1.一种高精度的室内定位追踪方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1,利用三边定位法,设计超宽带UWB定位系统,估计目标物的位置坐标步骤2,利用惯导IMU设备,设计惯导IMU定位方法,估计目标物的位置坐标步骤3,基于 和 利用深度置信网络DBN设计HUID联合定位系统;
步骤1包括:
步骤1.1:基于超宽带UWB设备,利用三边定位法完成对目标物的位置估计:设定第i个基站的坐标为 表示基站数目的集合,Nb为基站的总数目,未知位置的标签坐标为 表示测量点的集合,N为测量点的总数目;
设定标签在第n个测量点与第i个基站的估计欧式距离为 则估计的目标物的位置坐标 为:步骤1.2:利用随机森林分类器完成对非视距NLoS环境的分类识别:定义训练集 其中Φi,n和zi,n∈{‑1,1}分别表示目标物在第n个测量点接收到第i个基站的信号特征和标签,zi,n=1表示视距LoS环境,zi,n=‑1表示非视距NLoS环境;
将随机森林分类器中决策树的节点分裂前的基尼系数 定义为:其中,Pr(zi,n=‑1)表示训练集中非视距NLoS出现的概率;基于特征ξ∈Φi,n,设定将训练集 分裂为 和 两个子集,两个子集分别含有L1和L2组数据,节点分裂后的基尼系数为:则基尼系数增益GIG表示为:根据基尼系数增益,得到每个节点的分裂准则,基于分裂准则构建决策树模型,进而构建随机森林,对视距LoS和非视距NLoS环境进行识别;
步骤1.3:利用随机森林回归器完成对超宽带UWB测距误差修正:定义回归训练集 εi,n表示目标物在第n个测量点与第i个基站的测距误差:
其中,di,n表示目标物在第n个测量点与第i个基站的真实距离;
基于特征ζ∈Φi,n,将 分裂为 和 两个子集,其节点分裂准则用均方误差代替:其中, c1和c2分别表示 的方差和的方差, 表示分裂后的子集 与第i个基站测距误差, 表示分裂后的子集与第i个基站测距误差;在每个节点分裂到不再分裂时,设定 分裂成了G个子集,则经过随机森林回归器的回归误差 为:其中, 表示第u个决策树中第g个子集, 含有S组数据,U表示决策树的数量;修正的超宽带UWB测距值 表示为:根据修正的测距值,公式(1)中估计的欧氏距离重新定义为 在视距LoS环境中,在非视距NLoS环境中, 超宽带UWB定位系统的目标物的位置坐标为:步骤2包括:
定义绕设备坐标系z轴、x轴、y轴的旋转角度为 θ、φ,则旋转矩阵 表示为:则参考坐标系 和设备坐标系 之间的转换关系为:引入四元数法求解,定义归一化的四元数q为:T
q=[q0,q1,q2,q3] (12)其中,q0,q1,q2,q3表示四元数中的四个归一化分量;则第n‑1点的四元数qn‑1更新为第n点的四元数qn的更新方程为:其中,Ωn‑1表示第n‑1点的更新矩阵:Δt表示采样间隔, 分别表示在设备坐标系下第n‑1个点的绕x轴、y轴、z轴的旋转角度;
旋转矩阵 重新定义为:
在第n点获得惯导IMU定位方法估计的目标物位置坐标 表达式为:其中,
和 分别定义为第n‑1个点的速度和加速度2
的值,g=9.81m/s表示重力加速度;
步骤3包括:所述HUID联合定位系统估计的位置坐标 表示为:其中, 和 分别表示超宽带UWB的系数和惯导IMU的系数,并将αn和βn作为指纹信息用于深度置信网络DBN训练;
步骤3中,采用如下方法进行深度置信网络DBN训练:根据目标物的真实位置un和估计位置 得到:定义 和 分别为第k个受限玻尔兹曼机RBM的可见层神经元和隐藏层神经元,Mk和Nk分别表示可见层神经元的数量和隐藏层神经元的数量,下标k∈{1,2,3},设定N1>N2>N3;定义 和 表示第k个(k) (k) k k k
受限玻尔兹曼机RBM的可见层v 的偏差和隐藏层h 的偏差,定义W()表示v()和h()之间的连接权值:(k) (k)
第k个受限玻尔兹曼机RBM的能量E(v ,h )表示为:(k) (k) (k) T (k) (k) T (k) (k) (k) T (k)E(v ,h )=‑(a ) v ‑(h ) W v ‑(b ) h (22)(k) (k)
联合概率分布Pr(v ,h )为:其中,中间参数
(k) (k)
得到v 的概率分布Pr(v )为:最小化第k个受限玻尔兹曼机RBM的对数损失函数(k) (k) (k)
以获得最优的参数W ,a 和b ,等价表示为:引入对比散度CD‑1算法求解:其中, 表示可见层的重构向量;
(k)
表示在给定v 时, 被激活的概率,其表达式为:(k)
其中,sigmoid(·)表示受限玻尔兹曼机RBM的激活函数, 表示W 中第i列元素;利用吉布斯采样法,给定阈值k
则得到隐藏层h();
得到条件概率分布函数
利用吉布斯采样法得到重构向量 进而得到:(k
其中, 表示W )中第i行元素;
k k k
最后,参数W(),a()和b()的更新方程表示为:其中,γ表示学习速率;
k k k
基于在预训练阶段中更新的W(),b()和h(),得到条件概率分布函数为:
其中,k=3,2,1, 表示重构的隐藏层,且 利用吉布斯采样,得到重构向量
基于重构数据和原始输入数据的均方误差,利用反馈神经网络更新权重和偏差,定义(k)参数 则第k层的均方误差J (Θ)为:(k‑1)
其中,Ξ 表示第k‑1层元素的数量,然后,利用梯度下降法更新参数Θ:其中,Υ表示学习速率。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,还包括步骤4:基于构建的深度置信网络DBN,利用径向基函数rn估计移动目标物的坐标:其中, 表示目标物在第n个点的受限玻尔兹曼机RBM第三层输出数据, 表示的方差,λ表示方差系数,估计的参数 和 为:最终,将上述估计的参数代入(19)中估计移动目标物的位置