[發(fā)明專利]一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和接收信號強度的室內(nèi)可見光定位方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 201810430125.6 | 申請日: | 2018-05-08 |
| 公開(公告)號: | CN108732537B | 公開(公告)日: | 2022-04-05 |
| 發(fā)明(設(shè)計)人: | 馮立輝;崔佳賀;楊愛英;郭芃;呂慧超;盧繼華 | 申請(專利權(quán))人: | 北京理工大學 |
| 主分類號: | G01S5/16 | 分類號: | G01S5/16 |
| 代理公司: | 北京正陽理工知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639 | 代理人: | 鮑文娟 |
| 地址: | 100081 *** | 國省代碼: | 北京;11 |
| 權(quán)利要求書: | 查看更多 | 說明書: | 查看更多 |
| 摘要: | |||
| 搜索關(guān)鍵詞: | 一種 基于 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 接收 信號 強度 室內(nèi) 可見光 定位 方法 | ||
1.一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和接收信號強度的室內(nèi)可見光定位方法,其特征在于:核心思想是采用定位區(qū)域?qū)蔷€上格點作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練集,并采用動量BP算法和學習率可變的BP算法相結(jié)合的學習算法對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練:具體通過為多個LED分配不同調(diào)制頻率,在定位區(qū)域?qū)蔷€格點處利用光探測器接收LED發(fā)送的信號,并對所述信號進行離散傅里葉變換(DFT)獲取每個LED的接收信號強度;再利用所述接收信號強度及光探測器位置坐標對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練;其中,學習算法采用動量BP算法和學習率可變的BP算法相結(jié)合;最后將任意待測格點上每個LED的接收信號強度輸入訓(xùn)練完成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),即可得到光探測器的位置坐標;
基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和接收信號強度的高精度室內(nèi)可見光定位方法,包括以下步驟:
步驟一、發(fā)送端處理器驅(qū)動多個LED,并為每個LED進行頻率分配,使其發(fā)射所分配頻率的周期信號;
其中,LED的數(shù)量為N個,N不小于3,優(yōu)選的LED布設(shè)位置為在頂棚上;
LED的布設(shè)密度由頂棚距離定位區(qū)域的高度以及光探測器的接收角決定,具體為:確保光探測器在定位區(qū)域任意位置均可接收相同數(shù)目為N的LED信號;
其中,所述為每個LED進行頻率分配需滿足的條件為:人眼看不到閃爍以及不同頻率之間不成倍數(shù)關(guān)系;
其中,周期信號既可以是正弦波周期信號,也可以是方波周期信號,定位系統(tǒng)無需記錄每個分配頻率所對應(yīng)的LED位置信息;
其中,人眼看不到閃爍是指所分配的頻率均應(yīng)大于50赫茲;
步驟二、在定位區(qū)域內(nèi)設(shè)置均勻分布的格點,并在定位區(qū)域?qū)蔷€上格點處利用光探測器接收LED發(fā)送的信號,導(dǎo)入采樣設(shè)備以獲取LED的信號強度信息,并進行緩存;
其中,定位區(qū)域內(nèi)設(shè)置的均勻分布的格點,簡稱為定位區(qū)域格點;
其中,所述定位區(qū)域格點的間距d由所需定位模式?jīng)Q定;
其中,定位模式包括粗略定位模式和精細定位模式;
粗略定位模式的間距大于精細定位模式的間距;
其中,定位區(qū)域?qū)蔷€上格點數(shù)目記為L;
所述光探測器是光電二極管和雪崩光電二極管中的一種;所述采樣設(shè)備可以是示波器,也可以是數(shù)據(jù)采集卡;所述采樣設(shè)備獲取的LED信號強度信息是時域上N個LED的混合信號強度;
步驟三、采樣設(shè)備將緩存數(shù)據(jù)傳輸至接收端處理器;
步驟四、接收端處理器對步驟二中得到的LED信號強度信息進行離散傅里葉變換得到接收信號的頻譜信息,并取每個LED頻率附近的頻譜峰值作為其接收信號強度,記錄該值;
其中,離散傅里葉變換,即Discrete Fourier Transformation,縮寫為DFT;
步驟五、重復(fù)步驟二至步驟四M次,獲取M組包含定位區(qū)域?qū)蔷€上格點LED接收信號強度的數(shù)據(jù),并與各格點所對應(yīng)的實際x、y坐標值構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練數(shù)據(jù);
其中,獲取的M組格點LED接收信號強度的數(shù)據(jù),即RSS數(shù)據(jù);各格點所對應(yīng)的實際x、y坐標值,即為實際坐標值數(shù)據(jù),且RSS數(shù)據(jù)和實際坐標值數(shù)據(jù)均為M組;
