基于可重构超材料的室内同步定位与地图构建方法与系统与流程

1.本发明涉及定位及地图构建领域，特别是涉及基于可重构超材料的室内同步定位与地图构建方法与系统。


背景技术：

2.未来6g网络需要提供精准的定位服务，而同步定位与建图技术是提供该服务的一个重要的解决方案。具体来说，同步定位与建图技术使用照相机、激光或天线等传感器来感知周围环境，并估计携带有传感器的移动设备的位置。近些年来，利用天线的无线同步定位与建图技术吸引了人们的注意。不像视觉同步定位与建图技术在黑暗区域无法工作，无线同步定位与建图技术对光照条件不敏感。另外，由于天线的成本比较低，无线同步定位与建图技术的成本也相对而言比较低。
3.无线同步定位与地图构建系统的精度受到周围无线环境的影响依赖于高质量的多径分量信号，而现有的无线同步定位与地图构建系统只能被动接受周围的无线环境。当无线环境较差时，定位和建图的精度就会很差。比如，当环境中的多径分量很少时，接收信号中含有的环境信息就会很有限，影响地图信息的丰富程度。另外，如果多径分量的幅度与噪声相比不是很大，由于受噪声影响，这个多径分量的到达时间和到达角的估计就会有比较大的误差，就会导致的定位和建图精度降低。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供基于可重构超材料的室内同步定位与地图构建方法与系统，可以增强接收信号中多径分量的幅度，从而提升定位和建图精度。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种基于可重构超材料的室内同步定位与地图构建方法，包括：
7.以移动设备的位置在当前设定时间周期的克拉美罗界最小为目标得到当前设定时间周期可重构超材料反射系数；
8.基于所述当前设定时间周期可重构超材料反射系数得到当前设定周期的接收信号；
9.根据当前设定周期的接收信号利用定位与建图算法得到当前周期移动设备的位置、当前设定时间周期所述移动设备的速度和当前设定时间周期的地图。
10.可选的，所述根据当前设定周期的接收信号利用定位与建图算法得到当前周期移动设备的位置、当前设定时间周期所述移动设备的速度和当前设定时间周期的地图，具体包括：
11.根据当前设定时间周期的接收信号得到当前设定时间周期各地标点对应的多径分量；所述地标点包括散射点、散射点经反射成的虚像、可重构超材料和可重构超材料经反射成的虚像；
12.根据上一设定时间周期所有的方案集合、所述当前设定时间周期各地标点对应的
多径分量和上一设定时间周期各设备粒子的权值得到当前设定时间周期各设备粒子的速度、当前设定时间周期各设备粒子的位置、当前设定时间周期各地标点集合中各位置的权值和当前设定时间周期各设备粒子的权值；一个所述方案集合包括一个设备粒子的位置和速度以及与所述设备粒子对应的所有地标点集合，一个地标点集合包括一个地标点的所有位置；
13.根据所述当前设定时间周期各设备粒子的权值、所述当前设定时间周期各设备粒子的位置和所述当前设定时间周期各设备粒子的速度得到当前设定时间周期所述移动设备的位置和当前设定时间周期所述移动设备的速度；
14.根据所述当前设定时间周期各设备粒子的权值和所述当前设定时间周期各地标点集合中各位置的权值构建当前设定时间周期的地图。
15.可选的，所述根据当前设定时间周期的接收信号得到当前设定时间周期各地标点对应的多径分量，具体包括：
16.根据所述当前设定时间周期的接收信号得到所述当前设定时间周期的接收信号中的所有多径分量；
17.将所述当前设定时间周期的接收信号中的所有多径分量分别输入神经网络得到发射器对应的多径分量和发射器经反射的虚像对应的多径分量；
18.根据所述接收信号计算各多径分量的到达角，根据各多径分量的到达角得到环境中的散射点对应的多径分量、散射点经反射成的虚像对应的多径分量、可重构超材料对应的多径分量和可重构超材料经反射成的虚像对应的多径分量。
