一种改进的Eddystone?TLM质心室内三边定位算法
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摘 要： 为了解决在室内环境中利用三边定位技术定位精度不高，以及基于质心定位改进三边定位算法后参考点难以确定在待测点外侧的问题，提出一种利用Eddystone?TLM对三边定位算法进行改进。首先利用Eddystone框架的TLM优化质心定位算法;其次通过优化后的质心定位算法解决三边定位算法已知的不足;最终实现定位精度的提高。实验结果表明，该算法改善了室内定位的精准性，可及时准确地获取目标终端的位置数据，有效保证了室内定位与其他领域之间定位数据的互联互通。
关键词： 室内定位; Eddystone?TLM; 三边定位算法; 质心定位; 仿真实验; 误差分析
中图分类号： TN141.2?34; TP301.6 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2020）02?0179?03
An improved indoor trilateral localization algorithm based on Eddystone?TLM centroid
ZHOU Jie， YANG Fan， LI Juntao
Abstract： An improved trilateral localization algorithm based on Eddystone?TLM is proposed to solve the low accuracy of positioning with the trilateral localization technology in the indoor environment and the problem that it is difficult to determine the reference point outside the point to be measured by means of the improved trilateral localization algorithm based on the centroid localization. First， the TLM of the Eddystone frame is used to optimize the centroid localization algorithm， by which the known deficiency of the trilateral localization algorithm is solved to realize the improvement of the localization accuracy. The experimental results show that this algorithm can improve the accuracy of the indoor localization， and obtain the localization data of the target terminal timely and accurately， which effectively ensures the data interconnection between indoor localization and other field localization.
Keywords： indoor localization; Eddystone?TLM; trilateral localization algorithm; centroid localization; simulation experiment; error analysis
0 引 言
定位即是获取目标的位置信息，以实现目标位置的及时追踪以及信息的传输。在定位技术还未成熟阶段，定位主要应用在室外条件下，室内环境并未得以应用，而室内定位是指在非室外环境下获取目标位置，结合无线通信、基站定位等技术实现室内位置的定位，从而实现对室内环境中目标位置的追踪。
随着室内定位技术的不断发展，诸如蓝牙、WiFi、质心定位、三边定位等技术，弥补了在室内环境中卫星无法实现定位的缺陷，解决了卫星无法穿透障碍物，信号衰减等无法实现室内定位的问题。由此相关学者、企业将定位技术的发展方向延伸到室内定位中，实现了在室内环境下对目标位置获取以及信息的推送。而定位的方法也具有多样性，主要有按距离定位的、參考点定位的、特征匹配（由先验的数据支撑当前的定位）等方式。
现阶段，一部分学者利用三边定位技术实现室内环境下目标定位[1]，但其存在定位精度不高的问题;另一部分学者利用质心定位算法优化三边定位[2?4]，改善了精度不高的缺陷，但在参考点选择过程中，却无法保证其处于质心的外侧。这将是决定优化算法能否执行的关键一步，为了确保其定位精度，本文提出利用Eddystone?TLM来确定参考节点的新思路。
1 算法分析
1.1 技术介绍
1.1.1 Eddystone?TLM
Eddystone是一种低功耗蓝牙技术，其采用广播的方式发送特定的ID，接收到该ID的设备将发送反馈信号。在此过程中，由于Eddystone结构段的段尾框架中分为4种不同的框架，每个框架可以生成4种数据包，以4种不同数据包的形式实现Eddystone 4种不同的功能，分别为UID，URL，TLM，EID[5?6]。TLM表示遥测管理，在Eddystone中，TLM主要起到管理的作用，通过这一框架可实现对Beacon设备数据的记录与管理[7]，记录信号强度参数并根据信号强度准确选取定位所需参考节点。 1.1.2 三边定位技术
所谓三边定位技术，是利用三边测量（Trilateration）原理实现，是数学学科上测量位置的一种，即选取三个基站，以基站为圆心，并以基站到待测终端的距离为半径画圆，建立方程即可求解出待测终端的位置，多应用在室内定位中。三边定位算法由两部分组成：测距阶段（测量基站到待测终端距离的确定）与定位阶段（待测点最终位置的确定）。
1.2 三边定位算法的改进
三边定位算法根据测距阶段与定位阶段可测量出待测点的位置。但由于信号在传输过程中存在损耗，影响了测距阶段的数值准确度，难以产生三圆相交的结果，主要原因是在测距阶段存在误差。针对此问题，本文提出一种利用Eddystone?TLM对三边定位算法进行改进。该方法首先利用Eddystone框架的TLM优化质心定位算法，其次通过优化后的质心定位算法解决三边定位算法已知的不足。
