CN103591959A - 室内人员的定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种室内人员的定位方法，其具体步骤是：a、采用步频步幅法对室内人员的平面位置进行定位；b、采用时频转换积分法对室内人员的平面位置进行定位；c、由CPU实时读取气压高度传感器检测到人员位置的海拔高度值Zi，d、对步骤a和步骤b得到的人员位置结果进行融合；最后，结合步骤c得到的室内人员在第i时刻的海拔高度位置Zi，得出室内人员在第i时刻的三维空间位置（Xi，Yi，Zi）并作为三维空间的定位结果，实现了对室内人员的定位。本发明利用传感器实时测量气压、运动加速度，方位角等数据实时测算出人员的位置信息，不仅定位精度高，而且可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种定位方法，具体涉及一种采用复合步频步幅法和时频转换积分法对室内人员的定位方法。
背景技术
目前的室内人员的定位方法有很多种，例如，基于WIFI信号场强的定位，基于声场的定位、基于惯性的定位，基于TOA（time of arrival）的定位，但上述的定位均存在一些问题。例如，基于TOA的定位是通过测量节点电波的传播时间来进行定位，这种定位方法，不仅要求有基站，而且基站之间要严格同步，但是在室内多径干扰严重，定位累计误差较大，使得定位的精确度差；基于WIFI定位，WIFI信号在室内易受干扰，而影响定位效果；基于惯性定位，该方法定位是单纯的对加速度积分推算位置的方法累积误差大；基于声场的定位，它是在噪声较大的环境下无法定位；还有单纯的步长步频推算位置，在步频信息无法提取的情况下就无法定位。
发明内容
本发明的目的是：提供一种利用传感器实时测量气压、运动加速度，方位角等数据实时测算出室内人员的位置信息的室内人员的定位方法，不仅定位精度高，而且可靠性高，以克服现有技术的不足。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种室内人员的定位方法，其创新点在于：其具体步骤是：
a、采用步频步幅法对室内人员的平面位置进行定位；
由第一CPU实时读取第一地磁场传感器检测到的室内人员的方位角θ1、θ2、θ3…θk-1、θk、θk+1所述方位角是正东方向向北偏移的角度，其中，k为正整数；
由第一CPU实时读取第一惯性传感器检测到室内人员的垂直方向的加速度值a1、a2、a3…ak-1、ak、ak+1，并对检测到的加速度值a1、a2、a3…ak-1、ak、ak+1进行FIR滤波，计算出加速度0点间的时间间隔T，为室内人员行走半步所用的时间，室内人员行走的步频F=1/2T，而所述加速度0点指的是，若ak-1 *ak+1＜0且ak =0，称ak为加速度0点，而步频F和步幅S的关系如表达式表达式（1-1）、（1-2）和（1-3）所示：
S=K1 （0<F<1.35） （1-1）
S=K2*F-K3 （1.35<F<0.17） （1-2）
S=K4 （2.45<F<+∞） （1-3）
其中，K1，K2，K3，K4是常数；
若室内人员的平面起始位置为 
，则室内人员在第i时刻的平面位置为
且如表达式（2）所示：
其中，
是室内人员行走的第k步的方位角，Sk是室内人员行走的第k步的步幅；
b、采用时频转换积分法对室内人员的平面位置进行定位；
由第二CPU实时读取第二地磁场传感器检测到的室内人员的方位角θ1、θ2、θ3…θm-1、θm，所述方位角是正东方向向北偏移的角度，其中，m为正整数；
由第二CPU读取第二惯性传感器检测到室内人员的水平方向的加速度值A1、A2、A3…Am-1、Am，并对加速度值A1、A2、A3…Am-1、Am进行防脉冲干扰滤波，得到防脉冲干扰滤波后的加速度值A1’、A2’、A3’…Am-1’、Am’，然后在时域里对加速度值A1’、A2’、A3’…Am-1’、Am’进行二次积分，而时域的二次积分是转换为频域得到的，即时域的二次积分得到的结果为室内人员的行走距离，即室内人员的行走距离为d1、d2、d3…dm-1、dm，
若室内人员的平面起始位置为，则室内人员在第i时刻的平面位置为
且如表达式（3）所示：
其中，θm是室内人员行走第m步的方位角，dm是第m次推算出的室内人员行走的距离；
c、由CPU实时读取气压高度传感器检测到室内人员在第i时刻的海拔高度位置Zi；
d、对步骤a和步骤b的平面定位结果进行融合；
