一种蓝牙信号定位方法、多信号融合定位方法及系统与流程

本发明涉及无线信号定位技术领域，特别涉及一种蓝牙信号定位方法、多信号融合定位方法及系统。

背景技术：

目前，针对室内外定位的无线信号有多种，如低速率近距离传输的通讯技术zigbee、uwb(ultrawideband，无载波通信技术)、gps、以及蓝牙等信号定位。其中zigbee和uwb安装部署成本较高，gps只能实现室外定位，相比之下，蓝牙定位安装部署成本低，功耗低。

常用的蓝牙定位算法有toa(基于到达时间进行定位)、tdoa(基于到达时间差进行定位)、aoa(基于信号到达角度进行定位)、和rssi(信号强度计算距离进行定位)等，toa、tdoa等算法需要严格的时钟同步使得其对硬件的要求比较高，因此成本价也高；基于rssi的指纹定位算法需要采集大量的数据构成指纹库，因其数据量大，导致计算量也较大，实施部署难度较大，而且蓝牙信号波动较大，直接按照衰减模型计算误差较大。

另一方面，传统的用于企业人员的定位方案一般通过采用单一的蓝牙或者gps定位方案，在灵活性和实用性上都暴漏出了缺点。gps定位方法适合室外定位，在有遮挡的室内无法正常使用，因而室内定位方案一般采用uwb和蓝牙实现。采用单一的定位方式，部署复杂度高，工期长，成本也高。因此采用多种定位方式融合的方法可以有效解决这些痛点。

中国发明专利cn201710986123.0公开了一种基于智能手持仪的人员定方法，使用射频信号、蓝牙信号和grps等多种定位方式，但是对比文件中所需的蓝牙信标较多，且采用经纬度对蓝牙信标位置进行标注。且对于待定位设备采用理想情况下的rssi衰减方程，在实际的生产环境中没有实用性，受环境影响因素较大，且计算距离通常是不准确的。

技术实现要素：

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种蓝牙信号定位方法、多信号融合定位方法及系统、实现蓝牙信号定位的实时跟进并自动调整目标位置实现精确定位，并实现蓝牙、gps、uwb及5g基站信号的融合人员定位方法。充分考虑了企业人员定位方案的实施部署难、现场环境复杂等因素，可以有效的帮助用户自由选择定位方案，有助于提高企业的安全管控以及企业成本。

本发明的第一个方面提供了一种蓝牙信号定位方法，为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案，包括基于信标位置以及距离信标的距离分段计算得到信标信号分段的衰减模型；s2、获取待定位设备接收的各个信标的信标信号强度；s3、基于预设阈值过滤获取的信标信号强度并确定是否存在最优点；s4、基于最优点或所述分段的衰减模型确定带定位设备的定位点；s5、对基于步骤s1-s4计算得到的第m个定位点，以及第m个定位点的前3次定位点，进行行进角度比较，并基于预设步伐获取第m个定位点的实际定位点且作为结果输出，其中m大于3。

进一步的，步骤s1具体包括如下，s11、基于信标位置以及距离信标的距离分段采集信标信号强度；s12、对采集的信标信号强度采用最小二乘法拟合区域的衰减曲线，从而得到分段衰减模型。

分段模型在实际生产环境受环境因素下，计算信标距离准确。

进一步的，步骤s3具体包括：s31、基于第一预设阈值过滤小于第一预设阈值的信标信号；s32、将过滤后的信标信号强度由高到低排序；s33、如果信号强度最高的信标信号大于第二预设阈值，则判断是最优点，否则，没有最优点。

进一步的，步骤s4具体包括，s41、如果判断是最优点，则最优点的位置则是待定位设备的定位点；s42、如果没有最优点，则将过滤后的信标信号强度分别带入分段衰减模型计算出距离每个信标的距离，并通过质心加权计算得出待定位设备的定位点。

