CN102932742A - 基于惯性传感器与无线信号特征的室内定位方法及系统 - Google Patents

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本发明涉及一种基于惯性传感器与无线信号特征的室内定位方法及系统,所述的方法包括以下步骤;采用无线信号特征方法初始化定位目标在给定空间中的位置;检测定位目标的运动状态,如果定位目标处在静止状态,则采用无线信号特征方法对定位目标进行定位;如果定位目标处在移动状态,则惯性传感器以上一个静止状态的定位点位为起点产生定位目标的移动轨迹,并将定位目标的位置和移动轨迹实时地显示在手持设备上,同时通过无线网络将实时的位置信息上传到后台处理装置;所述的系统包括带有惯性传感器的手持设备、部署在室内空间中的无线接收节点以及与惯性传感器连接的后台处理装置。与现有技术相比,本发明具有定位精度高、动静结合等优点。

Description

基于惯性传感器与无线信号特征的室内定位方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种移动通信领域的定位方法及系统,尤其是涉及一种基于惯性传感器与无线信号特征的室内定位方法及系统。
背景技术
[0002] 随着信息的急速增长,如何处理大数据以及如何提供可靠的信息成了关键。将信息附上定位标签成了一种最常用的处理方式。伴随着移动设备和个人设备的流行,定位成为热门。定位系统能够判断设备的位置信息,同时将位置信息用于基于位置的服务,如导航、跟踪、监测等。根据使用范围划分,基于位置的服务主要包括室外定位应用和室内定位应用。下面主要说一下他们的实现原理: [0003] I.室外定位
[0004] GPS系统能够很好的提高室外的个人定位信息,利用GPS进行定位的优势是卫星有效覆盖范围大,且定位导航信号免费。但是GPS依靠卫星和接受者的之间信号(line-of-sight)的传输,而GPS卫星发射的无线信号太微弱,无法穿透大部分的建筑物等障碍物,导致在室内的情况下,GPS系统定位不准,而且定位器终端的成本很高。
[0005] 2.室内定位
[0006] 室内定位系统用于提供个人和设备的位置信息。精度和计算收敛时间被认为是定位技术最重要的因素。现在已有很多的定位技术。
[0007] (I)红外室内定位技术
[0008] 红外(Infrared)是用于室内定位的最早的技术,红外线室内定位技术定位的原理是,红外线IR标识发射调制的红外射线,通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有相对较高的室内定位精度,但是由于光线不能穿过障碍物,使得红外射线仅能视距传播。直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很差。当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就不能正常工作,需要在每个房间、走廊安装接收天线,造价较高。因此,红外线只适合短距离传播,而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰,在精确定位上有局限性。
[0009] (2)射频识别(RFID)技术
[0010] 射频(Radio Frequency)也常用于个人室内定位(IPS)。射频识别技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的。这种技术作用距离短,一般最长为几十米。但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息,且传输范围很大,成本较低,同时系统需要更少的硬件设备。
[0011] (3)无线局域网(WLAN)定位技术
