Uwb與gps室內外定位切換方法

2023-07-23 21:49:56

專利名稱：Uwb與gps室內外定位切換方法
技術領域：
本發明涉及ー種室內外切換定位方法，涉及地理信息系統(GIS)技術、GPS定位技術、超寬帶(UWB)室內定位技術和語音多媒體技術等室內外定位導航技術領域。
背景技術：
目前，國際上一般採用的局部區域(室內)定位方法包括UWB定位、紅外線定位、射頻識別定位、藍牙定位、Wi-Fi定位、ZigBee定位等。其中，UWB (Ultra Wide Band)即超寬帯，它使用大於0. 5GHz或大於中心頻率20%的帶寬、通過微弱的脈衝信號進行通信，最大數據傳輸速度可以達到幾十Mbit/s 幾百Mbit/s，在保證了高數據速率傳輸的同時解決了移動終端的功耗問題。UWB室內定位需在室內布設主從傳感器定位基站，通過主傳感器與從傳感器的高精度時間同步，配合在自定義坐標系統中已知的傳感器基站坐標，採用AOA和/或TDOA方法解算出標籤位置，其定位精度最高可達15cm。UWB定位在定位精度、耗電量、通信傳輸速率、聯網時間、發射功率以及集成度和可靠性方面有著巨大的優勢，目前已應用於航空航天、物流配送、加工製造等項目中。室外定位主要採用GPS衛星(含A-GPS、DGPS等)定位，該定位方式的移動用戶終端具有體積小、定位範圍廣、定位免費、無需額外硬體設備支持以及相對定位精度高等優點，是目前室外大範圍導遊系統中經常使用的定位方式，代表著室外導遊系統發展的ー個方向。隨著移動網際網路和室內外定位導航技術的發展，集導覽、導購、導航、導娛等功能於一體的新一代室內外移動導遊系統正受到廣泛關注。與傳統導遊系統只有室外位置觸發信息播報、或只有室內按鍵選擇觸發播報方式不同，新一代移動導遊系統能夠實現從室外到室內、再從室內到室外的無縫導遊服務。在實現室內外定位過程中，如何構建自然、及吋、可靠的室內外定位自適應切換方法是需要解決的主要關鍵問題。目前，相關專利很少涉及到上述內容，也不見顧及遊客行為模式的UWB與GPS室內外定位自適應切換方法的相關專利。2010年公開的發明專利「一種無縫定位方法及裝置」(申請號為20101020152. 6)綜合利用RTD定位技術、UffB定位技術和基於MEMS的慣性導航技術進行集成，根據定位信號的強弱選擇合適的定位方式，從而實現室內和室外的定位。但僅通過判斷定位信號源選擇定位的方法在多信號源共存的情況下將存在局限，也沒有充分考慮到各種不同定位方式下的坐標體系統ー問題，這使得該方法的可用性降低。2011年公開的發明專利「根據移動終端的位置改變其桌面應用主題的系統及方法」(申請號為201110177746. 6)通過在移動終端上內置UWB無線定位標籤並定位用戶所處的地理位置，自動切換到符合該位置的應用主題，為用戶提供便捷化、人性化的用戶體驗效果。該方法在UWB室內定位條件下實現移動終端和UWB標籤的間接通信，但未結合室外定位考慮一體化定位及坐標體系轉化、更未考慮室內外定位的自適應切換問題。
發明內容
為了克服現有技術的不足，以實現從室外到室內、再從室內到室外的無縫移動導覽，本發明提供了ー種UWB與GPS室內外定位切換方法，在移動導遊系統的室外GPS定位和室內UWB定位之間切換定位，統ー遊客位置坐標與出入口坐標，根據遊客行為模式執行室外GPS定位和室內UWB定位之間的自適應切換，包括從室外切換到室內、從室內切換到室外兩個步驟；
其中，從室外切換到室內的流程如下
(1)將當前GPS位置坐標記為Pgi，距離當前位置最近的入口門底部中點的坐標位置記為入口點匕，距離當前位置最近的門底部所在線段的緩衝區域記為定位切換區At，Pgi到匕的直線距離為Di，將Dtl標識為從室外到室內切換時的距離判斷閥值，是判定遊客是否正打 算進入到室內的標誌；獲取當前GPS的坐標Pgi，將離當前位置最近的門底部中點的坐標位置記為入ロ點位置P6 ；
(2)計算Pgi與Pe的直線距離Di;
(3)比較Pgi與Pe的直線距離Di與預定閥值Dtl的大小，若DiWtl則返回步驟(2)，否則轉到下ー步；
(4)連續判斷DpDwAp2的值，如果DADiPDp2不成立，則返回步驟(3)，否則判定遊客當前正在距離Dtl內逐步靠近室內定位區域，系統進行下一歩；