19.可选的，所述根据上一设定时间周期所有的方案集合、所述当前设定时间周期各地标点对应的多径分量和上一设定时间周期各设备粒子的权值得到当前设定时间周期各设备粒子的速度、当前设定时间周期各设备粒子的位置、当前设定时间周期各地标点集合中各位置的权值和当前设定时间周期各设备粒子的权值，具体包括：
20.根据上一设定时间周期各设备粒子的速度和上一设定时间周期各设备粒子的位置得到当前设定时间周期各设备粒子的速度和当前设定时间周期各设备粒子的位置；
21.根据上一设定时间周期各地标点集合中各位置和当前设定时间周期各地标点对应的多径分量计算当前设定时间周期各地标点集合中各位置的权值；
22.根据上一设定时间周期各设备粒子的权值得到当前设定时间周期各设备粒子的权值。
23.可选的，所述根据所述当前设定时间周期各设备粒子的权值、所述当前设定时间周期各设备粒子的位置和所述当前设定时间周期各设备粒子的速度得到当前设定时间周期所述移动设备的位置和当前设定时间周期所述移动设备的速度，具体包括：
24.计算所述当前设定时间周期各设备粒子的权值和所述当前设定时间周期各设备粒子的位置的加权和得到当前设定时间周期所述移动设备的位置；
25.计算所述当前设定时间周期各设备粒子的权值和所述当前设定时间周期各设备粒子的速度的加权和得到当前设定时间周期所述移动设备的速度。
26.可选的，所述根据所述当前设定时间周期各设备粒子的权值和所述当前设定时间周期各地标点集合中各位置的权值构建当前设定时间周期的地图，具体包括：
27.对于任意一个地标点集合，将当前设定周期所述地标点集合中各位置的权值与目
标设备粒子的乘积确定为所述地标点集合对应的集合乘积，所述目标设备粒子为与所述地标点集合对应的设备粒子；
28.对于任意一个地标点，确定所有目标集合对应的集合乘积之和为当前设定时间周期所述地标点的位置；所述目标集合为与所述地标点对应的所有地标点集合；
29.根据当前设定时间周期各所述地标点的位置构建当前设定时间周期的地图。
30.一种基于可重构超材料的室内同步定位与地图构建系统，包括：
31.移动设备和可重构材料，所述可重构材料设置于待地图构建区域，所述可重构材料用于将所述移动设备发射的信号反射到地标点，并将经所述地标点反射的信号反射到所述移动设备；所述移动设备用于根据接收的经地标点反射的信号进行定位、地图构建和对所述可重构材料进行配置。
32.可选的，所述移动设备包括：
33.配置模块，用于以移动设备的位置在当前设定时间周期的克拉美罗界最小为目标得到当前设定时间周期可重构超材料反射系数；
34.接收信号确定模块，用于基于所述当前设定时间周期可重构超材料反射系数得到当前设定周期的接收信号；
35.定位地图确定模块，用于根据当前设定周期的接收信号利用定位与建图算法得到当前周期移动设备的位置、当前设定时间周期所述移动设备的速度和当前设定时间周期的地图。
36.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过调节可重构超材料的反射系数来增强接收信号中多径分量的幅度，从而提升定位和建图精度。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为本发明实施例提供的基于可重构超材料的室内同步定位与地图构建方法的流程图。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
41.假设移动设备在房间内进行运动，其位置和速度都是可能不断变化的，因此本实施例提供的基于可重构超材料的室内同步定位与地图构建方法将时间线划分成时长为δ秒的周期，在每个周期，移动设备和可重构超材料进行配合完成一次位置和地图更新，具体而
