一種基於慣性導航系統和wifi的室內定位方法
2023-07-02 20:16:16 1
專利名稱：一種基於慣性導航系統和wifi的室內定位方法
技術領域：
本發明屬於移動通信領域，涉及一種基於慣性系統和WIFI無線信號進行綜合室內定位的方法，具體為一種基於慣性導航系統和WIFI的室內定位方法。
背景技術：
隨著移動通信技術的迅速發展、數據和多媒體業務的快速增加，基於位置的服務 (LBS)越來越受到人們的青睞，尤其是在複雜的室內環境，如餐館、超市、停車場、倉庫等，常常需要確定移動終端的持有者、設施或者物品在的位置信息。例如戶外旅遊時，移動終端定位系統可以告訴我們當前的位置，基於位置的服務系統提供給我們附近旅遊景點的信息， 推薦附近的餐廳與賓館等；在室內，公司財產的定位、跟蹤與管理；還有廣泛使用的車載導航系統，實時獲得車輛當前的位置信息，LBS會提供路況信息，幫助司機選擇交通負載較輕的合適路徑。可見，LBS系統正在逐步使用於我們生活的各個方面，給我們的生活帶來更大的便捷。根據使用範圍劃分，基於位置的服務主要包括室外定位應用和室內定位應用。下面主要說一下它們的實現原理。1.室外定位
例如車載導航系統，主要使用GPS無線導航來實現全球覆蓋定位。利用GPS進行定位的優勢是衛星有效覆蓋範圍大，且定位導航信號免費。然而在實際環境中，由於GPS衛星發射的無線信號電訊號太微弱，無法穿透大部分的建築物等障礙物，在都市，樓宇等建築物阻礙了衛星信號的傳播，造成了 GPS系統定位不準，而且定位器終端的成本較高。2.室內定位
目前新型的室內定位技術有很多種，根據實現原理的不同包括基於移動通信系統的定位技術、短距離傳輸定位技術、基於無線區域網WLAN的定位技術以及包含自主傳感器的定位技術。(1)基於移動通信系統的定位技術
如果移動通信系統輔助GPS定位，就形成A-GPS技術，通過移動基站向手機用戶發送當前的衛星星曆以提高GPS接收機搜星速度，縮短初次定位時間。移動通信系統也可以利用自身網絡進行獨立定位，定位原理主要有單元識別Cell-ID、三角測量與雙曲線方法和到達角Α0Α。移動通信系統是由一系列的蜂窩網絡組成，手機用戶獲得通信服務是由其關聯的相鄰基站實現的，Cell-ID技術是根據這些基站的覆蓋範圍估算出用戶位置。通過手機用戶向附近的幾個基站發送的信息，基站根據手機用戶發射信號的到達時間TOA或達到時間差TD0A，利用三角測量和雙曲線的方法實現對用戶位置的估計。或者基站通過測量手機用戶信號發送的到達角度AOA (Angular of Arrival)來定位。這兩種定位方法目前精度仍然不高，因為需要對基站做較大修改，投入成本比較高，所以目前還處在研究階段，並未投入實際應用。(2)短距離傳輸的定位技術
短距離傳輸定位技術包括基於射頻識別(RFID)、脈衝無線電(UWB)、藍牙、超聲等的定位技術。射頻識別(RFID)通過射頻信號自動識別目標對象並獲取相關數據，廣泛應用於資產跟蹤、身份識別、生產自動化等領域。UWB是用脈衝信號進行高速無線數據傳輸的短程通信技術，普遍應用於家庭電子產品之間的高速無線通信傳輸，其能穿透建築物，不會受到信號反射導致的多路徑效應帶來的誤差。藍牙也是用於滿足電子產品間近距無線傳輸的技術。基於射頻識別(RFID)、脈衝無線電(UWB)、藍牙和超聲等的定位技術，在原理上與基於 WLAN的定位技術相似，只是應用範圍沒有WLAN廣，作用距離相對較短，需要部署特定網絡， 所以使用的場景更小。這類技術的定位精度僅能達到1-3米。(3)基於無線區域網(WLAN)的定位技術