(5)繼續判斷當前位置是否在定位切換區At之中，如果不在則返回(4)，否則進行下一
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少;
(6)此時判定遊客已進入室內，系統開啟UWB定位模塊並切換到UWB室內定位模式，同時關閉GPS以節省電源；
(7)室外到室內定位的自動切換完成；
其中，從室內切換到室外的流程如下
(1)將UWB當前位置坐標記為Pui，離當前位置最近門的底部中點的坐標位置記為P0,離當前位置最近的出ロ門的底部所在線段的緩衝區域記為定位切換區At』，Pui到P。的直線距離為Di,將Dtl』標識為從室內到室外切換時的距離判斷閥值，是判定遊客是否正打算離開室內的標誌；獲取當前UWB定位的坐標Pui，將離當前位置最近的門的底部中點的坐標位置記為出口點P。；
(2)計算Pui點到P0的直線距離Di；
(3)比較Pui與P。的直線距離Di與預定閥值Dtl』的大小，若DiW0,則返回步驟(2)，否則轉到下ー步；
(4)如果此時未開啟GPS定位設備，則系統預備開啟GPS定位設備，準備提前接收GPS
衛星信號；
(5)連續判斷DpDwAp2的值，如果DiWiPDp2不成立，則返回步驟(3)，否則判斷遊客當前正在距離Dci'內逐步走出室內定位區域,系統進行下ー步；
(6)繼續判斷當前位置是否在定位切換區At』之中，如果不在則返回(5)，否則進行下一
I K
少;
(7)遊客走出室外，系統自動切換到GPS定位模式，關閉UWB定位；
(8)室內到室外定位的自動切換完成。
上述技術方案中，所述統ー遊客位置坐標與出入口坐標，是指基於WGS84的地理坐標，採用自定義局部坐標系作為移動導遊系統的空間參考，由室外已知點坐標求出室內控制點坐標，具體工作流程如下 (1)初始化手簿設備，連接到CORS系統；
(2)在國家控制點上測量該點的經緯度坐標；
(3)因國家控制點的經緯度坐標已知，用測量值與國控點的已知坐標值進行對比，如果測量精度不滿足規定要求，則轉到(2)，否則轉到下一歩；
(4)將測得的國控點實際坐標採用基於GCS_WGS_1984橢球體，設置自定義投影參數並轉換為投影坐標；
(5)用國測點已知的投影坐標與上述(4)得到的投影坐標相比較，如果測量精度不滿足規定要求，則轉到(2)，否則轉到下一歩；
(6)對滿足精度要求的國控點實測坐標進行聯測，得到室內控制點坐標；
(7)統ー坐標系工作結束。本發明針對現有移動導遊系統或只有室外GPS導覽、或只有室內數字按鍵選擇播報的導遊方式，將室外GPS定位與室內UWB定位有機協調起來，通過建立室內外定位的自適應切換方法，實現了從室外到室內、再從室內到室外的無縫移動導覽。本發明在統ー的坐標系統下，根據遊客所處位置坐標及出入口坐標，通過獲取遊客速度、運動方向等行為模式，並判斷遊客是否進入到播報切換區以便實時切換GPS定位與UWB定位方式，構建起ー種自然、及時、可靠的室內外定位自適應切換方法。


圖I是本發明的方法原理示意圖。圖2是室內外定位自適應切換方法實現流程不意圖。圖3是基於WGS84地理坐標的室內控制點坐標獲取流程示意圖。圖4是自定義坐標轉換時的投影參數設定示意圖。圖5是UWB室內定位系統布設圖。
具體實施例方式本發明需要用到如下現有方法公開方法一點是否在多邊形內判斷算法(張宏，溫永寧，劉愛利.地理信息系統算法基礎[M].科學出版社，2006 26頁)；公開方法ニ 坐標複合變換算法(張宏，溫永寧，劉愛利.地理信息系統算法基礎[M].科學出版社，2006 48頁)；公開方法三高斯-克裡格投影解算算法(張宏，溫永寧，劉愛利.地理信息系統算法基礎[M].科學出版社，2006 65頁)；公開方法四點是否在多邊形內判斷算法(張宏，溫永寧，劉愛利.地理信息系統算法基礎[M].科學出版社，2006:26頁)。本專利所述室內外定位自適應切換，是指移動導遊系統的室外GPS定位和室內UWB定位之間適時切換定位方式的過程，其包括從室外到室內、從室內到室外兩個方面切換的內容，本發明的方法原理如圖I所示。其中，從室外切換到室內的流程如下
