CN105091881A - 一种带有静止状态检测的无线传感网室内定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明采用的一种带有静止状态检测的无线传感网室内定位方法。智能终端设备每隔一小段时间向服务器发送设备传感器的数据（包括加速度传感器数据和陀螺仪数据）。服务器接收到加速度传感器数据后，进行静止状态检测，判定待定位人员的运动状态。服务器接收到陀螺仪数据后，进行姿态解算，得到方向余弦矩阵。服务器借助方向余弦矩阵，进行坐标转换，将载体坐标系加速度转换为地理坐标系加速度，进而对地理加速度进行两次积分，获得待定位人员的位置信息。该方法加入静止状态检测，除了智能终端设备和服务器外，无需额外的辅助定位设备，降低了系统定位的开销，提高了定位的精确度。

Description

一种带有静止状态检测的无线传感网室内定位方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别涉及一种带有静止状态检测的无线传感网室内定位方法。

背景技术

全球定位系统(GPS，GlobalPositioningSystem)的应用十分广泛。运用GPS信号可以进行海、空和陆地的定位与导航。GPS能够为用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息，不过它有两个很明显的缺陷，其一是GPS接收机价格昂贵，其二是室内GPS信号微弱，定位精度差甚至无法定位。

室内定位是指在室内环境中采用无线电通信、惯性导航等多种技术形成的一套室内位置定位体系对人员进行定位。

室内定位技术主要有两种实现方法。一种是基于红外线(IR，Infra-Red)的方法，虽然具有相对较高的的室内定位精度，但是需要预先布置好多个红外收发装置，导致总体造价较高；还有一种是基于无线电射频(RF，RadioFrequency)的方法，虽然传输范围大、鲁棒性较强，但是需要智能终端、服务器之外的辅助定位设备，系统开销比较大。

近年来，随着传感器价格的持续走低，大多数智能终端设备集成了多种传感器。常用的传感器有加速度传感器(accelerometer)、陀螺仪传感器(gyroscope)、环境光照传感器(light)、磁力传感器(magneticfield)、方向传感器(orientation)、压力传感器(pressure)、距离传感器(proximity)、温度传感器(temperature)等。其中陀螺仪、指南针、加速度计，可以用在惯性导航系统中计算人员的位置。因此，考虑到这些囚素，惯性导航系统被应用于室内定位。系统只要知道用户的初始位置，用户随后的运动位置可以通过多种传感器数据融合计算得到。

惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，利用惯性元件(加速度计和陀螺仪)来测量载体本身的加速度和角速度，经积分运算得到载体位置和姿态等导航信息。平台式惯性导航系统是将惯性敏感元件安装在惯性平台上，以平台坐标系为基准测量载体运动参数的惯性导航系统；捷联式惯性导航系统是将惯性元件直接安装在载体上，直接承受载体运动，不再需要稳定平台和常平架系统的惯性导航系统。在捷联惯导系统中，用服务器来完成导航平台的功能，以数学平台代替了平台惯导系统中的物理平台。

发明内容

技术问题：针对现有技术的缺陷，提供一种带有静止状态检测的无线传感网室内定位方法，提高人员定位的精确度。

技术方案：

待定位人员手持智能终端设备移动，设备每隔一小段时间读取并向服务器发送一次设备加速度传感器、陀螺仪的数据。

服务器接收到加速度传感器数据后，进行静止状态检测，包括以下三个小步骤：

(1)每隔一小段时间计算一次沿智能终端设备x轴、y轴、z轴的加速度传感器数值的平方和(其平方根值记为a′)。

(2)若a′与重力加速度(记为g)的差的绝对值小于阈值(记为ε)，则认为待定位人员处于静止状态或者匀速运动状态。

(3)若连续N次测得a′与g的差的绝对值小于ε，则认为待定位人员处于静止状态。

服务器接收到陀螺仪数据后，通过计算姿态微分方程，实时求解出载体坐标系到地理坐标系的方向余弦矩阵。

借助方向余弦矩阵，把沿智能终端设备各轴上加速度分量转换到地理坐标系中，得到地理加速度。

对地理加速度进行积分，得到地理速度，再对地理速度进行积分，获得待定位人员的位置信息。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

有益效果：采用一种带有静止状态检测的无线传感网室内定位方法，除了智能终端设备和服务器外，无需额外的定位设备，降低了定位的开销，提高了定位的精确度。

附图说明

图1带有静止状态检测的无线传感网室内定位方法示意图。

图2静止状态检测示意图。

具体实施方式

对带有静止状态检测的无线传感网室内定位方法进行实施，具体流程如下：

准备工作：待定位人员手持智能终端设备，处于静止状态；待定位人员开始运动，同时智能终端设备每隔0.05秒读取并向服务器发送一次加速度传感器、陀螺仪的数据。

服务器接收到加速度传感器数据(ax，ay，az)后，进行静止状态检测。包括以下三个小步骤：

(1)初始化计数器次数i为零，计算

(2)判断是否成立，如果成立，则i加1，且认为人员处于静止或者匀速运动状态。如果不成立，则重置i为0。这里，g为重力加速度，与纬度相关；ε为阈值，为了减小误差，建议取作0.1。

(3)如果连续N次测得(2)中不等式成立，此时i＝N，则认为待定位人员处于静止状态。这里，为了保证待定位人员运动状态判定的准确度，建议取作5。

方向余弦矩阵求解：

服务器获取到陀螺仪角度数据γ、ψ、θ后，通过计算姿态微分方程，实时求解出载体坐标系到导航坐标系的方向余弦矩阵，记为如下所示：

${\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}cos\mathrm{\ψ}-\sin \mathrm{\γ}sin\mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\γ}sin\mathrm{\ψ}+\sin \mathrm{\γ}cos\mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\γ}cos\mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\γ}cos\mathrm{\θ}& cos\mathrm{\ψ}cos\mathrm{\θ}& sin\mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\γ}cos\mathrm{\ψ}+\cos \mathrm{\γ}sin\mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\γ}sin\mathrm{\ψ}-\cos \mathrm{\γ}cos\mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]}^T$

坐标变换：利用方向余弦矩阵，将载体坐标系加速度(ax，ay，az)转换为地理坐标系加速度(ax′，ay′，az′)。转换公式如下：

$\left[\begin{array}{c}a{x}^{\′}\\ a{y}^{\′}\\ a{z}^{\′}\end{array}\right]={\[C_n^b\]}^{-1}\left[\begin{array}{c}ax\\ ay\\ az\end{array}\right]$

对地理加速度进行积分，得到地理速度，对地理速度进行积分，得到运动人员的位置信息。

Claims (3)

1.一种带有静止状态检测的无线传感网室内定位方法，其特征在于：

S1：智能终端设备读取并向服务器发送设备传感器数据；

S2：静止状态检测判定待定位人员的运动状态；

S3：姿态解算求解方向余弦矩阵；

S4：坐标变换求解地理加速度；

S5：对地理加速度进行两次积分，获得待定位人员的位置信息。

2.如权利要求1所述的带有静止状态检测的无线传感网室内定位方法，所述步骤S2进一步包括：服务器接收到智能终端设备发送的加速度传感器数据后，计算沿智能终端设备x轴、y轴、z轴的加速度数值的平方和(其平方根值记为a′)，如果a′与重力加速度的差的绝对值小于阈值，则认为人员处于静止状态或者匀速运动状态。

3.如权利要求1所述的带有静止状态检测的无线传感网室内定位方法，所述步骤S2进一步包括：如果连续N次测得a′与重力加速度的差的绝对值小于阈值，则认为待定位人员处于静止状态。