若室内人员在第i时刻的步态不明显，即无法计算出加速度0点，而室内人员确实在移动，则以步骤b得到的平面位置作为室内人员在第i时刻的平面定位结果；
若室内人员在第i时刻的步态明显，即算出加速度0点，且步骤a和步骤b的平面位置相差小于0.1米时，则算出步骤a得到的平面位置和步骤b得到的平面位置的均值作为室内人员在第i时刻的平面定位结果；
若室内人员在第i时刻的步态明显，即算出加速度0点，且步骤a和步骤b的平面位置相差大于0.1米时，则以步骤b得到的平面位置作为室内人员在第i时刻的平面定位结果；
最后，结合步骤c得到的室内人员在第i时刻的海拔高度位置Zi，得出室内人员在第i时刻的三维空间位置（Xi，Yi，Zi）并作为三维空间的定位结果，实现了对室内人员的定位。
在上述技术方案中，所述步骤b中，在时域里对加速度值A1’、A2’、A3’…Am-1’、Am’进行二次积分的具体步骤是，对加速度值A1’、A2’、A3’…Am-1’、Am’进行傅里叶变换并分别除以（-F1 2）、（-F2 2）、（-F3 2）…（-Fm-1 2）、（-Fm 2），再通过带通滤波器滤波后，再进行傅里叶逆变换得到时域里的距离，也就是室内人员的行走距离d1、d2、d3…dm-1、dm，其中， F1、F2、F3…Fm-1、Fm分别为加速度值A1’、A2’、A3’…Am-1’、Am’经过傅里叶变换后各自的傅立叶分量对应的频率。
在上述技术方案中，所述步骤d中，若室内人员在第i时刻的步态明显，而步骤a中室内人员在第i时刻的平面位置为
，步骤b中室内人员在第i时刻的平面位置为
，且步骤a和步骤b的平面位置和 
相差小于0.1米，则算出步骤a和步骤b的平面位置的均值 （
+
）/2，作为室内人员在第i时刻的平面定位结果。
本发明所具有的积极效果是：由于采用了上述的定位方法后，因此，具有以下的积极效果：
1、本发明可以对人员的任何步态行走方式进行定位，若无法识别出人员的步态时，则以时频转换积分法对室内人员的平面位置进行定位为主，若能够很好地识别出人员的步态，则以步频步幅法对室内人员的平面位置进行定位为主，避免了较大的运算，不仅定位精度高，而且定位时间短；
2、若步频步幅法检测的结果误差较大，则结合时频转换积分法检测的结果进行修正，能够很好地避免测试误差；
3、时频转换积分法采用将传感器信号从时域变换到频域进行计算，避免了时域的累积误差，使得定位精度有了保障；
4、通过复合步频步幅法和时频转换积分法，合理地使用了垂直方向和水平方向上的加速度进行室内人员平面位置的计算，提高了室内人员的定位精度；
5、本发明利用传感器实时测量气压、运动加速度，方位角等数据实时测算出人员位置信息，不仅定位精度高，而且可靠性高。
具体实施方式
以下结合给出的实施例，对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。
一种室内人员的定位方法，其具体步骤是：
a、采用步频步幅法对室内人员的平面位置进行定位；
由第一CPU实时读取第一地磁场传感器检测到的室内人员的方位角θ1、θ2、θ3…θk-1、θk、θk+1所述方位角是正东方向向北偏移的角度，其中，k为正整数；
由第一CPU实时读取第一惯性传感器检测到室内人员的垂直方向的加速度值a1、a2、a3…ak-1、ak、ak+1，并对检测到的加速度值a1、a2、a3…ak-1、ak、ak+1进行FIR滤波，计算出加速度0点间的时间间隔T，为室内人员行走半步所用的时间，室内人员行走的步频F=1/2T，而所述加速度0点指的是，若ak-1 *ak+1＜0且ak =0，称ak为加速度0点，而步频F和步幅S的关系如表达式表达式（1-1）、（1-2）和（1-3）所示：
S=K1 （0<F<1.35） （1-1）
S=K2*F-K3 （1.35<F<0.17） （1-2）
S=K4 （2.45<F<+∞） （1-3）
其中，K1，K2，K3，K4是常数；
若室内人员的平面起始位置为，则室内人员在第i时刻的平面位置为
且如表达式（2）所示：
其中，
是室内人员行走的第k步的方位角，Sk是室内人员行走的第k步的步幅；
b、采用时频转换积分法对室内人员的平面位置进行定位；
由第二CPU实时读取第二地磁场传感器检测到的室内人员的方位角θ1、θ2、θ3…θm-1、θm，所述方位角是正东方向向北偏移的角度，其中，m为正整数；
