CN109270487A - 一种基于ZigBee和惯导的室内定位方法 - Google Patents

一种基于ZigBee和惯导的室内定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee和惯导的室内定位方法，通过协调器向ZigBee网络发布启动信号，启动网络，终端设备接收用户手机发出的无线通讯信号，利用与用户最近的3个终端设备接收信号的信号强度(RSSI)，计算出用户手机的位置坐标；另外，手机中有陀螺仪和加速度组件，自主进行连续的三维空间定位，即惯性导航(INS)，采用卡曼滤波的组合算法利用两者的组成导航系统的输出，最后得到的实时导航数据通过互联网同步到用户手机；本发明基于ZigBee网络导航，克服了惯性导航累计误差的缺点，本发明基于常见的智能手机和ZigBee网络，占用资源少，成本低，依赖设备简单，易于现场实现，本发明引入惯性导航和ZigBee导航，使用卡尔曼滤波进行数据融合，使导航信息更加准确。

Description

一种基于ZigBee和惯导的室内定位方法
技术领域
本发明涉及一种基于ZigBee和惯导的室内定位方法，属于室内导航技术领域。
背景技术
GPS卫星定位和导航功能在现在的智能手机上几乎成为了标准配笠，不过GPS导航仍有一个尚未解决的难题，就是室内导航。因为GPS卫星信号无法穿透太厚的墙壁，导航设备在大型建筑、地下建筑、高层楼房中会彻底找不到卫星信号而无法定位。在手机上实现会场位置导航和附近好友位呈显示的功能。预计可以用于大型展览活动、大型商场、博物管、大型会议，等提供导航服务。借助室内导航技术找到不同的展区路线和使用同一软件的朋友，同时有助于会议组织者的信息采集和会议现场维护。
在室内环境无法使用卫星定位时，使用室内定位技术作为卫星定位的辅助定位，解决卫星信号到达地面时较弱、不能穿透建筑物的问题。最终定位物体当前所处的位置。室内定位是指在室内环境中实现位置定位，主要采用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。
惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。惯性导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；每次使用之前需要较长的初始对准时间。ZigBee是一种短距离、低速率的无线网络技术。它介于RFID和蓝牙之间，可以通过传感器之间的相互协调通信进行设备的位置定位。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以ZigBee最显著的技术特点是它的低功耗和低成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于ZigBee和惯导的室内定位方法，用以解决在卫星信号无法穿透的室内导航问题。
本发明技术方案是：协调器向ZigBee网络发布启动信号，启动网络，终端设备接收用户手机发出的无线通讯信号，利用与用户最近的3个终端设备接收信号的信号强度(RSSI)，计算出用户手机的位置坐标；另外，手机中有陀螺仪和加速度组件，自主进行连续的三维空间定位，即惯性导航(INS)，采用卡曼滤波的组合算法利用两者的组成导航系统的输出，最后得到的实时导航数据通过互联网同步到用户手机。
一种基于ZigBee和惯导的室内导航装置，具体步骤如下：
(1)在室内设置一个以上的终端设备和一个以上的路由器，一个以上的终端设备和一个以上的路由器置于ZigBee局域网中，当定位局域网中的用户手机时，协调器向ZigBee局域网发布启动信号，启动局域网内的一个以上的终端设备，用户手机设有ZigBee模块，ZigBee模块连接至ZigBee局域网中，一个以上的终端设备收集用户手机的信号强度，且利用距离用户手机最近的三个终端设备收集的手机的信号强度确定用户手机的位置信息，将该三个终端设备收集的手机的信号强度分别代入公式(1)中，计算出三个终端设备分别到手机的距离d1、d2和d3；
RSSI＝-(A+10nlgd)(1)
其中，RSSI为终端设备收集用户手机的强度，A表示终端设备距离用户手机1m处时，终端设备收集的用户手机的信号强度，n表示信号路径损耗常数，d表示终端设备到用户手机的距离；
(2)通过三边定位法求用户手机的具体位置坐标，设距离用户手机的三个终端设备的坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，设用户手机的坐标为(x,y)，则三个终端设备到用户手机的距离d1、d2和d3由以下欧拉公式表示为：
其中，d1、d2和d3由步骤(1)求得，且(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)为已知坐标，则通过公式(2)求出用户手机的坐标为(x,y)，确定用户手机的位置，用户手机的位置信息通过一个以上的路由器、协调器输送至卡尔曼滤波器中；
(3)用户手机设有陀螺仪和加速器，通过用户手机的陀螺仪和加速器测得用户手机的方向角度和加速度，并将测得的角度和加速度输入微型处理器中，微型处理器将数据对时间进行积分，且将积分后的数据变换至导航坐标系中，得到用户手机的速度和位置信息，且用户手机的速度和位置信息输入至卡尔曼滤波器中；