言，每个周期包含四个步骤：优化、通信、测量和更新。优化阶段移动设备会根据之前的信息来优化第k周期超材料的配置ξ
k
和定位建图算法f
k
，从而最大化系统性能。通信阶段是移动设备与超材料控制器进行通信，将k周期优化后的配置ξ
k
发送给控制器，随后控制器会将超材料的配置设为ξ
k
。测量阶段，移动设备会发送信号s(t)。信号会被环境中的障碍物和超材料散射，之后被移动设备的接收天线接收，接收信号表示为y
k
(t)，(利用接收信号来进行定位和建图)。更新阶段是移动设备会根据获得的接收信号y
k
(t)，利用定位建图算法f
k
来更新得到第k周期的移动设备位置移动设备速度和地图
42.第k周期的第一步需要优化当前周期的超材料配置ξ
k
和定位建图算法用f
k
来最大化系统性能，定位建图算法的功能是利用接收信号y
k
(t)、超材料配置ξ
k
、上一周期的移动设备位置移动设备速度和地图等信息来更新得到本周期的移动设备位置移动设备速度和地图优化目标为最小化移动设备的定位误差，可以表示为：其中指在第k周期移动设备的真实位置。但是因为ξ
k
和f
k
相互耦合，所以该问题比较难解，为了有效解决这个问题，提出一个误差最小化算法。这个算法分成两个阶段。第一阶段优化超材料配置ξ
k
，第二阶段优化定位建图算法f
k
。下面分别进行介绍：
43.超材料配置优化阶段：由于第k周期移动设备的真实位置未知，所以难以直接优化定位误差这一目标函数。因此我们利用克拉美罗界来近似定位误差，然后最小化克拉美罗界。这样原问题转化为：
[0044][0045]
其中表示设备位置p
a
在第k周期的克拉美罗界。由于克拉美罗界非凸，因此可以利用非凸算法进行求解，比如交替优化，遗传算法等。
[0046]
定位建图算法优化阶段：在这一阶段，我们根据信号中多径分量的幅度来优化定位建图算法的参数。定位建图算法分为两步：数据关联和位置与地图估计步骤。
[0047]
数据关联这一步，将接收信号中的多径分量与发射器(pt)，发射器经反射成的虚像(vt)，环境中的散射点(ps)，散射点经反射成的虚像(vs)，可重构超材料(ris)以及可重构超材料经反射成的虚像(vris)进行关联。
[0048]
位置与地图估计步骤，利用基于粒子滤波的算法来更新移动设备和地图，该算法的参数会基于上一阶段优化后的配置ξ
k
进行优化调整，基本思想是利用多个不同权值的粒子来表示移动设备和地标点的位置概率分布。每一轮会根据接收到的多径分量的到达角，到达时间(也可以根据y
k
(t)来计算)来对这些粒子的权值进行更新。因为多径分量的幅度越大，到达角和到达时间的估计就越精确，所以会通过优化这些多径分量在粒子权值更新时的权值，来提升算法性能。
[0049]
设一共有n
ap
个设备粒子。每个设备粒子表示移动设备的一个可能的位姿(包括位置和速度)。每个设备粒子下属有多个地标点集合，一个集合对应一个地标点，一个地标点集合中的一个地标点粒子对应这个地标点的一个可能的位置，一个地标点集合包括多个地标点粒子。初始时刻，每个设备粒子的位姿是随机生成的，地标点粒子的位置也是随机生成
的。在每个周期，所有粒子的权值均会更新。
[0050]
本实施例提供的基于可重构超材料的室内同步定位与地图构建方法具体的过程，如图1所示，所述方法包括：
[0051]
步骤101：以移动设备的位置在当前设定时间周期的克拉美罗界最小为目标得到当前设定时间周期可重构超材料反射系数。
[0052]
步骤102：基于所述当前设定时间周期可重构超材料反射系数得到当前设定周期的接收信号。
[0053]
步骤103：根据当前设定周期的接收信号利用定位与建图算法得到当前周期移动设备的位置、当前设定时间周期所述移动设备的速度和当前设定时间周期的地图。
[0054]
