moore型元胞邻居，设定元胞状态参数(ωa,ωb,ωc,ωd)，与元胞状态对应关系如表2所示：
表2定位逻辑真值表
步骤3元胞自动机初始条件设置
根据室内体育馆中的立柱位置、人员定位起始位置、定位基站位置对元胞进行初始赋值，设定空白元胞的初始值为0，障碍物的初始值为-1，起始位置的赋值为1；
步骤4通过定位设备采集到的定位测量值以队列的形式存储于上位机的内存中，每次取出一个pmv用于一次迭代过程；
步骤5根据元胞邻域内中心元胞与邻居元胞间的空间关系进行求得权值，邻居元胞到中心元胞的距离是si，中心元胞的标准权值设为s，邻居元胞i的权值表示为
∑rssm＝∑(rssm,i×wi)+rssm,c,i∈(1,...,8)……(1)
步骤6将步骤5所求得的t时刻定位测量值的加权和
通过差分去掉共模误差的同时，在定位方法中加入了时间关联约束，降低定位误差，步骤5和步骤6共同组成了时空关联约束，可有效去除设备一致性差、设备老化以及温湿度等环境因素改变所导致的定位测量值波动；
步骤7设置离散阈值grss＝3.5，对步骤6所得数据进行离散化处理，得到(ωa,ωb,ωc,ωd)的组合，离散阈值对应中心元胞与定位基站间远近关系的变化，通过多个基站远近关系变化的逻辑判断获得定位结果；
步骤8根据定位目标的运动情况，迭代运行步骤4至步骤7，获得移动目标的位置。
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的保护范围。