[0012] 无线局域网(WLAN)基于IEEE802. 11协议,是以无线信道作传输媒介的计算机局域网络,是计算机网络与无线通信技术相结合的产物,它以无线多址信道作为传输媒介,提供传统有线局域网的功能,能够使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入。移动用户对信息的即时性和就地性的需求越来越强烈,这就给基于WLAN系统的位置服务提供了广阔的发展空间。WLAN系统中定位技术主要有GPS卫星定位、基于RSSI (Received SignalStrength Indication,接收的信号强度指示)或T0A/TD0A/A0A的三角定位、信号强度定位等技术。其中,信号强度定位技术主要包括信号强度指纹/信号传播模型定位等两类方法。有很多著名的WLAN定位系统,如RADAR系统将信号强度和信噪比(signal-to-noise)用于三角定位技术,通过建立射频信道传播模型,多个WLAN接入点(APs)能够根据信号空间(NNSS)定位算法里最近的邻居来定位出移动基站。COMPASS系统通过WLAN基础设施和数字指南针,为携带有WLAN设备的用户提供低成本以及相对高精度的定位服务。
[0013] 3.航位推算(Dead Reckoning)传感器定位技术
[0014] 航位推算技术是一种很重要的导航技术,Dead Reckoning起源于17世纪航海,指由已知的定点以罗盘及航速推算出目前所在位置的方法;根据上次所测定的位置,以及前进方向、速度、时间、距离就能够算出当前的位置信息。基于不同的物理特性和应用环境,航位推算传感器可以相互组合实现不同的配置方案,如陀螺仪和加速度计组合的惯性导航系统,磁力计和加速度计组成的无漂移定位方法,陀螺仪、磁力计和加速度计元余定位方法等。Dead Reckoning在短距离定位上有较高的精度,但是具有累积误差的缺点。
[0015] 4. RSSI 技术
[0016] RSSI技术是通过接收到的信号强弱测定信号点与接收点的距离,进而根据相应数据进行定位计算的一种定位技术。RSSI具有检测设备和机制简单、硬件成本低、实现简单等优点,但是由于在室内无线信号受反射、多径和衰退的影响,接受信号强度的分布有可能有过个峰值,这样就导致了就算通过多次测量平均值,也不能通过起计算距离。所以对无线信号不能采用平均值的方式,而是要采用特征值分布的方式。
发明内容
[0017] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种定位精度高、动静结合的基于惯性传感器与无线信号特征的室内定位方法及系统,既能克服无线信号在移动中信号不稳定导致定位不准确的问题,又能解决使用惯性导航系统累计误差大,无法长时间使用的问题。
[0018] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0019] 一种基于惯性传感器与无线信号特征的室内定位方法,该方法包括以下步骤:
[0020] I)采用无线信号特征方法初始化定位目标在给定空间中的位置,在初始过程中定位目标保持相对静止状态;
[0021] 2)检测定位目标的运动状态,如果定位目标处在静止状态,则执行步骤3),如果定位目标处在移动状态,则执行步骤4);
[0022] 3)采用无线信号特征方法对定位目标进行定位;
[0023] 4)惯性传感器以上一个静止状态的定位点位为起点产生定位目标的移动轨迹,并将定位目标的位置和移动轨迹实时地显示在手持设备上,同时通过无线网络将实时的位置信息上传到后台处理装置。
[0024] 所述的无线信号特征方法具体为:
[0025] 在给定空间中部署多个无线接收节点,定位目标处于静止状态时,手持设备连续发出一系列定位用的广播包,在无线接收节点将产生实时的RSSI概率分布,将该概率分布与预先存储的RSSI概率分布进行匹配处理,确定定位目标的位置。
[0026] 所述的预先存储的RSSI概率分布根据以下方法获得:离线采集手持设备在给定空间中针对每个无线接收节点的指纹图,对每一个无线节点产生一个在指定RSSI值域上的概率分布。
[0027] 所述的匹配处理指寻找使两个概率分布的统计相似度参数最大化的指纹点,该指纹点即定位目标的位置。
[0028] 所述的惯性传感器以上一个静止状态的定位点位为起点产生定位目标的移动轨迹具体为:
[0029] 41)惯性传感器对定位目标的脚步进行检测并记录,判断步频和加速度方差是否超过设定的峰值,若是,则定位目标为跑步模式,若否,则定位目标为走路模式;