基於無線區域網路的定位方法目前主要有以下幾種方式。一是類似移動通信網絡 Cell-ID技術，叫做接入點識別AP-ID，一旦具有Wi-Fi功能的移動終端與某個AP建立連接，即以該AP的位置估計行人位置，定位精度不高；第二種通過接收到的信號強度或者到達時間延遲進行測距，利用三角測量的方法計算出行人的位置；第三種是WLAN定位技術中目前最受關注的基於RSSI的指紋圖技術，它根據接收信號強度標識RSSI來定位，這種技術先將安裝有無線網絡接入點的定位場景劃分為一個個網格，然後測量在每個網格中心的接收信號強度，建立RSSI指紋資料庫，在實時導航中根據用戶終端接收的無線網絡信號強度、利用有關算法估算出用戶位置，這種方法需要事先建立RSSI資料庫，其精度取決於網格劃分的大小、每個網格採集的接收信號強度的數量和採用的定位算法，如果網格劃分足夠小，可以達到1 3米的精度。( 4 )包含自主傳感器的定位技術
在微機電系統(MEMS)技術的推動下，各種傳感器尺寸變小，成本降低，被廣泛用於個人導航定位系統。基於自包含傳感器的定位技術，其突出優勢在於導航定位的自主性和連續性。最普遍的自包含傳感器包括慣性傳感器(加速度計和陀螺儀)、磁羅盤等，這些傳感器也叫做航跡推算傳感器。基於不同的物理特性和應用環境，這些傳感器可以相互組合實現不同的配置方案，如陀螺儀和加速度計組合的慣性導航系統，磁力計和加速度計組成的無漂移定位方法，陀螺儀、磁力計和加速度計冗餘定位方法等。目前包含自主傳感器的個人導航系統有兩種，一種是傳統的慣性積分導航，基於牛頓運動定律，可以通過三個方向的加速度數據積分計算出三維速度和位置，理論上計算結果更精確可靠，但實際應用中，存在很大誤差；另一種是航跡推算個人導航，依據人行走的步數和步長進行定位，定位效果比傳統慣性導航更準確。下面對兩種導航進行比較
從使用步驟上來說，傳統的慣性積分導航機制開始導航定位前需要嚴謹而精確地進行初始平臺對準，行走中需要判斷零點實時計算加速度計的誤差參數並動態消除後，才能積分計算速度和距離。而航跡推算導航中不需要對加速度計進行誤差補償，直接通過其波形的周期性探測跨步，並根據信號統計結果進行步長估計。從定位性能上來說，在使用低成本傳感器的情況下，行人航跡推算導航比慣性積分導航機制的定位精度更高。慣性積分導航機制加速度兩次積分計算，導致誤差隨時間的平方增長，即使行人沒有行走，誤差也在累積，使定位結果在很短時間內(通常一兩分鐘)無法使用。行人航跡推算導航可以通過步頻探測結果判斷行人是否在行走，使定位誤差不隨時間增長，所以，在行人導航領域，目前普遍使用航跡推算導航來代替慣性積分導航。但是， 由於航跡推算導航根據人行走的位移與航向進行位置推算，因而是隨著行走距離變大其定位誤差也不斷累積；另外，其航向角度的確定也存在誤差大的問題，從而也導致了定位導航不精確。綜上所述，基於移動通信系統的定位技術，其定位精度較差，還有待深入的研究； 基於短距離傳輸的定位技術其覆蓋範圍小，為了獲得較高定位精度，需要增加硬體成本為代價；基於無線區域網的定位技術不但覆蓋範圍廣，而且總系統定位精度較高，適合於長時間定位，且沒有誤差累積，但是其定位精度易受到無線網絡接入點(Ap)的分布密度的影響以及外部信號的幹擾；基於射頻信號的定位技術需要移動通信基站、無線網絡接入點、信號發射塔或中繼器等外部設施支持，和預先建立室內環境的RSSI資料庫，這增加了行人導航服務的建設成本，而且限制了導航的範圍；包含自主傳感器的定位技術憑藉體積小、成本低，且自主式定位的優勢被廣泛應用於定位系統，但是由於硬體構造特性，其在使用過程中需要消除累積誤差，因而不適合於長時間定位使用。
發明內容