通过对最优点的确定，降低了定位误差。

进一步的，步骤s5具体包括，s51，经步骤s1-s4得到的第m个定位点与确定的第m-1个定位点计算得到第一行进角度；s52,第m-1个定位点与第m-2个定位点计算得到第二行进角度，以及，第m-2个定位点与第m-3个定位点计算得到第三行进角度；s53，第一行进角度与第二行进角度以及第三行进角度进行比较，并根据比较结果以及预设步伐，确定第m个点的实际定位点。

进一步的，步骤s53包括，对第一行进角度与第二行进角度以及第三行进角度的进行比较，并基于比较结果计算得到行进距离与预设步伐或继续对第一行进角度与第二行进角度进行比较；基于第一行进角度与第二行进角度的比较结果和最优点，得到预设行进步伐或者等待下一次计算。

进一步的，步骤s53具体包括，对第一行进角度与第二行进角度以及第三行进角度进行比较，若第一/第二/第三行进角度三者均一致，则比较计算得到的行进距离与预设步伐：若行进距离小于预设步伐，则确定待定位设备按照行进距离行进；若行进距离大于预设步伐，按照预设步伐行进；否则，对第一行进角度与第二行进角度进行比较，若第一行进角度与第二行进角度一致，并且有最优点，则按照第一预设步伐行进；若第一行进角度与第二行进角度不一致，并且有最优点，则按照第二预设步伐行进；否则，等待下一次计算。

本发明的第二个方面提供了一种多信号融合定位方法，包括如下步骤，便携式定位终端基于接收的多种定位信号，以及基多种定位信号的优先级，选择对应的定位方式和定位信号上报定位引擎，其中，多种定位信号至少包括uwb信号、蓝牙信号、5g基站信号以及gps定位信号中任意一种；定位引擎基于接收的定位方式以及定位信号，解析得到定位结果，若定位引擎接收蓝牙信号定位方式以及蓝牙信号，则定位引擎运行上述蓝牙信号定位方法，用于定位便携式定位终端。

uwb信号、蓝牙信号、5g基站信号以及gps定位信号的多种定位信号融合方式，在实际应用中更灵活更实用，对于部署的复杂度要求更低。

进一步的，便携式定位终端基于接收的多种定位信号，以及多种定位信号的优先级，选择对应的定位方式上报定位引擎，具体包括：便携式定位终端基于获取的多种定位信号的优先级，选择对应的定位方式上报定位引擎，若便携式定位终端获取的gps信号优先级最高，则采用gps定位方式，将gps数据上报定位引擎；若便携式定位终端获取的5g基站信号优先级最高，则采用5g基站信号定位方式，将5g基站信号上报定位引擎；若便携式定位终端获取的uwb信号优先级最高，则采用uwb定位方式，将uwb信号上报定位引擎；若便携式定位终端获取的蓝牙信号优先级最高，则采用蓝牙定位方式，将信标rssi信号上报定位引擎，并基于信号强度和信标坐标信息，计算得到待定位设备位置。

一般便携式定位终端接收的定位信号的优先级为uwb信号＞蓝牙信号＞5g基站信号＞gps信号。基于定位精度需求，便携式定位终端对应发送定位引擎对应的的定位信号和定位方式。根据室内或者室外，和定位精度和成本需求，选择合适的定位方式进行定位。

本发明的第三个方面提供了一种多信号融合定位系统，至少包括，至少一个用于发射蓝牙信号的信标，若干uwb定位标签；便携式定位终端，所述便携式定位终端至少包括uwb定位模块、蓝牙模块gps模块，5g通讯模块，用于基于接收的uwb信号、蓝牙信号、5g基站信号以及gps定位信号的信号优先级，选择定位优先级最高的定位方式和定位信号上报定位引擎；定位引擎，用于接收并解析便携式定位终端发送的定位信号，若定位引擎接收蓝牙信号定位方式以及蓝牙信号，则定位引擎运行上述的蓝牙信号定位方法，用于定位便携式定位终端。