(4)卡尔曼滤波器对步骤(2)得到的手机的位置数据与步骤(3)得到的手机的速度和位置数据进行数据融合，形成组合融合导航系统，得到融合后的定位数据，并将定位数据发送至PC机中，PC机将定位数据再发送至用户手机客户端。
所述步骤(1)中，n的取值由环境确定，环境为自由空间时，n的取值为2，环境为平原时，n的取值为3，环境为丘陵时，n的取值为3.5，环境为效区、低处时，n的取值为4，环境为市区、高楼时，n的取值为4.5。
所述步骤(3)用户手机的陀螺仪设有3个自由度
本发明的有益效果是：
(1)本发明方法基于ZigBee网络导航，克服了惯性导航累计误差的缺点。
(2)本发明方法是基于常见的智能手机和ZigBee网络，占用资源少，成本低，依赖的设备简单，易于现场实现。
(3)本发明方法引入惯性导航和ZigBee导航，使用卡尔曼滤波进行数据融合，使导航信息更加准确。
附图说明
图1为本发明室内导航定位方法的连接关系示意图；
图2为本发明ZigBee网络使用三边定位测量方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1所示为本发明室内定位方法的连接关系示意图，使用NXP JN5168方案搭建协调器和路由器，协调器启动整个网络，终端设备采用TI公司的CC2530，通过无线收发器实现网络通讯，接收上级的命令或发出采集的信号，路由节点在网络中负责数据的转发，当用户手机进入室内时，终端设备将采集的RSSI信号通过路由节点和协调器输入卡尔曼滤波器，同时手机中的陀螺仪和及速度计根据连续测得的用户手机方向角和速度推算出其下一点的位置，连续测出运动体的当前位置信息，卡尔曼滤波器将两者数据融合输出用户位置结果，后台服务器将结果通过互联网反馈到用户手机客户端，实现实时导航，具体步骤如下：
(1)在室内使用NXP JN5168方案搭建一个协调器、4个路由器，并设置10个终端设备，10个终端设备均采用TI公司的CC2530，且室内设有ZigBee局域网，用户手机进入室内后，协调器向ZigBee局域网发布启动信号，启动局域网内的10个终端设备，用户手机设有ZigBee模块，ZigBee模块连接至ZigBee局域网中，10个终端设备收集用户手机的信号强度，且利用距离用户手机最近的三个终端设备收集的手机的信号强度确定用户手机的位置信息，将该三个终端设备收集的手机的信号强度分别代入公式(1)中，计算出三个终端设备分别到手机的距离d1、d2和d3；
RSSI＝-(A+10nlgd)(1)
其中，RSSI为终端设备收集用户手机的强度，A表示终端设备距离用户手机1m处时，终端设备收集的用户手机的信号强度，n表示信号路径损耗常数，n的取值为4.5，d表示终端设备到用户手机的距离；
(2)通过三边定位法求用户手机的具体位置坐标，如图2所示，设距离用户手机的三个终端设备的坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，设用户手机的坐标为(x,y)，则三个终端设备到用户手机的距离d1、d2和d3由以下欧拉公式表示为：
其中，d1、d2和d3由步骤(1)求得，且(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)为已知坐标，则通过公式(2)求出用户手机的坐标为(x,y)，确定用户手机的位置，用户手机的位置信息通过路由器、协调器输送至卡尔曼滤波器中；
(3)用户手机设有陀螺仪和加速器，用户手机的陀螺仪设有3个自由度，通过用户手机的陀螺仪和加速器测得用户手机的角度和加速度，并将测得的角度和加速度输入微型处理器中，微型处理器将数据对时间进行积分，且将积分后的数据变换至导航坐标系中，得到用户手机的速度和位置信息，且用户手机的速度和位置信息输入至卡尔曼滤波器中；
(4)卡尔曼滤波器对步骤(2)得到的手机的位置数据与步骤(3)得到的手机的速度和位置数据进行数据融合，形成组合融合导航系统，得到融合后的定位数据，并将定位数据发送至PC机中，PC机将定位数据再发送至用户手机客户端。
实施例2：本实施例的具体步骤同实施例1，不同之处在于本实施例使用UT-930方案搭建协调器和路由器，协调器启动整个网络，终端设备采用飞思卡尔半导体公司的MC1321x，通过无线收发器实现网络通讯，接收上级的命令或发出采集的信号，路由节点在网络中负责数据的转发，当用户手机进入室内时，终端设备将采集的RSSI信号通过路由节点和协调器输入滤波器，滤波器采用扩展卡尔曼滤波器，同时手机中的陀螺仪和及速度计根据连续测得的用户手机方向角和速度推算出其下一点的位置，连续测出运动体的当前位置信息，卡尔曼滤波器将两者数据融合输出用户位置结果，后台服务器将结果通过互联网反馈到用户手机客户端，实现实时导航。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种基于ZigBee和惯导的室内定位方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)在室内设置一个以上的终端设备和一个以上的路由器，一个以上的终端设备和一个以上的路由器置于ZigBee局域网中，当定位局域网中的用户手机时，协调器向ZigBee局域网发布启动信号，启动局域网内的一个以上的终端设备，用户手机设有ZigBee模块，ZigBee模块连接至ZigBee局域网中，一个以上的终端设备收集用户手机的信号强度，且利用距离用户手机最近的三个终端设备收集的手机的信号强度确定用户手机的位置信息，将该三个终端设备收集的手机的信号强度分别代入公式(1)中，计算出三个终端设备分别到手机的距离d1、d2和d3；