由第二CPU读取第二惯性传感器检测到室内人员的水平方向的加速度值A1、A2、A3…Am-1、Am，并对加速度值A1、A2、A3…Am-1、Am进行防脉冲干扰滤波，得到防脉冲干扰滤波后的加速度值A1’、A2’、A3’…Am-1’、Am’，然后在时域里对加速度值A1’、A2’、A3’…Am-1’、Am’进行二次积分，而时域的二次积分是转换为频域得到的，即时域的二次积分得到的结果为室内人员的行走距离，即室内人员的行走距离为d1、d2、d3…dm-1、dm，
若室内人员的平面起始位置为
，则室内人员在第i时刻的平面位置为
且如表达式（3）所示：
其中，θm是室内人员行走第m步的方位角，dm是第m次推算出的室内人员行走的距离；
c、由CPU实时读取气压高度传感器检测到室内人员在第i时刻的海拔高度位置Zi；
d、对步骤a和步骤b的平面定位结果进行融合；
若室内人员在第i时刻的步态不明显，即无法计算出加速度0点，而室内人员确实在移动，则以步骤b得到的平面位置作为室内人员在第i时刻的平面定位结果；
若室内人员在第i时刻的步态明显，即算出加速度0点，且步骤a和步骤b的平面位置相差小于0.1米时，则算出步骤a得到的平面位置和步骤b得到的平面位置的均值作为室内人员在第i时刻的平面定位结果；
若室内人员在第i时刻的步态明显，即算出加速度0点，且步骤a和步骤b的平面位置相差大于0.1米时，则以步骤b得到的平面位置作为室内人员在第i时刻的平面定位结果；
最后，结合步骤c得到的室内人员在第i时刻的海拔高度位置Zi，得出室内人员在第i时刻的三维空间位置（Xi，Yi，Zi）并作为三维空间的定位结果，实现了对室内人员的定位。
若反复依次重复步骤a、b、c和d，并将室内人员每次得到的位置信息相结合，便可得到室内人员的行走轨迹。
本发明所述步骤b中，在时域里对加速度值A1’、A2’、A3’…Am-1’、Am’进行二次积分的具体步骤是，对加速度值A1’、A2’、A3’…Am-1’、Am’进行傅里叶变换并分别除以（-F1 2）、（-F2 2）、（-F3 2）…（-Fm-1 2）、（-Fm 2），再通过带通滤波器滤波后，再进行傅里叶逆变换得到时域里的距离，也就是室内人员的行走距离d1、d2、d3…dm-1、dm，其中， F1、F2、F3…Fm-1、Fm分别为加速度值A1’、A2’、A3’…Am-1’、Am’经过傅里叶变换后各自的傅立叶分量对应的频率。
本发明所述步骤d中，若室内人员在第i时刻的步态明显，而步骤a中室内人员在第i时刻的平面位置为
，步骤b中室内人员在第i时刻的平面位置为
，且步骤a和步骤b的平面位置
和 相差小于0.1米，则算出步骤a和步骤b的平面位置的均值 （
+
）/2，作为室内人员在第i时刻的平面定位结果。
本发明的地磁场传感器优先选用由飞思卡尔公司生产，且型号为MAG3110的地球磁场传感器模块；惯性传感器优先选用的是ADI公司出品，型号为ADXL345的惯性传感器；气压温度传感器采用的是由博世公司出品，且型号为的BMP085气压温度传感器，该传感器可以测试大气气温和大气压强等信号，以上为各个传感器优先选用的型号，当然，并不局限于此，也可以采用其它型号的传感器。
本发明利用传感器实时测量气压、运动加速度，方位角等数据实时测算出室内人员的位置信息，不仅定位精度高，而且可靠性高，并且根据室内人员的位置信息得到室内人员的行走轨迹。
Claims (3)
1.一种室内人员的定位方法，其特征在于：其具体步骤是：
a、采用步频步幅法对室内人员的平面位置进行定位；
由第一CPU实时读取第一地磁场传感器检测到的室内人员的方位角θ1、θ2、θ3…θk-1、θk、θk+1所述方位角是正东方向向北偏移的角度，其中，k为正整数；
由第一CPU实时读取第一惯性传感器检测到室内人员的垂直方向的加速度值a1、a2、a3…ak-1、ak、ak+1，并对检测到的加速度值a1、a2、a3…ak-1、ak、ak+1进行FIR滤波，计算出加速度0点间的时间间隔T，为室内人员行走半步所用的时间，室内人员行走的步频F=1/2T，而所述加速度0点指的是，若ak-1 *ak+1＜0且ak =0，称ak为加速度0点，而步频F和步幅S的关系如表达式表达式（1-1）、（1-2）和（1-3）所示：
S=K1 （0<F<1.35） （1-1）
S=K2*F-K3 （1.35<F<0.17） （1-2）
S=K4 （2.45<F<+∞） （1-3）
其中，K1，K2，K3，K4是常数；
若室内人员的平面起始位置为 