針對上述問題，本發明提供了一種基於慣性導航系統和WIFI的室內定位方法，其定位精度高，能有效克服現有慣性導航系統在定位過程中由於累積誤差大、不適宜長時間導航定位的問題。其技術方案是這樣的，其特徵在於其包括慣性導航系統的自主定位和WIFI無線網絡的輔助定位，其包括以下步驟首先初始化定位終端裝置，所述定位終端裝置獲得 WIFI無線信號並通過所述WIFI無線網絡確定所述定位終端裝置的初始位置，然後通過所述慣性導航系統自主定位所述定位終端裝置的實時位置信息，同時通過WIFI無線網絡對所述實時位置信息進行校準、並對所述慣性導航系統自主定位中的步長信息進行在線調整，最後通過所述WIFI無線網絡將所述定位終端裝置的實時位置信息或經過WIFI無線網絡校準的實時位置信息上傳到資料庫，並在所述定位終端裝置的顯示系統中展示所述定位終端裝置移動的軌跡。其進一步特徵在於
所述WIFI無線網絡確定所述定位終端裝置的初始位置，採用基於RSSI的定位算法確定初始位置信息；所述基於RSSI (接收的信號強度指示)的定位算法包括室內部署的AP 無線接入點會周期性的發射無線信號，在部署階段保存所有無線接主點(AP)的位置坐標 ，當人持所述定準終端裝置在室內行走時，可以使用基於RSSI的質心算法得到所述初始位置信息；或者在離線階段，採集AP無線信號的指紋圖，在線階段使用指紋法得到人的位置信息；或者使用基於RSSI的概率分布法，得到所述初始位置信息；
所述慣性導航系統自主定位實時位置信息，是指通過所述慣性導航系統得到人行走的位移和航向，然後根據所述位移和航向、依據航跡推算算法得到人的實時位置信息，所述實時位置信息通過所述WIFI無線網絡上傳至資料庫；所述位移為步頻乘以步長，所述步頻通過所述慣性導航系統的加速度傳感器對人的行走進行計步得到，所述步長初始值採用經驗值，一般步長初始值為0. 6m ；所述航向的取得包括初始航向的取得以及行走過程中航向的取得；所述初始航向的取得，通過所述慣性導航系統的地磁傳感器來完成，假設人的前進方向與慣性系統的Y軸正方向一致，所述地磁傳感器可以獲得人前進方向投影到平面後與磁北方向的夾角即為人的初始航向；在人移動行走過程中，所述地磁傳感器取得人的變化角度，所述慣性導航系統通過陀螺儀測量得到人轉向時的角速度，所述角速度乘以轉向時間即得到人相對的變化角度，將所述人相對的變化角度與所述地磁傳感器得到的人的變化角度求取平均值，所述平均值與人前一時刻的方向角度的矢量和即為此時刻的航向角度；
所述通過WIFI無線網絡進行位置的校準，當人在行走的過程中所述定位終端裝置實時採集所有無線接入點(AP)周期發射的無線信號，當接收到某個無線接入點的無線信號強度值超過信號強度閾值，則此時WIFI無線網絡定位的準確可信度達到90%以上，設定此無線接入點為校準位置點，選取所有所述校準位置點發出的無線信號強度中最大的三個信號強度值，並根據加權質心算法得到此時所述定位終端裝置的WIFI定位位置信息，再將所述 WIFI定位位置信息與所述校準位置點求均值，即得到所述定位終端裝置的修正位置信息， 此時採用所述修正位置信息作為實時位置信息通過WIFI無線網絡上傳至資料庫；所述信號強度閾值為當人持所述定位終端裝置處在以某個無線接入點(AP)為中心、半徑為Im的單位圓內時，獲得該無線接入點(AP)的信號強度值最小值；
所述通過WIFI無線網絡對所述慣性導航系統自主定位中的步長進行在線調整，當人持所述定位終端裝置開始行走時，如果產生了連續兩次所述WIFI無線網絡對實時位置信息進行校準，假設WIFI無線網絡校準後的兩點坐標為(XI， Yl)和(X2，Y2)，所述兩點之間的位移為D1，所述慣性導航系統自主定位得到的第二個點為(X3，Y3),位移D2，之前步長為S2，修正步長為Si，根據比例關係 ￡)1/31 = 1) 2 ,所述修正步長Sl為