本发明的有益效果是：

1、利用分段衰减模型求出距离信标发射源的距离，定位准确；

2、通过最优点的确定与行进距离的控制，即使蓝牙信号波动较大，定位误差也较小；

3、通过对行进步伐以及行进角度的计算和判断，实现了目标的实时跟进，并可以自动调整目标位置；

4、蓝牙信标耗电量少，定位准确，可以不间断发生信号，一旦待定位设备进入蓝牙信标信号覆盖，无需多余操作，可以实现信息接收；

5、蓝牙信标耗电量少，无需额外供电，安装方便；

6、实现蓝牙、gps、uwb及5g基站信号等多信号融合定位，有效帮助用户根据应用场景和获取的定位信号优先级自由选择定位方案；

7、对于室外定位精度要求不高的区域，采用gps定位方式，对于室内定位精度要求高的区域采用uwb和蓝牙定位方式，降低企业成本，以及实施安装周期；

8、采用基于5g基站的定位方式，依托于现有设备，现场实施更加便捷。

附图说明

图1为本发明实施例所述的蓝牙信号定位方法的流程图；

图2为本发明实施例所述的拟合衰减模型示意图；

图3为本发明实施例现场应用示意图；

图4为本发明实施例所述的蓝牙信号定位装置示意图；

图5为本发明实施例所述的蓝牙信号定位系统示意图；

图6为本发明实施例所述的多信号融合定位方法流程图；

附图标记说明：1-胸卡；2-信标。

具体实施方式

为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。

在描述本发明的一种基于蓝牙信号的定位方法之前，首先对一些专有名词进行解释：

信标：固定在地面上，发射蓝牙信号的电子设备。

最优点：我们认为在离信标一米之内的信号强度是可信的。例如，距离信标1米处的信号强度测量值为-60，如果采集到的信号强度是-40，那么该信号对应的信标位置就是最优点。

信号衰减曲线：信号强度随着距离变化的曲线。

质心加权：将每个顶点的坐标按权重加起来。如果a点、b点和c点的坐标分别是(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，对应的权重分别是a,b,c那么经过质心加权计算后得到的位置坐标就是(a*x1+b*x2+c*x3,a*y1+b*y2+c*y3)。

卡尔曼滤波：是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。

基于以上解释，以下是对本发明的技术方案进行详细描述。

如图1所示，本实施例所述的一种基于蓝牙信号的定位方法，包括如下步骤：

步骤s1，基于信标信号强度以及距离分段计算得到信标信号分段的衰减模型。

本实施例中，所述步骤s1具体包括如下：

s11、基于信标位置以及距离信标位置的距离分段采集信标信号强度；对距离信标的距离进行分段从而进行信号强度收集。如图2所示，采集距离信标0到n米处的信号强度，采集离信标n到m米处的信号强度。

s12、对采集的信号强度采用最小二乘法拟合区域的衰减曲线，对采集的分段信号强度按照最小二乘法进行拟合计算，从而得到该区域的衰减曲线。

步骤s2、获取待定位设备接收的各个信标的信标信号强度。

由于蓝牙信号是不间断发生信号，待定位设备进入到信标信号覆盖区域，接收到信标信号，则自动开始定位。

步骤s3、基于预设阈值过滤获取的信标信号强度并确定是否存在最优点。

s31、基于第一预设阈值过滤小于第一预设阈值的信标信号；

如果待定位设备检测的某些信标信号强度小于第一预设阈值，则可以认为接收到的这些信号强度很弱，过滤掉这些信标信号。

s32、将过滤后的信标信号强度由高到低排序；

s33、如果最高的信标信号强度大于第二预设阈值，则判断是最优点，否则，不是最优点。

如果信标信号强度大于第二预设阈值，则说明待定位设备的位置在信标附近。

步骤s4、基于最优点或所述分段的衰减模型确定待定位设备的定位点。具体包括：

s41、如果判断是最优点，则最优点的位置则是待定位设备的定位点；

s42、如果不是最优点，则将由强至弱排列的信标信号强度分别带入分段衰减模型计算出距离每个信标的距离，并通过质心加权计算得出待定位设备的定位点。

在本发明的一个实施例中，重复步骤s2-s4获取待定位设备的3个初始定位点。

即前三个定位点均通过步骤s2-s4直接得出结果，无需执行如下步骤。

步骤s5、对基于步骤s1-s4计算得到的第m个定位点，以及第m个定位点的前3次定位点，进行行进角度比较，并基于预设步伐获取第m个定位点的实际定位点且作为结果输出，其中m大于3。

