一种基于无人机网关的室外定位方法及装置
技术领域
本发明涉及无线定位技术领域，具体涉及一种基于无人机网关的室外定位方法及装置。
背景技术
随着无线传感器网络尤其是物联网技术在行业中的不断深入，定位技术在农业、交通、仓储等多领域扮演不可或缺的角色。现有定位方式主要包括以下三种方式：一、通过GPS全球定位系统进行定位，其优点是精度高，缺点是能耗高并且需要定位芯片，大范围部署成本高；二、基于蓝牙或WiFi信号的强弱或者信号到达时间差进行定位，其优点是成本低、工作时间长、易部署，缺点是传播范围小，大多应用于室内环境；三、通过LoRa（LongRange Radio，远距离无线电）信号定位，但是现有的基于LoRa的定位方法需要多个固定的且已知精确位置的基站（或网关）来实现较高精度的定位，这为室外无线传感器网络的部署增加了安装和部署成本，另外，对于室外环境，固定位置的LoRa基站随环境变化依然存在定位不准确的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的基于LoRa的定位方法部署成本高且定位不准确。本发明提供一种基于无人机网关的室外定位方法及装置，以降低部署成本，提高定位准确性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于无人机网关的室外定位方法，包括中央控制端执行的如下步骤：
接收无人机群中每一无人机在对当前扫描传感器节点进行扫描时获取的当前节点标识、当前扫描信号强度和当前无人机位置，每一当前扫描传感器节点对应一当前节点标识；
通过第一距离计算公式对每一无人机发送的所述当前扫描信号强度进行计算，获取所有无人机与所述当前扫描传感器节点之间的第一距离；
通过距离换算算法对每一当前无人机位置和对应的所述第一距离进行处理，获取每一所述第一距离对应的距离转换值；
对所有所述距离转换值进行正态分布处理，选取最高置信区间对应的距离值作为观测点与所述当前扫描传感器节点之间的第二距离，所述第二距离即为所述当前扫描传感器节点的位置信息。
进一步地，所述通过第一距离计算公式对每一无人机发送的所述当前扫描信号强度进行计算，获取所有无人机与所述当前扫描传感器节点之间的第一距离，包括：
获取待使用信号衰减系数和预测的基准信号强度，并基于每一无人机发送的所述当前节点标识，获取每一无人机与所述当前节点标识对应的当前传感器节点之间的最小扫描距离和当前扫描信号强度；
调用第一距离计算公式分别对每一无人机对应的最小扫描距离、待使用信号衰减系数、基准信号强度和当前扫描信号强度进行计算，获取所有无人机与所述当前传感器节点之间的第一距离。
进一步地，所述第一距离计算公式具体为：
进一步地，所述基于无人机网关的室外定位方法还包括：
获取预测的基准信号强度，以及各传感器节点标识对应的最大扫描距离和最小扫描距离；
获取当前时刻各无人机扫描对应的传感器节点时，实际测量的实测信号强度；
调用衰减系数计算公式对所述基准信号强度、最大扫描距离、最小扫描距离和实测信号强度进行计算，获取各传感器节点标识对应的待计算信号衰减系数；
基于所述传感器节点标识，计算传感器节点对应的节点个数，并通过所述节点个数对所述待计算信号衰减系数进行平均值计算，获取待使用信号衰减系数。
进一步地，所述衰减系数计算公式具体为：
进一步地，所述通过距离换算算法对每一当前无人机位置和对应的所述第一距离进行处理，获取每一所述第一距离对应的距离转换值，包括：
基于所述当前节点标识的位置坐标、每一当前无人机位置的坐标和所述当前节点标识的第一距离构建方程组；
将方程组进行矩阵形式转换，获取目标像向量，其中，转换后的矩阵为
通过最小二乘法对所述目标向量进行计算，获取每一目标向量对应的距离转换值。
进一步地，所述方程组为
所述最小二乘矩阵A为：
所述目标向量B为：
所述通过最小二乘法对所述目标向量进行计算，获取每一目标向量对应的距离转换值，具体为：
一种基于无人机网关的室外定位装置，包括：
数据接收模块，用于接收无人机群中每一无人机在对当前扫描传感器节点进行扫描时获取的当前节点标识、当前扫描信号强度和当前无人机位置，每一当前扫描传感器节点对应一当前节点标识；
第一距离计算模块，用于通过第一距离计算公式对每一无人机发送的所述当前扫描信号强度进行计算，获取所有无人机与所述当前扫描传感器节点之间的第一距离；
距离换算算法处理模块，用于通过距离换算算法对每一当前无人机位置和对应的所述第一距离进行处理，获取每一所述第一距离对应的距离转换值；