RSSI＝-(A+10nlgd) (1)
其中，RSSI为终端设备收集用户手机的强度，A表示终端设备距离用户手机1m处时，终端设备收集的用户手机的信号强度，n表示信号路径损耗常数，d表示终端设备到用户手机的距离；
(2)通过三边定位法求用户手机的具体位置坐标，设距离用户手机的三个终端设备的坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，设用户手机的坐标为(x,y)，则三个终端设备到用户手机的距离d1、d2和d3由以下欧拉公式表示为：
其中，d1、d2和d3由步骤(1)求得，且(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)为已知坐标，则通过公式(2)求出用户手机的坐标为(x,y)，确定用户手机的位置，用户手机的位置信息通过一个以上的路由器、协调器输送至卡尔曼滤波器中；
(3)用户手机设有陀螺仪和加速器，通过用户手机的陀螺仪和加速器测得用户手机的方向角度和加速度，并将测得的角度和加速度输入微型处理器中，微型处理器将数据对时间进行积分，且将积分后的数据变换至导航坐标系中，得到用户手机的速度和位置信息，且用户手机的速度和位置信息输入至卡尔曼滤波器中；
(4)卡尔曼滤波器对步骤(2)得到的手机的位置数据与步骤(3)得到的手机的速度和位置数据进行数据融合，形成组合融合导航系统，得到融合后的定位数据，并将定位数据发送至PC机中，PC机将定位数据再发送至用户手机客户端。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee和惯导的室内定位方法，其特征在于：所述步骤(1)中，n的取值由环境确定，环境为自由空间时，n的取值为2，环境为平原时，n的取值为3，环境为丘陵时，n的取值为3.5，环境为效区、低处时，n的取值为4，环境为市区、高楼时，n的取值为4.5。
3.根据权利要求1所述的基于ZigBee和惯导的室内定位方法，其特征在于：所述步骤(3)用户手机的陀螺仪设有3个自由度。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112849229A (zh) * 2021-03-08 2021-05-28 安徽理工大学 一种基于复合定位技术的矿用电机车测控系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103148855A (zh) * 2013-02-27 2013-06-12 东南大学 一种ins辅助的室内移动机器人无线定位方法
CN103994767A (zh) * 2014-05-12 2014-08-20 东北大学 一种救援人员室内协同定位装置及方法
US20150153380A1 (en) * 2013-10-30 2015-06-04 Invensense, Inc. Method and system for estimating multiple modes of motion
CN105022394A (zh) * 2014-04-29 2015-11-04 东北大学 动态环境下的移动机器人可靠定位方法
US20160127871A1 (en) * 2011-08-18 2016-05-05 Rivada Research, Llc Method and System for Providing Enhanced Location Based Trilateration

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160127871A1 (en) * 2011-08-18 2016-05-05 Rivada Research, Llc Method and System for Providing Enhanced Location Based Trilateration
CN103148855A (zh) * 2013-02-27 2013-06-12 东南大学 一种ins辅助的室内移动机器人无线定位方法
US20150153380A1 (en) * 2013-10-30 2015-06-04 Invensense, Inc. Method and system for estimating multiple modes of motion
CN105022394A (zh) * 2014-04-29 2015-11-04 东北大学 动态环境下的移动机器人可靠定位方法
CN103994767A (zh) * 2014-05-12 2014-08-20 东北大学 一种救援人员室内协同定位装置及方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘艳: ""基于无线传感器网络的室内定位系统研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112849229A (zh) * 2021-03-08 2021-05-28 安徽理工大学 一种基于复合定位技术的矿用电机车测控系统

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