本实施例中，第4个定位点的确定根据步骤s2-s4初步确定一个定位点，然后再根据前面3次的定位点，进行行进角度比较，并基于预设步伐获取确定其实际行进距离。

具体包括，s51，第4个定位点的计算位点与已经确定的第3个定位点位置计算得到第一行进角度；在本实施例中，即第一行进角度为第4个定位点与y轴正方向的偏移角度和第三个定位点与y轴正方向的偏移角度的差值。在一些实施方式中，也可以为第四个定位点和第三个定位点连线与y轴正方向的偏移角度。

s52,第3个定位点与第2个定位点计算得到第二行进角度，以及，第2个定位点与第1个定位点计算得到第三行进角度；

与第一行进角度的计算类似，得到第二行进角度和第三行进角度。

s53,第一行进角度与第二行进角度以及第三行进角度进行比较，并根据比较结果以及预设步伐，确定第4个点的实际定位点。具体包括，

如果第一、第二、第三行进角度均一致，且第4个点经过计算得到的初步定位点的行进距离与预设步伐比较，若行进距离小于预设步伐，则确定待定位设备按照行进距离行进；若行进距离大于预设步伐，按照预设步伐行进；

如果第一、第二、第三行进角度不一致，则判断第一行进角度与第二行进角度是否一致。

具体包括，若第一行进角度与第二行进角度一致，且判断为最优点，则按照第一预设步伐行进；否则等待下一次计算；若不一致，且判断为最优点，则按照第二预设步伐行进；如果没有最优的话，则需等待下一次计算。

本实施例中，第一预设步伐即为预设步伐，第二预设步伐小于第一预设步伐。作为优选实施方案，第二预设步伐为第一预设步伐的一半。

等待下一次计算，本次计算后则不进行位置移动。

在一些实施方式中，还包括步骤s6、对输出定位点进行滤波。

本实施例中，滤波采用卡尔曼滤波，使定位点更加平滑。

在一些实施方式中，对于信标位置采用墨卡托图标注，相对于传统的经纬度标注，更加精准。

如图4所示，本发明提出的一种基于蓝牙信号定位装置，运行上述蓝牙信号定位方法，用于定位便携式定位终端位置，包括模型建立模块，用于基于信标位置以及距离信标的距离分段计算得到信标信号分段的衰减模型；信标信号采集处理模块，用于获取待定位设备接收的各个信标的信标信号强度，并过滤小于第一预设阈值的信号强度的信标信号；定位模块，用于基于第二预设阈值和过滤后的信标信号确定最优点，并基于最优点以及待定位设备的行进角度，计算和确定待定位设备的定位点。

如图5所示，本发明提出的一种蓝牙信号定位系统，其中，系统至少包括一个用于发射蓝牙信号的若干信标、便携式定位终端，基站和服务器。其中，便携式定位终端用于与信标进行蓝牙通讯；基站用于接收便携式定位终端的信号；服务器接收基站信号，并运行上述用于定位便携式定位终端位置的定位方法，以及，便携式定位终端实时位置展示。

经过现场测试，定位效果较好，而且经过最优点与行进距离的控制，使得即使信号波动较大，定位误差小，可以达到良好的实际使用效果。通过一个信标，就可以实现精准定位，降低了成本。

下面通过图3、图4和图5中所示的实际操作实例对上述实施例中示出的蓝牙信号的定位方法、定位装置和定位系统进行进一步说明，以便本领域技术人员能够更好地理解本发明的技术方案。

s1、使用测试设备对各个信标2发出的蓝牙信号强度进行分段测试，经过对测试结果采用最小二乘法拟合得到信号分段的衰减模型；

s2、如图3所示，在本实施例中，待定位设备为便携式定位终端，又称胸卡1：佩戴在身上，接收信标2发出的蓝牙信号。信标2根据需求分布设置在待检测位置区域，胸卡进入待检测位置区域检测到了蓝牙信号，则自动开始进行定位。如图3所示，工作人员佩戴胸卡1，胸卡1将接收到信标2的信标信号强度信息发送给基站，基站发送给服务器。其中图3所示的蓝牙信标功耗低，无需电源供电，胸卡中内置定位芯片、通讯模块及电池，实现与信标的通讯。