[0030] 42)根据定位目标的移动模式实时调整定位目标移动的步长,并检测定位目标移动的步数,根据步长与步数的乘积获得定位目标的位移,并通过航位算法确定定位目标的位置与移动轨迹。
[0031] 所述的检测定位目标移动的步数的过程中包括判断定位目标是否进行跳跃,若是,则步数不变。
[0032] 所述的判断定位目标是否进行跳跃的方法为:通过惯性传感器检测定位目标移动时在z轴方向上连续两个加速度是否在O. 2秒内都出现了类正弦的变化,若是,则定位目标进行跳跃,若否,则定位目标正常走步。
[0033] 一种基于惯性传感器与无线信号特征的室内定位系统,包括手持设备、后台处理装置和多个无线接收节点,所述的手持设备上设有惯性传感器,所述的后台处理装置通过无线网络与惯性传感器相连,所述的多个无线接收节点部署在室内空间中。
[0034] 所述的手持设备为可穿戴式手持设备。
[0035] 与现有技术相比,本发明利用无线信号特征的办法提高了定位的精度,并且使用惯性传感器在运动时进行航位推算,具有计算速度快的特点,同时无线信号特征在静止状态介入,有效地修正了航位推算的累计误差,两个系统结合保证了系统的准确性、定位的精度和运算的速度,同时通过对移动和静止两种状态的定位来对定位数据集进行整合。通过结合航位推算和无线信号特征值的优势,不仅规避了 RFID测量距离短的缺点,同时也最小化了航位推算带来的累积误差。
附图说明
[0036] 图I为本发明定位方法的流程图;
[0037] 图2为本发明适应性步长算法的流程图;
[0038] 图3为本发明系统的结构示意图。
具体实施方式
[0039] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0040] 实施例
[0041] 如图I所示,一种基于惯性传感器与无线信号特征的室内定位方法,该方法包括以下步骤:[0042] I)采用无线信号特征方法初始化定位目标在给定空间中的位置,在初始过程中定位目标保持相对静止状态。
[0043] 所述的无线信号特征方法具体为;在给定空间中部署多个无线接收节点,定位目标处于静止状态时,手持设备连续发出一系列定位用的广播包,在无线接收节点将产生实时的RSSI概率分布,将该概率分布与预先存储的RSSI概率分布进行匹配处理,确定定位目标的位置。所述的预先存储的RSSI概率分布根据以下方法获得:离线采集手持设备在给定空间中针对每个无线接收节点的指纹图,对每一个无线节点产生一个在指定RSSI值域上的概率分布。所述的匹配处理指寻找使两个概率分布的统计相似度参数最大化的指纹点,该指纹点即定位目标的位置。所述的统计相似度参数包括Kullback-Leibler divergence等相似度参数。
[0044] 2)检测定位目标的运动状态,如果定位目标处在静止状态,则执行步骤3),如果定位目标处在移动状态,则执行步骤4)。
[0045] 3)采用无线信号特征方法对定位目标进行定位,即步骤I)中所述的方法。
[0046] 4)惯性传感器以上一个静止状态的定位点位为起点产生定位目标的移动轨迹,并将定位目标的位置和移动轨迹实时地显示在手持设备上,同时通过无线网络将实时的位置信息上传到后台处理装置。
[0047] 如图2所示,所述的惯性传感器以上一个静止状态的定位点位为起点产生定位目标的移动轨迹具体为:
[0048] 41)惯性传感器对定位目标的脚步进行检测并记录,判断步频和加速度方差是否超过设定的峰值,若是,则定位目标为跑步模式,若否,则定位目标为走路模式;
[0049] 42)根据定位目标的移动模式实时调整定位目标移动的步长,并检测定位目标移动的步数,根据步长与步数的乘积获得定位目标的位移,并通过航位算法确定定位目标的位置与移动轨迹。
[0050] 步长调整采用的公式为SL = α · f+β · V+Y ,其中,SL为步长,f为步频,V为加速度方差,α、β、Y为可通过线性规划方法得到的参数,在不同移动模式下,参数不同,这也是需要首先通过惯性传感器判断移动模式的原因。