步驟六、接收端處理器進行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始化,具體步驟如下:
步驟6.1、獲取步驟五輸出的RSS數(shù)據(jù)和實際坐標值數(shù)據(jù);
步驟6.2、設(shè)置訓(xùn)練樣本數(shù)、輸入層節(jié)點數(shù)、隱含層節(jié)點數(shù)、輸出層節(jié)點數(shù)、初始權(quán)值、初始閾值、誤差容限、學習率、動量因子以及迭代次數(shù)最大值;初始化迭代次數(shù)為1;
其中,訓(xùn)練樣本數(shù)記為nTrainNum、輸入層節(jié)點數(shù)記為net.nIn、隱含層節(jié)點數(shù)記為net.nHidden、輸出層節(jié)點數(shù)記為net.nOut、初始權(quán)值記為w、初始閾值記為b、誤差容限記為eb、學習率記為eta、動量因子記為mc、迭代次數(shù)記為i、迭代次數(shù)最大值記為maxiter;
其中,訓(xùn)練樣本數(shù)nTrainNum為M*L,輸入層節(jié)點數(shù)net.nIn為N,輸出層節(jié)點數(shù)net.nOut為2;
步驟6.3、將RSS數(shù)據(jù)和實際坐標值數(shù)據(jù)進行歸一化,并將歸一化的RSS數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層數(shù)據(jù);
其中,RSS數(shù)據(jù)為net.nIn+1行nTrainNum列的矩陣,實際坐標值數(shù)據(jù)為net.nOut行nTrainNum列的矩陣;
其中,RSS數(shù)據(jù)的第net.nIn+1行數(shù)據(jù)為一個恒為1的輸入數(shù)據(jù)行,用于將某閾值合并到權(quán)值中;
其中,將RSS數(shù)據(jù)和實際坐標值數(shù)據(jù)進行歸一化,具體為:將每行數(shù)據(jù)除以該行數(shù)據(jù)的標準差;
其中,歸一化的RSS數(shù)據(jù)為net.nIn+1行nTrainNum列的矩陣;
其中,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、隱含層和輸出層;
步驟七、采用動量BP算法和學習率可變的BP算法相結(jié)合的學習算法對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練,輸出訓(xùn)練完成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);具體包括如下步驟:
步驟7.1、經(jīng)步驟6.3輸出的歸一化的RSS數(shù)據(jù)沿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行第i次正向傳播,并與各層之間的權(quán)值因子相乘,M組輸出坐標值;
其中,各層之間的權(quán)值因子指的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層和隱含層之間的權(quán)值因子net.w1,以及隱含層和輸出層之間的權(quán)值因子net.w2;
其中,輸入層和隱含層之間的權(quán)值因子為net.nHidden行net.nIn+1列的矩陣,輸出層的輸入為net.nHidden+1行nTrainNum列的矩陣,隱含層和輸出層之間的權(quán)值因子為net.nOut行net.nHidden+1列的矩陣;
步驟7.2、對步驟7.1輸出的M組輸出坐標值與步驟五獲取的M組實際坐標值數(shù)據(jù)中的對應(yīng)數(shù)據(jù)相減且求平方和得到誤差值,得到的誤差值再沿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行反向傳播,進行第i次權(quán)值修正;
步驟7.3、判斷i值是否是1,并根據(jù)i值判斷結(jié)果決定對第i次權(quán)值修正采用最速下降BP算法還是動量BP算法和學習率可變的BP算法相結(jié)合的學習算法對權(quán)值因子進行修正,具體為:若i值是1,則采用最速下降BP算法對權(quán)值因子進行修正;否則,采用動量BP算法和學習率可變的BP算法相結(jié)合的學習算法對權(quán)值因子進行修正;
步驟7.4、判斷第i次迭代的誤差值是否小于等于誤差容限,若小于等于誤差容限,則輸出訓(xùn)練完成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),跳至步驟八;若否,則第i次迭代的誤差值大于誤差容限,則進一步判斷迭代次數(shù)是否大于等于迭代次數(shù)最大值,若是,則神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成;若否,則令i=i+1,即迭代次數(shù)加1,跳至步驟7.1;
步驟八、在定位區(qū)域任意待測格點處利用光探測器接收LED發(fā)送的信號,導(dǎo)入采樣設(shè)備獲取時域上N個LED的混合信號強度再傳輸至接收端處理器;
步驟九、接收端處理器對得到的N個LED的混合信號強度進行離散傅里葉變換,得到每個LED的接收信號強度信息;
步驟十、將步驟九每個LED的接收信號強度信息輸入步驟七訓(xùn)練完成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行測試,測試的輸出值即為光探測器的位置坐標。
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