將當前GPS位置坐標記為Pgi，距離當前位置最近的入口門底部中點的坐標位置記為入ロ點匕，距離當前位置最近的門底部所在線段的緩衝區域記為定位切換區At，Pgi到匕的直線距離為Di，將Dtl標識為從室外到室內切換時的距離判斷閥值，用作判定遊客是否正打算進入到室內的標誌，如圖2(a)所示，具體的方法流程如下
(1)獲取當前GPS的坐標Pgi,將離當前位置最近的門底部中點的坐標位置記為入口點位置Pej ;
(2)計算Pgi與Pe的直線距離Di;
(3)比較Pgi與Pe的直線距離Di與預定閥值Dtl的大小，若DiWtl則返回步驟(2)，否則轉到下ー步； (4)連續判斷DpDwAp2的值，如果DADiPDp2不成立，則返回步驟(3)，否則判定遊客當前正在距離Dtl內逐步靠近室內定位區域，系統進行下一歩；
(5)繼續判斷當前位置是否在定位切換區At之中，如果不在則返回(4)，否則進行下一
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少;
(6)此時判定遊客已進入室內，系統開啟UWB定位模塊並切換到UWB室內定位模式，同時關閉GPS以節省電源；
(7)室外到室內定位的自動切換完成；
其中，從室內切換到室外的流程如下
將UWB當前位置坐標記為Pui，離當前位置最近門的底部中點的坐標位置記為P。，離當前位置最近的出ロ門的底部所在線段的緩衝區域記為定位切換區At』，Pui到P。的直線距離為Di，將Dtl』標識為從室內到室外切換時的距離判斷閥值，用作判定遊客是否正打算離開室內的標誌，如圖2(b)所示，具體的方法流程如下
(1)獲取當前UWB定位的坐標Pui，將離當前位置最近的門的底部中點的坐標位置記為出口點P0 ;
(2)計算Pui點到P0的直線距離Di；
(3)比較Pui與P。的直線距離Di與預定閥值Dtl』的大小，若DiW0,則返回步驟(2)，否則轉到下ー步；
(4)系統預備開啟GPS定位設備(如果此時未開啟)，準備提前接收GPS衛星信號；
(5)連續判斷DpDwAp2的值，如果DiWiPDp2不成立，則返回步驟(3)，否則判斷遊客當前正在距離Dci'內逐步走出室內定位區域,系統進行下ー步；
(6)繼續判斷當前位置是否在定位切換區At』之中，如果不在則返回(5)，否則進行下一
I K
少;
(7)遊客走出室外，系統自動切換到GPS定位模式，關閉UWB定位；
(8)室內到室外定位的自動切換完成。所述通過室內外定位坐標和出入口坐標計算直線距離，需要由室外坐標求解室內控制點坐標，以實現室外坐標及室內局部坐標是統一的空間坐標體系。本發明基於WGS84的地理坐標，採用自定義局部坐標系作為移動導遊系統的空間參考，由室外已知點坐標求解出室內控制點坐標，該方法的工作流程如下(如圖3所示)
(1)初始化手簿設備，連接到CORS系統；
(2)在國家控制點上測量該點的經緯度坐標；
(3)因國家控制點的經緯度坐標已知，用測量值與國控點的已知坐標值進行對比，如果測量精度不滿足規定要求，則轉到(2)，否則轉到下一歩；
(4)將測得的國控點實際坐標採用基於GCS_WGS_1984橢球體，設置自定義投影參數並轉換為投影坐標；
(5)用國測點已知的投影坐標與上述(4)得到的投影坐標相比較，如果測量精度不滿足規定要求，則轉到(2)，否則轉到下一歩；
(6)對滿足精度要求的國控點實測坐標進行聯測，得到室內控制點坐標；
(7)統ー坐標系工作結束；
本發明解決室內外一體化導遊系統的坐標體系統ー問題，需要用到自定義的投影坐標系統，如圖4所示,該坐標系的相關參數如下
地理坐標參數
[1]Name: GCS_WGS_1984
[2]Angular Unit: Degree (0. 017453292519943299)
[3]Prime Meridian: Greenwich (0.000000000000000000)
[4]Datum: D_WGS_1984
[5]Spheroid: WGS_1984
[6]Semimajor Axis: 6378137. 000000000000000000
[7]Semiminor Axis: 6356752.314245179300000000
[8]Inverse Flattening: 298.257223563000030000