在实际应用中，步骤102，具体为，在当前设定周期可重构超材料反射系数下，发射信号然后经过反射会得到当前设定周期的接收信号。
[0055]
步骤103，具体包括：
[0056]
步骤1031：根据当前设定时间周期的接收信号得到当前设定时间周期各地标点对应的多径分量；所述地标点包括散射点、散射点经反射成的虚像、可重构超材料和可重构超材料经反射成的虚像。
[0057]
步骤1032：根据上一设定时间周期所有的方案集合、所述当前设定时间周期各地标点对应的多径分量和上一设定时间周期各设备粒子的权值得到当前设定时间周期各设备粒子的速度、当前设定时间周期各设备粒子的位置、当前设定时间周期各地标点集合中各位置的权值和当前设定时间周期各设备粒子的权值；一个所述方案集合包括一个设备粒子的位置和速度以及与所述设备粒子对应的所有地标点集合，一个地标点集合包括一个地标点的所有位置。
[0058]
步骤1033：根据所述当前设定时间周期各设备粒子的权值、所述当前设定时间周期各设备粒子的位置和所述当前设定时间周期各设备粒子的速度得到当前设定时间周期所述移动设备的位置和当前设定时间周期所述移动设备的速度。
[0059]
步骤1034：根据所述当前设定时间周期各设备粒子的权值和所述当前设定时间周期各地标点集合中各位置的权值构建当前设定时间周期的地图。
[0060]
在实际应用中，在步骤1033之前还包括：
[0061]
归一化和重采样。所有的设备粒子和地标点的权重会被归一化，另外，地标点会被重采样，重采样率与地标点的权重成正比。
[0062]
在实际应用中，步骤1031具体包括：
[0063]
根据所述当前设定时间周期的接收信号得到所述当前设定时间周期的接收信号中的所有多径分量。
[0064]
将所述当前设定时间周期的接收信号中的所有多径分量分别输入神经网络得到发射器对应的多径分量和发射器经反射的虚像对应的多径分量。
[0065]
根据所述接收信号计算各多径分量的到达角，根据各多径分量的到达角得到环境中的散射点对应的多径分量、散射点经反射成的虚像对应的多径分量、可重构超材料对应的多径分量和可重构超材料经反射成的虚像对应的多径分量。
[0066]
在实际应用中，将所述当前设定时间周期的接收信号中的所有多径分量分别输入神经网络得到发射器对应的多径分量和发射器经反射的虚像对应的多径分量具体包括：
[0067]
首先利用一个三层全连接神经网络来找到和pt与vt对应的多径分量，将多径分量输入神经网络就可以得到这个多径分量对应于pt或vt，并将这些多径分量剔除出去，因为pt和vt在不同时刻是随着移动设备位置改变而改变的，不能用来对移动设备进行定位。(因为多径分量与ps,vs,ris,vris的对应关系非常复杂，所以不能用三层全连接神经网络获得)。
[0068]
在实际应用中，根据所述接收信号计算各多径分量的到达角，根据各多径分量的到达角得到环境中的散射点对应的多径分量、散射点经反射成的虚像对应的多径分量、可重构超材料对应的多径分量和可重构超材料经反射成的虚像对应的多径分量，具体包括：
[0069]
按照多径分量的到达角(可以根据当前设定时间周期的接收信号y
k
(t)来计算)，把到达角相近的多径分量归为一组，将这些多径分量分成l组，每一组对应于一个ps，vs，ris或vris。因为vs和vris是ps和ris的虚像，所以我们可以利用传统的几何方法将他们之间关联起来。在这一步中，ris是被当成一个普通的ps进行处理的。(根据到达角将多径分量分成l个组，结合地图信息和这些多径分量的到达角，我们可以知道这些多径分量对应于ps、vs、ris或vris中的哪一个，至于如何区分vs和vris，如何区分ps和ris，则是利用的传统几何方法)最后，我们需要从多个ps中判断出哪一个对应于ris。将ps、vs、ris和vris构成的集合称作地标点集合。
[0070]