[0051] 所述脚步记录是指通过惯性传感器检测定位目标移动时在前进方向上的加速度值的变化获得,包括通过峰值探测、过零探测和平带探测方法。每一次定位目标在开始走路抬脚的时候和结束走路放下脚的时候,在ζ轴的加速度大小的量都会产生一个类似于正弦波的变化,所以根据惯性传感器ζ轴加速度感应是否开始或者结束了一步。检测定位目标移动的步数的过程中包括判断定位目标是否进行跳跃,若是,则步数不变,这是为了防止定位者跳跃造成两个脚都产生了类似于走路的信号而系统自动认为这是一步。所述的判断定位目标是否进行跳跃的方法为:通过惯性传感器检测定位目标移动时在Z轴方向上连续两个加速度是否在O. 2秒内都出现了类正弦的变化,若是,则定位目标进行跳跃,若否,则定位目标正常走步。
[0052] 如图3所示,一种基于惯性传感器与无线信号特征的室内定位系统,包括手持设备I、后台处理装置2和多个无线接收节点3,所述的手持设备I上设有惯性传感器4,所述的后台处理装置2通过无线网络与惯性传感器4相连,所述的多个无线接收节点3部署在室内空间中。所述的手持设备I为可穿戴式手持设备,可穿戴在定位目标上各部位,通过定位目标移动的航向和位移,采用航位算法得到定位目标在移动时的实时位置。

Claims (9)

1. 一种基于惯性传感器与无线信号特征的室内定位方法,其特征在于,该方法包括以下步骤: 1)采用无线信号特征方法初始化定位目标在给定空间中的位置,在初始过程中定位目标保持相对静止状态; 2)检测定位目标的运动状态,如果定位目标处在静止状态,则执行步骤3),如果定位目标处在移动状态,则执行步骤4); 3)采用无线信号特征方法对定位目标进行定位; 4)惯性传感器以上一个静止状态的定位点位为起点产生定位目标的移动轨迹,并将定位目标的位置和移动轨迹实时地显示在手持设备上,同时通过无线网络将实时的位置信息上传到后台处理装置。
2.根据权利要求I所述的一种基于惯性传感器与无线信号特征的室内定位方法,其特征在于,所述的无线信号特征方法具体为: 在给定空间中部署多个无线接收节点,定位目标处于静止状态时,手持设备连续发出一系列定位用的广播包,在无线接收节点将产生实时的RSSI概率分布,将该概率分布与预先存储的RSSI概率分布进行匹配处理,确定定位目标的位置。
3.根据权利要求2所述的一种基于惯性传感器与无线信号特征的室内定位方法,其特征在于,所述的预先存储的RSSI概率分布根据以下方法获得:离线采集手持设备在给定空间中针对每个无线接收节点的指纹图,对每一个无线节点产生一个在指定RSSI值域上的概率分布。
4.根据权利要求2所述的一种基于惯性传感器与无线信号特征的室内定位方法,其特征在于,所述的匹配处理指寻找使两个概率分布的统计相似度参数最大化的指纹点,该指纹点即定位目标的位置。
5.根据权利要求I所述的一种基于惯性传感器与无线信号特征的室内定位方法,其特征在于,所述的惯性传感器以上一个静止状态的定位点位为起点产生定位目标的移动轨迹具体为: 41)惯性传感器对定位目标的脚步进行检测并记录,判断步频和加速度方差是否超过设定的峰值,若是,则定位目标为跑步模式,若否,则定位目标为走路模式; 42)根据定位目标的移动模式实时调整定位目标移动的步长,并检测定位目标移动的步数,根据步长与步数的乘积获得定位目标的位移,并通过航位算法确定定位目标的位置与移动轨迹。
6.根据权利要求5所述的一种基于惯性传感器与无线信号特征的室内定位方法,其特征在于,所述的检测定位目标移动的步数的过程中包括判断定位目标是否进行跳跃,若是,则步数不变。
7.根据权利要求6所述的一种基于惯性传感器与无线信号特征的室内定位方法,其特征在于,所述的判断定位目标是否进行跳跃的方法为;通过惯性传感器检测定位目标移动时在z轴方向上连续两个加速度是否在O. 2秒内都出现了类正弦的变化,若是,则定位目标进行跳跃,若否,则定位目标正常走步。
8. —种如权利要求2所述的基于惯性传感器与无线信号特征的室内定位系统,其特征在于,包括手持设备、后台处理装置和多个无线接收节点,所述的手持设备上设有惯性传感器,所述的后台处理装置通过无线网络与惯性传感器相连,所述的多个无线接收节点部署在室内空间中。
9.根据权利要求8所述的一种基于惯性传感器与无线信号特征的室内定位系统,其特征在于,所述的手持设备为可穿戴式手持设备。
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