位置信息获取模块，用于对所有所述距离转换值进行正态分布处理，选取最高置信区间对应的距离值作为观测点与所述当前扫描传感器节点之间的第二距离，所述第二距离即为所述当前扫描传感器节点的位置信息。
一种基于无人机网关的室外定位方法，包括无人机群中每一无人机执行的如下步骤：
确定当前扫描传感器节点，并向所述当前传感器节点发送唤醒信号；
获取当前传感器节点基于所述唤醒信号回传的定位请求，所述定位请求携带有节点标识；
基于所述定位请求，按照预先存储的飞行路径，对所述当前扫描传感器节点进行扫描，获取当前扫描信号强度和当前无人机位置坐标；
将当前扫描的传感器节点的节点标识作为当前节点标识，并将所述当前节点标识、当前扫描信号强度和当前无人机位置坐标发送给中央控制端。
一种基于无人机网关的室外定位装置，包括：
唤醒信号发送模块，用于确定当前扫描传感器节点，并向所述当前传感器节点发送唤醒信号；
定位请求获取模块，用于获取当前传感器节点基于所述唤醒信号回传的定位请求，所述定位请求携带有节点标识；
定位请求处理模块，用于基于所述定位请求，按照预先存储的飞行路径，对所述当前扫描传感器节点进行扫描，获取当前扫描信号强度和当前无人机位置坐标；
数据发送模块，用于将当前扫描的传感器节点的节点标识作为当前节点标识，并将所述当前节点标识、当前扫描信号强度和当前无人机位置坐标发送给中央控制端。
本发明提供的一种基于无人机网关的室外定位方法及装置，通过接收无人机群中每一无人机在对当前扫描传感器节点进行扫描时获取的当前节点标识、当前扫描信号强度和当前无人机位置，以将无人机群作为可移动且已知精确位置坐标的网关，通过多个无人机同时对不同区域进行多次不同路径的定位扫描，相当于快速灵活的部署多个可自定义位置的LoRa定位基站，降低部署成本；然后通过第一距离计算公式对每一无人机发送的当前扫描信号强度进行计算，获取所有无人机与当前扫描传感器节点之间的第一距离；通过距离换算算法对每一当前无人机位置和对应的第一距离进行处理，获取每一第一距离对应的距离转换值；对所有距离转换值进行正态分布处理，选取最高置信区间对应的距离值作为观测点与当前扫描传感器节点之间的第二距离，第二距离即为当前扫描传感器节点的位置信息，提高定位准确性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种基于无人机网关的室外定位方法的流程图。
图2为图1中步骤S12的一具体流程图。
图3为图2中步骤S121的一具体流程图。
图4为图1中步骤S13的一具体流程图。
图5为本发明一种基于无人机网关的室外定位装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本发明提供一种基于无人机网关的室外定位方法，该方法可应用于不同计算机设备中，该计算机设备包括但不限于各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机和平板电脑。
如图1所示，本发明提供一种基于无人机网关的室外定位方法，包括如下步骤：
S11：接收无人机群中每一无人机在对当前扫描传感器节点进行扫描时获取的当前节点标识、当前扫描信号强度和当前无人机位置，每一当前扫描传感器节点对应一当前节点标识。
其中，当前扫描传感器节点指无人机群中每一无人机正在扫描的布置在节点上的传感器。当前节点标识指当前扫描传感器节点的标识，每一当前扫描传感器节点对应一当前节点标识。当前扫描信号强度指每一无人机在对当前扫描传感器节点进行扫描时获取的RSSI（Received Signal Strength Indication，接收的信号强度指示）。当前无人机位置指扫描当前扫描传感器节点的每一个无人机的位置，可通过安装在无人机上的定位系统（GPS）获取。
S12：通过第一距离计算公式对每一无人机发送的当前扫描信号强度进行计算，获取所有无人机与当前扫描传感器节点之间的第一距离。
其中，第一距离计算公式指用于计算无人机与当前扫描传感器节点之间的距离的公式。第一距离指无人机与当前扫描传感器节点之间的距离。
S13：通过距离换算算法对每一当前无人机位置和对应的第一距离进行处理，获取每一第一距离对应的距离转换值。
其中，距离换算算法指将第一距离换算为观测点与当前扫描传感器节点之间的距离的一种算法。距离转换值指将第一距离通过距离换算算法转换后得到的距离值。
S14：对所有距离转换值进行正态分布处理，选取最高置信区间对应的距离值作为观测点与当前扫描传感器节点之间的第二距离，第二距离即为当前扫描传感器节点的位置信息。