在实际应用中，从多个ps中判断出哪一个对应于ris具体包括：设第i个地标点在第k设定时间周期是ris的概率为基于贝叶斯更新，我们可以得到
[0071][0072]
其中，表示第i个地标点在第k
‑
1设定时间周期是ris的概率，α
k
表示所有多径分量的幅度，l
i
表示第i个地标点，p(α
k
|l
i
是ris)表示当第i个地标点是ris时，接收到α
k
的概率。在每一设定时间周期中，最大的地标点会被认为是ris，初始化时，我们设其中，n
s
是ps的个数。
[0073]
在实际应用中，步骤1032具体包括：
[0074]
根据上一设定时间周期各设备粒子的速度和上一设定时间周期各设备粒子的位置得到当前设定时间周期各设备粒子的速度和当前设定时间周期各设备粒子的位置。
[0075]
根据上一设定时间周期各地标点集合中各位置和当前设定时间周期各地标点对应的多径分量计算当前设定时间周期各地标点集合中各位置的权值。
[0076]
根据上一设定时间周期各设备粒子的权值得到当前设定时间周期各设备粒子的权值。
[0077]
在实际应用中，所述根据上一设定时间周期各设备粒子的权值得到当前设定时间周期各设备粒子的权值，具体为：
[0078]
根据公式计算当前设定时间周期设备粒子的权
值，其中，表示第k设定时间周期第i个设备粒子的权值，表示第k
‑
1设定时间周期第i个设备粒子的权值，n
l,i
表示第i个设备粒子对应的地标点集合中地标点的个数，n
ip,i,j
表示第i个设备粒子包含的第j个地标点集合中的粒子个数。
[0079]
在实际应用中，步骤1033具体包括：
[0080]
计算所述当前设定时间周期各设备粒子的权值和所述当前设定时间周期各设备粒子的位置的加权和得到当前设定时间周期所述移动设备的位置。
[0081]
计算所述当前设定时间周期各设备粒子的权值和所述当前设定时间周期各设备粒子的速度的加权和得到当前设定时间周期所述移动设备的速度。
[0082]
在实际应用中，步骤1034具体包括：
[0083]
对于任意一个地标点集合，将当前设定周期所述地标点集合中各位置的权值与目标设备粒子的乘积确定为所述地标点集合对应的集合乘积，所述目标设备粒子为与所述地标点集合对应的设备粒子。
[0084]
对于任意一个地标点，确定所有目标集合对应的集合乘积之和为当前设定时间周期所述地标点的位置；所述目标集合为与所述地标点对应的所有地标点集合。
[0085]
根据当前设定时间周期各所述地标点的位置构建当前设定时间周期的地图(在获得了所有ps,ris,vs,vris的位置之后，可以利用传统的几何方法反推出反射点的位置，从而得到地图)。
[0086]
在实际应用中，所述根据上一设定时间周期各设备粒子的速度和上一设定时间周期各设备粒子的位置得到当前设定时间周期各设备粒子的速度和当前设定时间周期各设备粒子的位置，具体包括：
[0087]
根据所述上一设定时间周期各设备粒子的速度得到当前设定时间周期各设备粒子的速度(先给每个设备粒子的速度加一个微小的变化量η得到该粒子的新的速度)。
[0088]
根据当前设定时间周期各设备粒子的速度和上一设定时间周期各设备粒子的位置得到当前设定时间周期各设备粒子的位置。
[0089]
在实际应用中，所述根据上一设定时间周期各地标点集合中各位置和当前设定时间周期各地标点对应的多径分量计算当前设定时间周期各地标点集合中各位置的权值，具体包括：
[0090]
根据上一设定时间周期各地标点集合中各位置计算当前设定时间周期各多径分量的到达角和当前设定时间周期多径分量的时延。
[0091]
根据当前设定时间周期各地标点对应的多径分量计算当前设定时间周期各地标点对应的多径分量的权值；(设所有多径分量的平均幅度为α
ave
，那么第i个多径分量的权值为ρi＝α
i
/α
ave
。α
i
表示第i个多径分量的幅度，可以根据接收信号求得)。
