一種基於混合WIFI與航跡推算的室內定位方法與流程

2023-10-27 17:59:12

本發明屬於室內定位領域，短距離通信與慣性導航領域。

背景技術：

隨著智慧城市概念的推廣與相關技術的飛速發展，人們越來越意識到位置信息的重要性，它是移動網際網路、物聯網時代最重要的基本應用元素。對於位置信息的需求，促進了定位技術，特別是室內定位領域的快速發展。室內定位技術發展至今，常見的主流技術有：Wi-Fi、藍牙、紅外線、超寬帶(UWB，Ultra Wide Band)、射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)、ZigBee、超聲波、慣導等等。

基於WIFI技術的室內定位是目前應用場景最廣的一種方式，如大型的商場、超市、大型集會、機場等等，系統往往通過用戶連接入WIFI的接入點(AP，access point)，根據WIFI接入點的位置坐標和用戶的WIFI信號強度進行定位。基於MEMS(Micro-ElectroMechanical System)的慣性導航系統也獲得了快速發展，並在民用領域得到了廣泛應用，如普通的智慧型手機中，基於各類傳感器(加速度計、陀螺儀等等)的航跡應用、位置應用等。結合WIFI與慣導技術來進行室內定位，既可以發揮WIFI技術覆蓋廣，應用範圍廣的特點，又能發揮慣導技術高精度定位特性與航跡模擬的特點。但是目前真正意義上混合兩種定位技術的方法不多，且在實際應用上還存在應用難度較大的問題。

技術實現要素：

本發明提出了一種混合WIFI與PDR的室內定位方法，該方法通過簡單有效的線性時間窗效用函數將WIFI技術和慣導技術融合在一起，兼顧了WIFI室內定位技術與PDR軌跡的特點，解決了WIFI室內定位波動性大與慣導器件長時間運行後性能會發生彌散的問題，提升了系統的定位精度，具有廣泛的應用場景。

為了實現上述目的，本發明的內容包括以下三個部分：

一、混合WIFI與PDR的室內定位方法總流程

步驟1：對於待測目標，其初始位置坐標默認採用WIFI定位技術來進行定位。本發明中，基於WIFI定位的位置坐標可通過如下方法獲得，包括但不限於：三邊法、TOA測距法、TDOA測距法、指紋匹配算法。本發明中不針對WIFI定位技術和方法進行任何限定。

步驟2：當獲得待測目標的初始位置之後，系統中兩套定位子系統將分別輸出待測目標的位置。基於WIFI定位子系統輸出的待測目標位置坐標，記為基於PDR定位子系統(待測目標的初始位置由步驟1獲得)輸出的待測目標的位置坐標，記為

步驟3：系統採用一個時間窗效用函數，將WIFI定位子系統輸出的坐標以及基於PDR的定位子系統輸出的坐標進行有效的線性加權，加權之後再通過卡爾曼(Kalman)濾波進行處理，最終得到混合WIFI和PDR的全局定位坐標

步驟4：算法結束。

二、時間窗效用函數的取值狀態圖

在本發明中，時間窗效用函數是一個關鍵與核心，它不僅簡單，並且定位性能高效，能夠充分利用WIFI系統與PDR系統的定位性能特點。

數學建模：系統全局定位坐標的表達形式如下表示：

式(1)中，ρ1和ρ2分別是PDR定位子系統和WIFI定位子系統的加權係數，在這個線性加權中滿足：ρ1+ρ2＝1。

初始定位狀態：當系統為待測目標進行初始狀態的定位時，由於PDR系統需要一個參照坐標系才能進行後續的定位，因此，必須通過WIFI定位子系統來判斷初始的位置。對於有ρ1＝0，ρ2＝1，則：

混合定位狀態：在混合定位狀態中，包含如下兩種狀態：

狀態1：在此階段，待測目標的位置剛剛進行過修正，其PDR系統的定位和軌跡精度高，在此狀態中，待測目標的定位坐標應以PDR定位子系統輸出的結果為主，的權值應佔得高，即滿足：ρ1＞ρ2：假定狀態1能夠持續的時間為T1。

狀態2：在這一階段，由於PDR系統在一段時間之後，傳感器輸出特性開始發散，需要對待測目標的軌跡進行校準，WIFI定位子系統的輸出就相當關鍵，理論上，此狀態中的權值應該佔比較高。但WIFI系統本身的波動性也較大，定位精度有限，因此，在這個時間段內，需要WIFI定位子系統與PDR定位子系統相互配合，ρ1與ρ2的取值差異不能太大，得滿足：ρ1＜ρ2且|ρ1-ρ2|＜δ。假定狀態2能夠持續的時間為T2。

從兩個狀態的意義和作用看，一般情況下，狀態1持續的時間會更長，通常滿足：T1＞T2。

因此，最終的時間窗效用函數的取值表達形式如下：

三、基於PDR的定位方法流程

基於PDR的定位方法的步驟包括：

步驟1：通過加速度計讀取的三軸加速度模值，利用平滑時間窗在一段時間內判定其所述三軸加速度模值的波峰值，波谷值，並通過波峰波谷值的差值門限和間隔時間判定待測目標的步態；

步驟2：在估計出步態的基礎上，在一步的範圍內，通過三軸加速度模值的最大值、最小值，以及系統設定的校準係數，來估計待測目標的步長；

步驟3：對於包含電子羅盤的智能終端，待測目標的航向角可以直接通過電子羅盤讀取出；對於不包含電子羅盤的智能終端，待測目標的航向角通過四元素法獲得。

步驟4：基於待測目標的初始位置，步態估計、步長估計、以及航向角的計算，輸出基於PDR定位子系統的位置坐標

步驟5：算法結束。

本發明的有益效果：

本發明提出的一種混合WIFI與PDR的室內定位方法，兼顧了WIFI室內定位技術與PDR軌跡的特點，解決了WIFI室內定位波動性大與慣導器件長時間運行後性能會發生彌散的問題，提升了系統的定位精度。

附圖說明

圖1是一種混合WIFI與PDR的室內定位方法總流程

圖2a是時間窗效用函數取值狀態圖

圖2b是時間窗效用函數狀態轉移條件

圖3是基於PDR的定位方法流程

圖4是實施例1的示意圖

圖5是實施例2的示意圖

具體實施方式

實施例1：

假定待測目標為普通的智慧型手機，其系統示意圖如圖4所示：

在本實施例中，時間窗效用函數的取值可為：

實施例2：

假定待測目標為其它智能終端，其系統示意圖如圖5所示：

在本實施例中，時間窗效用函數的取值可為：