其中，第二距离指观测点与当前扫描传感器节点之间的距离，即当前扫描传感器节点相对于观测点的位置信息。
具体地，在获取所有无人机对当前扫描传感器节点进行扫描时，二者之间的第一距离后，通过距离换算算法对每一个第一距离进行换算，获取每一个第一距离对应的距离转换值，并对所有距离转换值进行正态分布处理，选取最高置信区间对应的距离值作为观测点与当前扫描传感器节点之间的第二距离，以提高定位精度。
进一步地，如图2所示，步骤S12，通过第一距离计算公式对每一无人机发送的当前扫描信号强度进行计算，获取所有无人机与当前扫描传感器节点之间的第一距离，具体包括如下步骤：
S121：获取待使用信号衰减系数和预测的基准信号强度，并基于每一无人机发送的当前节点标识，获取每一无人机与当前节点标识对应的当前传感器节点之间的最小扫描距离和当前扫描信号强度。
其中，待使用信号衰减系数指用于计算第一距离时的信号衰减系数。预测的基准信号强度指在无干扰情况下测得的信号强度。最小扫描距离指扫描当前传感器节点的无人机与当前传感器节点之间最小的距离。
具体地，为了提高对扫描传感器节点定位的准确性，本实施例中对每个需要扫描的传感器节点设置了多个无人机进行扫描，每个无人机按照预先存储好的飞行路径在多个位置对同一个传感器节点进行扫描，因此，一个无人机在对一个当前传感器节点进行扫描时有不同的距离。
S122：调用第一距离计算公式分别对每一无人机对应的最小扫描距离、待使用信号衰减系数、基准信号强度和当前扫描信号强度进行计算，获取所有无人机与当前传感器节点之间的第一距离。
进一步地，第一距离计算公式具体为：
进一步地，如图3所示，由于信号衰减系数是指整个传感器节点组成的系统对应的信号衰减系数，因此，本实施例中的待使用信号衰减系数是指按照预先布置好的节点设置完所有传感器后，所有传感器节点的信号衰减系数的平均值。基于无人机网关的室外定位方法还包括：
S1211：获取预测的基准信号强度，以及各传感器节点标识对应的最大扫描距离和最小扫描距离。
其中，最大扫描距离指扫描当前传感器节点的无人机与当前传感器节点之间最大的距离。
S1212：获取当前时刻各无人机扫描对应的传感器节点时，实际测量的实测信号强度。
具体地，实测信号强度指每一无人机扫描对应的传感器节点获取的RSSI。
S1213：调用衰减系数计算公式对基准信号强度、最大扫描距离、最小扫描距离和实测信号强度进行计算，获取各传感器节点标识对应的待计算信号衰减系数。
进一步地，衰减系数计算公式具体为：
S1214：基于传感器节点标识，计算传感器节点对应的节点个数，并通过节点个数对待计算信号衰减系数进行平均值计算，获取待使用信号衰减系数。
可以理解地，一个传感器节点标识表示一个传感器节点，即可以根据传感器节点标识的个数确定布置传感器的节点的个数。
进一步地，如图4所示，步骤S13，通过距离换算算法对每一当前无人机位置和对应的第一距离进行处理，获取每一第一距离对应的距离转换值，包括：
S131：基于当前节点标识的位置坐标、每一当前无人机位置的坐标和当前节点标识的第一距离构建方程组。
进一步地，方程组为
S132：将方程组进行矩阵形式转换，获取目标像向量，其中，转换后的矩阵为
进一步地，最小二乘矩阵A为：
目标向量B为：
S133：通过最小二乘法对目标向量进行计算，获取每一目标向量对应的距离转换值。
进一步地，通过最小二乘法对目标向量进行计算，获取每一目标向量对应的距离转换值，具体为：
如图1所示，本发明提供一种基于无人机网关的室外定位方法，还包括无人机群中每一无人机执行的如下步骤：
S21：确定当前扫描传感器节点，并向当前传感器节点发送唤醒信号。
其中，唤醒信号指无人机用于唤醒布置在节点上的传感器的信号。
S22：获取当前传感器节点基于唤醒信号回传的定位请求，定位请求携带有传感器节点标识。
S23：基于定位请求，按照预先存储的飞行路径，对当前扫描传感器节点进行扫描，获取当前扫描信号强度和当前无人机位置坐标。
具体地，本实施例中的飞行路径指无人机扫描所有传感器节点的飞行路径，中包括一个传感器节点的多个扫描位置和每个传感器节点的位置。
S24：将当前扫描的传感器节点的节点标识作为当前节点标识，并将当前节点标识、当前扫描信号强度和当前无人机位置坐标发送给中央控制端。