[0092]
基于当前设定时间周期各地标点对应的多径分量的权值、当前设定时间周期各多径分量的到达角和当前设定时间周期多径分量的时延计算当前设定时间周期各地标点集合中各位置的权值。
[0093]
在实际应用中，所述基于当前设定时间周期各地标点对应的多径分量的权值、当前设定时间周期各多径分量的到达角和当前设定时间周期多径分量的时延计算当前设定时间周期各地标点集合中各位置的权值为：
[0094]
根据公式计算位置的权值，其中，表示第k设定时间周期与第n个多径分量有关的第i个设备粒子中第j个地标点集合中第m个位置的权值，ρ
n
表示第n个多径分量的权值，表示第k
‑
1设定时间周期与第n个多径分量有关的第i个设备粒子中第j个地标点集合中第m个位置的权值，σ
φ
表示的标准差，是表示第k设定时间周期各多径分量的到达角，是根据第i个设备粒子的第j个地标点集合中的第m个地标点粒子的位置计算得到的，φ
k
表示第k设定时间周期实际的多径分量到达角，σ
τ
表示的标准差，表示第k设定时间周期多径分量的时延，是根据第i个设备粒子中第j个地标点集合中的第m个位置计算得到的，τ
k
表示第k设定时间周期实际的多径分量的时延。σ
φ
和σ
τ
是程序内置固定的参数，不会随输入数据的变化而变化。
[0095]
本实施例还提供了一种与上述方法对应的基于可重构超材料的室内同步定位与地图构建系统，所述系统包括：
[0096]
移动设备和可重构材料，所述可重构材料设置于待地图构建区域，所述可重构材料用于将所述移动设备发射的信号反射到地标点，并将经所述地标点反射的信号反射到所述移动设备；所述移动设备用于根据接收的经地标点反射的信号进行定位、地图构建和对所述可重构材料进行配置，可重构超材料是一种平面材料，由许多亚波长大小的反射单元拼接而成，每个反射单元的反射系数可以通过施加不同的偏置电压来调节，因此整个超材料的反射系数(下称配置)是可以编程控制的。移动设备装备有发射和接收天线，可以发射和接收电磁波。移动设备可以通过分析电磁波对周围环境进行建图，并对自身进行定位。
[0097]
作为一种可选的实施方式，移动设备和可重构材料可以通过无线方式连接。
[0098]
作为一种可选的实施方式，基于可重构超材料的室内同步定位与地图构建系统还包括控制器，所述控制器用于根据所述配置对所述可重构材料进行配置。
[0099]
作为一种可选的实施方式，可重构超材料，布置于室内的墙面或天花板上。
[0100]
作为一种可选的实施方式，所述移动设备包括：
[0101]
配置模块，用于以移动设备的位置在当前设定时间周期的克拉美罗界最小为目标得到当前设定时间周期可重构超材料反射系数；
[0102]
接收信号确定模块，用于基于所述当前设定时间周期可重构超材料反射系数得到当前设定周期的接收信号；
[0103]
定位地图确定模块，用于根据当前设定周期的接收信号利用定位与建图算法得到当前周期移动设备的位置、当前设定时间周期所述移动设备的速度和当前设定时间周期的地图。
[0104]
本发明的具体效果为：
[0105]
1、由于可重构超材料可以通过改变自身配置来改变反射率，通过改变自身的反射率来改变无线环境，从而增强接收信号的多径分量的幅度，因此可以用来改变无线环境来克服传统定位与建图算法的局限。
[0106]
2、可重构超材料可以引入多个多径分量，丰富接收信号中蕴含的环境信息，利用
可重构超材料来调控无线信道，改善多径分量的质量，这样多径分量的到达时间和到达角的估计精度就可以提高，从而整个同步定位与建图系统的精度也可以得到提高。
[0107]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0108]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。