s3、服务器基于第一预设阈值过滤掉低于第一预设阈值的信标信号强度，并基于过滤后的信标信号强度最强的点和第二预设阈值确定信标信号强度最强的点是不是最优点。。

由于蓝牙信号随着距离呈现衰减的特点，所以信标信号强度弱的信号与实际定位的距离偏差较大，被过滤。

s4、离信标非常近的时候蓝牙信号的衰减是可信的，如果信号强度大于设置的阈值，则认为是最优点。如果不是最优点的话，将过滤后的每个信号强度均带入分段衰减模型中计算出距离每个信标的距离，然后按照质心加权求出位置。

s5、对前三次定位直接算出定位结果。

后面任意一点的定位均根据其前面3个点的行进角度进行判断，例如第8个点是根据第7个点、第6个点和第5个点的偏移角度进行判断。根据已经预设的行进步伐，和行进角度的一致性判断行进距离。如果不符合判断的条件，则本次计算停止，不进行定位点的确定，等待下次重新计算定位。

s6、服务器对输出的定位点进行卡尔曼滤波，使定位点更加平滑，并在图4中所示的地图实时位置展示应用中显示。根据得到的定位点信息，可以方便在工厂自动化系统中，实现工厂作业地点、作业时间的监控。

如图6所示，本发明的一种多信号融合定位方法实施例的流程图，包括以下步骤，便携式定位终端基于接收的多种定位信号，以及基于多种定位信号的优先级，选择对应的定位方式和定位信号上报定位引擎，其中，多种定位信号至少包括uwb信号、蓝牙信号、5g基站信号以及gps定位信号。具体的，若便携式定位终端获取的gps信号优先级最高，则采用gps定位方式，将gps数据上报定位引擎；

若便携式定位终端获取的5g基站信号优先级最高，则采用5g基站信号定位方式，将5g基站信号上报定位引擎；

若便携式定位终端获取的uwb信号优先级最高，则采用uwb定位方式，将uwb信号上报定位引擎；

若便携式定位终端获取的蓝牙信号优先级最高，则采用蓝牙定位方式，将信标rssi信号上报定位引擎，并基于信号强度和信标坐标信息，计算得到待定位设备位置。其中，优先级为，uwb信号＞蓝牙信号＞5g基站信号＞gps信号。

采用多种定位方式融合可以解决单一定位方式在多种场景应用中，部署复杂度高，工期长，成本高的问题。

在一些实施方式中，有些区域是不需要高精度定位的方案，精度越高成本越高，因此对于定位精度不高的区域可以采用gps定位方式，而对于精度要求高的区域可以采用uwb、蓝牙等定位方式，这样有效降低了企业成本，以及实施安装周期。

gps定位方法适合室外定位，在有遮挡的室内无法正常使用，因而室内定位方案一般采用uwb和蓝牙实现。室外采用gps方案可以降低实施复杂度，也可以为企业降低成本。5g基站定位作为一种新的方案，依托于现有设备，现场实施更加便捷，即根据已有安装的5g基站，即可实现5g基站定位。

本发明一种多信号融合定位系统的，包括至少一个用于发射蓝牙信号的信标，若干uwb定位标签；便携式定位终端，所述便携式定位终端至少包括uwb定位模块、蓝牙模块、gps模块，5g通讯模块，用于基于接收的uwb信号、蓝牙信号、5g基站信号以及gps定位信号的信号优先级，选择定位优先级最高的定位方式和定位信号上报定位引擎；定位引擎，用于接收并解析便携式定位终端发送的定位信号，若定位引擎接收蓝牙信号定位方式以及蓝牙信号，则定位引擎运行上述蓝牙信号定位方法，用于定位便携式定位终端。

以上仅描述了本发明的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。