投影坐標參數
[1]Projection: GaussKruger
[2]FalseEasting: 500000. 000000
[3]FalseNorthing: 0.000000
[4]CentralMeridian: 120.000000
[5]ScaleFactor: I.000000
[6]LatitudeofOrigin: 0.000000
[7]Linear Unit: Meter
下面結合具體實施例對本發明作進ー步詳細描述。本實例中移動導遊設備的基本要求WindowsMobile5. 0/6. 0/6. 1/6. 5作業系統；推薦480X800像素(或240X320像素)解析度；至少是單核CPU頻率高於528MHz ;內存不小於512MB R0M+256MB RAM ;支持MicroSD卡擴展存儲、USB v2. 0和GPS導航功能。本發明的移動導遊設備自帶的GPS晶片提供GPS位置獲取模塊，地理信息系統(GIS)模塊基於ESRI公司的ArcGISMobilelO軟體的二次開發實現，通過相關接ロ直接驅動GPS晶片設備，獲取遊客當前經緯度位置等信息。本發明涉及的UWB室內定位系統基於現有技術，採用Ubisense公司的定位產品，通過定位引擎軟體實時監控標籤室內位置，並將位置發送到特定移動導遊設備。結合附圖2、附圖3和附圖4，本專利的實施案例主要包括室內外數據組織與準備、室內外坐標體系統一、室內外定位自適應切換等幾個方面。
數據的組織與準備通過現有ArcGIS的Desktop桌面應用平臺作為工具，將室內區域平面圖以及與該室內區域有關的室外區域分別數位化，待配準後通過ArcToolbox的移動工具，創建適用於移動導遊設備的移動地圖以備使用。室內外坐標體系統ー的過程其實是確定符合精度要求的起算點坐標的過程，系統通過如下步驟實現
(1)用Topcon設備測量國控點A-3954、A-4115的實際坐標，經實測兩控制點在X方向上的精度達到釐米級，在Y方向上的精度是分米級，本發明容許的定位誤差應控制在分米級範圍之內；
(2)根據所述控制點坐標將室外點引入到室內點，聯測得到室內傳感器坐標及其它控制點坐標；
(3)通過所述室外及室內控制點坐標對所述室內外數據進行配準，並通過工具發布成移動導遊系統使用的移動地圖數據；
(4)坐標體系統ー過程結束；
本發明所述室內外定位自適應切換，是指由系統根據用戶當時所處的位置區域，在GPS定位與UWB定位之間自動、適時、高效地選擇所需要的定位方式，其實現過程如下(假定用戶從室外開始導遊)
(1)根據用戶位置P和已知入口點的坐標P』，計算兩者的距離D(単位米)；
(2)將D與預定閥值D0(D0=IO米)比較，如果D>D0成立，則返回到步驟(1)，否則進行下一歩；
(3)連續判斷D的值並比較它們的大小，如果在Dtl內D值越來越小，則認為用戶即將進入室內，系統進入下一歩，否則返回到步驟(2)；
(4)判斷用戶是否在定位切換區At(緩衝區半徑R=2米)之中，如果不在則返回步驟
(3)，否則判斷用戶已進入室內，系統切換至UWB定位，同時關閉GPS模塊；
(5 )當用戶處於室內時，同樣比較距離D與出口門預定閥值D; (Dc; =2米)的值，若DSDtl 』成立，繼續室內導覽，否則預備開啟GPS定位設備；
(6)在Dtl』內依次在室內判斷距離D，如果連續3次用戶與出口門的距離DO;，且滿足D^1 (n=l,2, 3)成立，則進行下一歩，否則返回(5)；
(7)判斷室內用戶是否在定位切換區At』(緩衝區半徑R=I米)之中，如果不在則返回步驟(6)，否則判斷用戶已離開室內，系統切換到室外GPS定位模式，關閉UWB定位模塊； (8)完成一次室內外定位切換過程。
權利要求