所谓的质心定位算法，指的是待测点通过记录的形式判断周围的参考点（基站），并将这些参考点组成多边形来估算自身的位置。质心定位算法原理图如图1所示。
假設待测节点T记录的一组参考节点为P1（X1，Y1），P2（X2，Y2），…，Pn（Xn，Yn），则待测节点T计算公式为：
[X，Y=1ni=1nXi，1ni=1nYi] （1）
虽然质心定位算法思想简单，能够解决一定的问题，但在提高待测点的高精度方面，需要大量的参考节点作为支撑，这也是其最大的弊端。针对待测点外围参考节点的选取问题，前文已介绍Eddystone的TLM框架，Eddystone?TLM可针对信号强度实时管理Beacon设备，并以信号强度的大小对Beacon进行排序。可将Eddystone?TLM引入到质心定位算法中，解决参考节点密度大难以选取的问题。
首先，上文中提到待测点记录外侧的参考节点，并组成多边形来估算自身的位置，这是产生质心定位算法无法提高定位精度的问题根源。现通过Eddystone?TLM来记录参考节点的信号强度，待测点通过信号强度来确定参考节点，确保参考节点位于其外侧，且可保证参考节点至少在3个以上。改进后的质心定位算法示意图如图2所示。可选取的参考节点即为图中组成三角形区域的节点P1，P3，P4。
其次，将改进后质心定位算法应用到三边定位算法中，可提高待测点T的精确度。具体的实现过程如下，将已选取的参考节点（基站）P1，P3，P4的坐标代入到式（2）～式（4）：
[（x0-x1）2-（y0-y1）2=d21] （2）
[（x0-x2）2-（y0-y2）2=d22] （3）
[（x0-x3）2-（y0-y3）2=d23] （4）
计算出三圆两两相交的交点，然后分别将交点代入式（5）中：
[（X-Xi）2+（Y-Yi）2] （5）
分别求出两点中距离圆心B1最近的点[（Xb2b3，Yb2b3）]，两点中距离圆心B2最近的点[（Xb1b3，Yb1b3）]，两点中距离圆心B3最近的点[（Xb1b2，Yb1b2）]。最后通过将[（Xb2b3，Yb2b3）]，[（Xb1b3，Yb1b3）]，[（Xb1b2，Yb1b2）]代入到式（1）中，得到如下结果：
[（x0，y0）=13（Xb2b3+Xb1b3+Xb1b2），13（Yb2b3+Yb1b3+Yb1b2）]
最后可计算出待测点T的准确位置。
1.3 实验结果与分析
本文用Matlab 2012b进行仿真实验，实验在12 m×12 m的区域里，通过对算法进行仿真，分别实现利用或未利用Eddystone?TLM情况下待测点实际位置与估算位置的情况。由图3可发现，在未利用Eddystone?TLM情况下，实际与估算之间存在明显的误差，而在利用Eddystone?TLM的情况下，实际位置与估算位置几乎零误差，如图4所示。
由实验结果可以看出，引入Eddystone?TLM优化质心三边定位算法可有效提升定位的精度。
2 结 论
针对三边定位在室内环境下定位精度不高的问题，本文基于三边定位算法提出改进版的三边定位算法，即由Eddystone四种框架中的Eddystone?TLM优化质心定位算法，并将优化后的算法引入到三边定位算法中，实现定位精确度的提高。最终改善室内定位的精准性，及时准确地获取目标终端的位置数据，也有效保证了室内定位与其他领域之间定位数据的互联互通。这对改善室内环境下难以获取用户行为数据方面具有重要的意义。
参考文献
[1] 蓝威涛，张卫强，罗健宇.一种自适应智能三边定位算法的设计与实现[J].传感技术学报，2017，30（7）：1089?1094.
[2] 蓝茂俊，陈正铭，戴经国，等.基于质心的改良WiFi三边定位算法设计与分析[J].软件工程，2016，19（11）：1?3.
[3] 王艳丽.基于蓝牙信标和指纹库匹配的室内定位算法研究[D].重庆：重庆理工大学，2017.
[4] 陆霞.WiFi定位技术：基于质心定位的三边定位算法的研究[J].电脑知识与技术，2013（25）：5765?5767.
[5] STIAN Sandve. Indoor positioning system using BLE beacons [D]. Stavanger： University of Stavanger， 2016.
[6] PR Newswire. Swirl announces support for Eddystone??EID beacon format from Google [N]. PR Newswire， 2016?04?14 （10）.
[7] AKINSIKU A， JADAV D. BeaSmart： A beacon enabled smarter workplace [C]// IFIP Network Operations and Management Symposium. Istanbul： IEEE， 2016： 1269?1272.
[8] PROF S P B， NEELAY R W， YASH R S， et al. Indoor navigation system with augmented reality using Eddystone beacons [J]. International education & research journal， 2017， 12（3）： 10?12.
[9] KATEVAS K， HADDADI H， TOKARCHUK L. SensingKit： evaluating the sensor power consumption in iOS devices [C]// 2016 12th International Conference on Intelligent Environments. London： IEEE， 2016： 222?225.
[10] NICK J， TIM Z. Best practices to select an IoT beacon implementation： google Eddystone versus apple iBeacon [EB/OL]. [2016?08?05]. https：//www.gartner.com/en/documents/3402517.
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