權利要求
1.一種基於慣性導航系統和WIFI的室內定位方法，其特徵在於其包括慣性導航系統的自主定位和WIFI無線網絡的輔助定位，其包括以下步驟首先初始化定位終端裝置，所述定位終端裝置獲得WIFI無線信號並通過所述WIFI無線網絡確定所述定位終端裝置的初始位置，然後通過所述慣性導航系統自主定位所述定位終端裝置的實時位置信息，同時通過WIFI無線網絡對所述實時位置信息進行校準、並對所述慣性導航系統自主定位中的步長進行在線調整，最後通過所述WIFI無線網絡將所述定位終端裝置的實時位置信息或經過WIFI無線網絡校準的實時位置信息上傳到資料庫，並在所述定位終端裝置的顯示系統中展示所述定位終端裝置移動的軌跡。
2.根據權利要求1所述的一種基於慣性導航系統和WIFI的室內定位方法，其特徵在於所述WIFI無線網絡確定所述定位終端裝置的初始位置，採用基於RSSI的定位算法確定初始位置信息；所述基於RSSI (接收的信號強度指示)的定位算法包括室內部署的AP 無線接入點會周期性的發射無線信號，在部署階段保存所有無線接主點(AP)的位置坐標 ，當人持所述定準終端裝置在室內行走時，可以使用基於RSSI的質心算法得到所述初始位置信息；或者在離線階段，採集AP無線信號的指紋圖，在線階段使用指紋法得到人的位置信息；或者使用基於RSSI的概率分布法，得到所述初始位置信息。
3.根據權利要求1所述的一種基於慣性導航系統和WIFI的室內定位方法，其特徵在於所述慣性導航系統自主定位實時位置信息，是指通過所述慣性導航系統得到人行走的位移和航向，然後根據所述位移和航向、依據航跡推算算法得到人的實時位置信息，所述實時位置信息通過所述WIFI無線網絡上傳至資料庫。
4.根據權利要求3所述的一種基於慣性導航系統和WIFI的室內定位方法，其特徵在於所述位移為步頻乘以步長，所述步頻通過所述慣性導航系統的加速度傳感器對人的行走進行計步得到，所述步長初始值採用經驗值，一般步長初始值為0. 6m。
5.根據權利要求4所述的一種基於慣性導航系統和WIFI的室內定位方法，其特徵在於所述航向的取得包括初始航向的取得以及行走過程中航向的取得；所述初始航向的取得，通過所述慣性導航系統的地磁傳感器來完成，假設人的前進方向與慣性系統的Y軸正方向一致，所述地磁傳感器可以獲得人前進方向投影到平面後與磁北方向的夾角即為人的初始航向；在人移動行走過程中，所述地磁傳感器取得人的變化角度，所述慣性導航系統通過陀螺儀測量得到人轉向時的角速度，所述角速度乘以轉向時間即得到人相對的變化角度，將所述人相對的變化角度與所述地磁傳感器得到的人的變化角度求取平均值，所述平均值與人前一時刻的方向角度的矢量和即為此時刻的航向角度。
6.根據權利要求1所述的一種基於慣性導航系統和WIFI的室內定位方法，其特徵在於所述通過WIFI無線網絡進行位置的校準，當人在行走的過程中所述定位終端裝置實時採集所有無線接入點(AP)周期發射的無線信號，當接收到某個無線接入點的無線信號強度值超過信號強度閾值，則此時WIFI無線網絡定位的準確可信度達到90%以上，設定此無線接入點為校準位置點，選取所有所述校準位置點發出的無線信號強度中最大的三個信號強度值，並根據加權質心算法得到此時所述定位終端裝置的WIFI定位位置信息，再將所述 WIFI定位位置信息與所述校準位置點求均值，即得到所述定位終端裝置的修正位置信息， 此時採用所述修正位置信息作為實時位置信息通過WIFI無線網絡上傳至資料庫。