1.ー種UWB與GPS室內外定位切換方法，在移動導遊系統的室外GPS定位和室內UWB定位之間切換定位，其特徵在於統ー遊客位置坐標與出入口坐標，根據遊客行為模式執行室外GPS定位和室內UWB定位之間的自適應切換，包括從室外切換到室內、從室內切換到室外兩個步驟； 其中，從室外切換到室內的流程如下 (1)將當前GPS位置坐標記為Pgi，距離當前位置最近的入口門底部中點的坐標位置記為入口點匕，距離當前位置最近的門底部所在線段的緩衝區域記為定位切換區At，Pgi到匕的直線距離為Di，將Dtl標識為從室外到室內切換時的距離判斷閥值，是判定遊客是否正打算進入到室內的標誌；獲取當前GPS的坐標Pgi，將離當前位置最近的門底部中點的坐標位置記為入ロ點位置P6 ； (2)計算Pgi與Pe的直線距離Di; (3)比較Pgi與Pe的直線距離Di與預定閥值Dtl的大小，若DiWtl則返回步驟(2)，否則 轉到下ー步； (4)連續判斷DpDwAp2的值，如果DADiPDp2不成立，則返回步驟(3)，否則判定遊客當前正在距離Dtl內逐步靠近室內定位區域，系統進行下一歩； (5)繼續判斷當前位置是否在定位切換區At之中，如果不在則返回(4)，否則進行下一I K少; (6)此時判定遊客已進入室內，系統開啟UWB定位模塊並切換到UWB室內定位模式，同時關閉GPS以節省電源； (7)室外到室內定位的自動切換完成； 其中，從室內切換到室外的流程如下 (1)將UWB當前位置坐標記為Pui，離當前位置最近門的底部中點的坐標位置記為P0,離當前位置最近的出ロ門的底部所在線段的緩衝區域記為定位切換區At』，Pui到P。的直線距離為Di,將Dtl』標識為從室內到室外切換時的距離判斷閥值，是判定遊客是否正打算離開室內的標誌；獲取當前UWB定位的坐標Pui，將離當前位置最近的門的底部中點的坐標位置記為出口點P。； (2)計算Pui點到P0的直線距離Di； (3)比較Pui與P。的直線距離Di與預定閥值Dtl』的大小，若DiW0,則返回步驟(2)，否則轉到下ー步； (4)如果此時未開啟GPS定位設備，則系統預備開啟GPS定位設備，準備提前接收GPS衛星信號； (5)連續判斷DpDwAp2的值，如果DiWiPDp2不成立，則返回步驟(3)，否則判斷遊客當前正在距離Dci'內逐步走出室內定位區域,系統進行下ー步； (6)繼續判斷當前位置是否在定位切換區At』之中，如果不在則返回(5)，否則進行下一I K少; (7)遊客走出室外，系統自動切換到GPS定位模式，關閉UWB定位； (8)室內到室外定位的自動切換完成。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵是所述統ー遊客位置坐標與出入口坐標，是指基於WGS84的地理坐標,米用自定義局部坐標系作為移動導遊系統的空間參考，由室外已知點坐標求出室內控制點坐標，具體工作流程如下 (1)初始化手簿設備，連接到CORS系統； (2)在國家控制點上測量該點的經緯度坐標； (3)因國家控制點的經緯度坐標已知，用測量值與國控點的已知坐標值進行對比，如果測量精度不滿足規定要求，則轉到(2)，否則轉到下一歩； (4)將測得的國控點實際坐標採用基於GCS_WGS_1984橢球體，設置自定義投影參數並轉換為投影坐標； (5)用國測點已知的投影坐標與上述(4)得到的投影坐標相比較，如果測量精度不滿足 規定要求，則轉到(2)，否則轉到下一歩； (6)對滿足精度要求的國控點實測坐標進行聯測，得到室內控制點坐標； (7)統ー坐標系工作結束。
全文摘要
本發明公開了一種UWB與GPS室內外定位切換方法,以實現從室外到室內、再從室內到室外的無縫移動導遊。本發明將室外GPS定位與室內UWB定位有機協調起來，通過建立室內外定位的自適應切換方法，可實現從室外到室內、再從室內到室外的無縫移動導遊。本發明基於WGS84的地理坐標，採用自定義局部坐標系作為移動導遊系統的空間參考，由室外已知點坐標求解出室內控制點坐標，從而實現在統一的坐標系統下，根據遊客所處位置坐標及出入口坐標，通過獲取遊客速度、運動方向等行為模式，並判斷遊客是否進入到播報切換區以便實時切換GPS定位與UWB定位方式，構建起一種自然、及時、可靠的室內外定位自適應切換方法。
文檔編號G01S19/48GK102645666SQ20121014511
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月11日 優先權日2012年5月11日
發明者嚴瑞, 餘明朗, 李德鵬, 龍毅 申請人:常熟南師大發展研究院有限公司