本发明提供的一种基于无人机网关的室外定位方法，通过接收无人机群中每一无人机在对当前扫描传感器节点进行扫描时获取的当前节点标识、当前扫描信号强度和当前无人机位置，以将无人机群作为可移动且已知精确位置坐标的网关，通过多个无人机同时对不同区域进行多次不同路径的定位扫描，相当于快速灵活的部署多个可自定义位置的LoRa定位基站，降低部署成本；然后通过第一距离计算公式对每一无人机发送的当前扫描信号强度进行计算，获取所有无人机与当前扫描传感器节点之间的第一距离；通过距离换算算法对每一当前无人机位置和对应的第一距离进行处理，获取每一第一距离对应的距离转换值；对所有距离转换值进行正态分布处理，选取最高置信区间对应的距离值作为观测点与当前扫描传感器节点之间的第二距离，第二距离即为当前扫描传感器节点的位置信息，提高定位准确性。
实施例2
如图5所示，本实施例与实施例1的区别在于，一种基于无人机网关的室外定位装置，该基于无人机网关的室外定位装置具体为中央控制端，具体包括：
数据接收模块11，用于接收无人机群中每一无人机在对当前扫描传感器节点进行扫描时获取的当前节点标识、当前扫描信号强度和当前无人机位置，每一当前扫描传感器节点对应一当前节点标识。
第一距离计算模块12，用于通过第一距离计算公式对每一无人机发送的当前扫描信号强度进行计算，获取所有无人机与当前扫描传感器节点之间的第一距离。
距离换算算法处理模块13，用于通过距离换算算法对每一当前无人机位置和对应的第一距离进行处理，获取每一第一距离对应的距离转换值。
位置信息获取模块14，用于对所有距离转换值进行正态分布处理，选取最高置信区间对应的距离值作为观测点与当前扫描传感器节点之间的第二距离，第二距离即为当前扫描传感器节点的位置信息。
进一步地，第一距离计算模块12包括第一距离计算参数获取单元和第一距离获取单元。
第一距离计算参数获取单元，用于获取待使用信号衰减系数和预测的基准信号强度，并基于每一无人机发送的当前节点标识，获取每一无人机与当前节点标识对应的当前传感器节点之间的最小扫描距离和当前扫描信号强度。
第一距离获取单元，用于调用第一距离计算公式分别对每一无人机对应的最小扫描距离、待使用信号衰减系数、基准信号强度和当前扫描信号强度进行计算，获取所有无人机与当前传感器节点之间的第一距离。
进一步地，第一距离计算公式具体为：
进一步地，基于无人机网关的室外定位方法还包括第一衰减系数参数获取单元、第二衰减系数参数获取单元、待计算信号衰减系数计算单元和待使用信号衰减系数计算单元。
第一衰减系数参数获取单元，用于获取预测的基准信号强度，以及各传感器节点标识对应的最大扫描距离和最小扫描距离。
第二衰减系数参数获取单元，用于获取当前时刻各无人机扫描对应的传感器节点时，实际测量的实测信号强度。
待计算信号衰减系数计算单元，用于调用衰减系数计算公式对基准信号强度、最大扫描距离、最小扫描距离和实测信号强度进行计算，获取各传感器节点标识对应的待计算信号衰减系数。
待使用信号衰减系数计算单元，用于基于传感器节点标识，计算传感器节点对应的节点个数，并通过节点个数对待计算信号衰减系数进行平均值计算，获取待使用信号衰减系数。
进一步地，衰减系数计算公式具体为：
进一步地，距离换算算法处理模块13包括方程组构建单元、方程组转换单元和距离转换值计算单元。
方程组构建单元，用于基于当前节点标识的位置坐标、每一当前无人机位置的坐标和当前节点标识的第一距离构建方程组。
方程组转换单元，用于将方程组进行矩阵形式转换，获取目标像向量，其中，转换后的矩阵为
距离转换值计算单元，用于通过最小二乘法对目标向量进行计算，获取每一目标向量对应的距离转换值。
进一步地，方程组为
最小二乘矩阵A为：
目标向量B为：
进一步地，距离转换值计算单元，具体为：
本实施例与实施例1的区别在于，一种基于无人机网关的室外定位装置，该基于无人机网关的室外定位装置具体为无人机群中每一无人机，具体包括：
唤醒信号发送模块21，用于确定当前扫描传感器节点，并向当前传感器节点发送唤醒信号。
定位请求获取模块22，用于获取当前传感器节点基于唤醒信号回传的定位请求，定位请求携带有节点标识。
定位请求处理模块23，用于基于定位请求，按照预先存储的飞行路径，对当前扫描传感器节点进行扫描，获取当前扫描信号强度和当前无人机位置坐标。
数据发送模块24，用于将当前扫描的传感器节点的节点标识作为当前节点标识，并将当前节点标识、当前扫描信号强度和当前无人机位置坐标发送给中央控制端。
关于基于无人机网关的室外定位装置的具体限定可以参见上文中对于基于无人机网关的室外定位方法的限定，在此不再赘述。上述基于无人机网关的室外定位中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