7.根據權利要求6所述的一種基於慣性導航系統和WIFI的室內定位方法，其特徵在於所述信號強度閾值為當人持所述定位終端裝置處在以某個無線接入點(AP)為中心、半徑為Im的單位圓內時，獲得該無線接入點(AP)的信號強度值最小值。
8.根據權利要求1所述的一種基於慣性導航系統和WIFI的室內定位方法，其特徵在於所述通過WIFI無線網絡對所述慣性導航系統自主定位中的步長進行在線調整， 當人持所述定位終端裝置開始行走時，如果產生了連續兩次所述WIFI無線網絡對實時位置信息進行校準，假設WIFI無線網絡校準後的兩點坐標為(XI，Yl)和(X2，Y2)，所述兩點之間的位移為D1，所述慣性導航系統自主定位得到的第二個點為(X3，TO)，位移 D2,之前步長為S2,修正步長為Si,根據比例關係Dysi = mis2,所述修正步長Sl為Si = (Z)I*S2)/D2 (^(X2-Xl)2+(Y2-Yl)2 *S2i^/(.O-Zl)2+(73-Fl)2)；所述慣性導航系統自主定位中，除所述初始步長採用經驗值，在移動過程中採用的步長均為所述修正步長。
9.根據權利要求4所述的一種基於慣性導航系統和WIFI的室內定位方法，其特徵在於所述計步通過加速度傳感器檢測人行走時在Z方向的加速度周期變化取得；其方法為 所述加速度傳感器實時讀取在Z方向的加速度數據，首先判斷是否為邁步起點，根據人行走的生理規律，人走一步的周期內，人體垂直方向的加速度數值先增大後減小，如果該點的加速度值比前一時刻加速度數值大，比後一時刻加速度數值小，且前一時刻點小於動態閾值，後一時刻點大於動態閾值，則初步判定該點為邁步起點，否則此點為非邁步起點，重新讀取加速度數值進行邁步起點的判斷；然後進行時間窗口的檢測，由於人正常行走頻率為 0.5 Hz 5Hz，行走一步的時間為0. 2s 2s，因此如果連續兩個邁步起點的時間差介於 0. 2s Is之間則進入峰值低谷檢測，如果所述時間差小於0. 2或者大於Is則應取消該點為邁步起點重新開始計步；所述峰值低谷檢測，檢測一步內的最大加速度數值(峰值)和最小加速度數值(谷值)，當檢測到的峰值與谷值與動態閾值差的絕對值大於0.1時則計一步， 如果所述絕對值小於0. 1則由於其數值變化的精度太小可視為輕微抖動引起的數值變化， 此邁步不是有效邁步而重新計步。
10.根據權利要求9所述的一種基於慣性導航系統和WIFI的室內定位方法，其特徵在於所述動態閾值的取值，當進行邁步起點確認時，所述動態閾值採用零點閾值，當進入有效計步後，所述動態閾值採用修正閾值，所述修正閾值為前一有效計步周期的加速度峰值與谷值的均值。
全文摘要
本發明提供了一種基於慣性導航系統和WIFI的室內定位方法，其定位精度高，能有效克服現有慣性導航系統在定位過程中由於累積誤差大、不適宜長時間導航定位的問題。其特徵在於其包括慣性導航系統的自主定位和WIFI無線網絡的輔助定位，首先初始化定位終端裝置，定位終端裝置獲得WIFI無線信號並通過WIFI無線網絡確定定位終端裝置的初始位置，然後通過慣性導航系統自主定位定位終端裝置的實時位置信息，同時通過WIFI無線網絡對實時位置信息進行校準、並對慣性導航系統自主定位中的步長信息進行在線調整，最後通過WIFI無線網絡將定位終端裝置的實時位置信息或經過WIFI無線網絡校準的實時位置信息上傳到資料庫，並在定位終端裝置的顯示系統中展示所述定位終端裝置移動的軌跡。
文檔編號G01C21/16GK102419180SQ20111025804
公開日2012年4月18日 申請日期2011年9月2日 優先權日2011年9月2日
發明者宋崢, 張世哲, 熊永平, 馬建 申請人:無錫智感星際科技有限公司