，则室内人员在第i时刻的平面位置为
且如表达式（2）所示：
其中，
是室内人员行走的第k步的方位角，Sk是室内人员行走的第k步的步幅；
b、采用时频转换积分法对室内人员的平面位置进行定位；
由第二CPU实时读取第二地磁场传感器检测到的室内人员的方位角θ1、θ2、θ3…θm-1、θm，所述方位角是正东方向向北偏移的角度，其中，m为正整数；
由第二CPU读取第二惯性传感器检测到室内人员的水平方向的加速度值A1、A2、A3…Am-1、Am，并对加速度值A1、A2、A3…Am-1、Am进行防脉冲干扰滤波，得到防脉冲干扰滤波后的加速度值A1’、A2’、A3’…Am-1’、Am’，然后在时域里对加速度值A1’、A2’、A3’…Am-1’、Am’进行二次积分，而时域的二次积分是转换为频域得到的，即时域的二次积分得到的结果为室内人员的行走距离，即室内人员的行走距离为d1、d2、d3…dm-1、dm，
若室内人员的平面起始位置为
，则室内人员在第i时刻的平面位置为
且如表达式（3）所示：
其中，θm是室内人员行走第m步的方位角，dm是第m次推算出的室内人员行走的距离；
c、由CPU实时读取气压高度传感器检测到室内人员在第i时刻的海拔高度位置Zi；
d、对步骤a和步骤b的平面定位结果进行融合；
若室内人员在第i时刻的步态不明显，即无法计算出加速度0点，而室内人员确实在移动，则以步骤b得到的平面位置作为室内人员在第i时刻的平面定位结果；
若室内人员在第i时刻的步态明显，即算出加速度0点，且步骤a和步骤b的平面位置相差小于0.1米时，则算出步骤a得到的平面位置和步骤b得到的平面位置的均值作为室内人员在第i时刻的平面定位结果；
若室内人员在第i时刻的步态明显，即算出加速度0点，且步骤a和步骤b的平面位置相差大于0.1米时，则以步骤b得到的平面位置作为室内人员在第i时刻的平面定位结果；
最后，结合步骤c得到的室内人员在第i时刻的海拔高度位置Zi，得出室内人员在第i时刻的三维空间位置（Xi，Yi，Zi）并作为三维空间的定位结果，实现了对室内人员的定位。
2.根据权利要求1所述的室内人员的定位方法，其特征在于：所述步骤b中，在时域里对加速度值A1’、A2’、A3’…Am-1’、Am’进行二次积分的具体步骤是，对加速度值A1’、A2’、A3’…Am-1’、Am’进行傅里叶变换并分别除以（-F1 2）、（-F2 2）、（-F3 2）…（-Fm-1 2）、（-Fm 2），再通过带通滤波器滤波后，再进行傅里叶逆变换得到时域里的距离，也就是室内人员的行走距离d1、d2、d3…dm-1、dm，其中， F1、F2、F3…Fm-1、Fm分别为加速度值A1’、A2’、A3’…Am-1’、Am’经过傅里叶变换后各自的傅立叶分量对应的频率。
3.根据权利要求1所述的室内人员的定位方法，其特征在于：所述步骤d中，若室内人员在第i时刻的步态明显，而步骤a中室内人员在第i时刻的平面位置为
，步骤b中室内人员在第i时刻的平面位置为
，且步骤a和步骤b的平面位置
和 
相差小于0.1米，则算出步骤a和步骤b的平面位置的均值 （
+
）/2，作为室内人员在第i时刻的平面定位结果。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Cao Yuan Inventor after: Wu Yimeng Inventor before: Cao Yuan |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20171130 Address after: Room 507, 5 floor, No. 99, Zhongshan North Road, Drum Tower District, Nanjing, Jiangsu Patentee after: Nanjing Bauk Intelligent Technology Co.,Ltd. Address before: 200050 Changning District, West Yan'an Road, No. 900, Patentee before: Cao Yuan |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170111 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |