CN105180945A - 一种基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的方法和系统，其中方法包括步骤S1，采集室内运动过程中产生的加速度数据和方向角数据；步骤S2，对所述加速度数据进行预处理，得到线性加速度数据；步骤S3，将所述线性加速度数据和所述方向角数据进行融合分析，得到方向坐标室内运动轨迹；步骤S4，将所述方向坐标室内运动轨迹转换为经纬度坐标室内运动轨迹。本发明通过对移动智能终端配备加速度传感器模块和方向传感器模块，并对采集的数据进行预处理与融合分析，最终重构出运动轨迹，具有低成本、高实时性、易实现的特点。

Description

一种基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的方法和系统

技术领域

本发明涉及室内定位与导航领域，尤其涉及一种基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的方法和系统。

背景技术

随着无线通信网络技术的快速发展，包括智能手机在内的移动智能终端正逐渐深入社会生活的各个层面，导航与移动智能终端也在进行紧密的结合，GPS卫星定位与导航已经成为现在移动智能终端的基本配置和功能，而且借助2G和3G通信网络，可以方便用户进行户外的定位，便捷了用户出行。

但目前移动智能终端的导航功能大部分是户外导航，即通过终端中的GPS模块或通信网络辅助定位来获取位置信息，其主要弊端是由于其卫星信号及精度等问题不能进行室内的定位与导航，而大型公共场所的室内定位与导航技术对于公共安全、商业应用以及军事应用等都具有重要应用意义与广阔的研究前景，因此，室内定位与导航技术已成为科研工作者日益重视的热点研究领域。

国外在室内定位与导航技术方面的研究开展的比较早，但实际的使用还在进一步探索和实验当中。国内还没有大规模的进行室内导航的研究。目前室内定位与导航技术领域的主要研究方向如下：

(1)蓝牙技术：现在大部分的移动智能终端都集成了蓝牙模块。通过蓝牙进行定位及导航需要移动智能终端开启蓝牙并和其他蓝牙设备组成一个蓝牙局域网，局域网内的蓝牙设备进行通信并交换数据来进行定位与导航，易用性非常方便。该技术的优点是不受建筑物外壁的阻碍，但是在复杂的环境中蓝牙信号容易受噪声的干扰；

(2)射频技术：射频识别技术是利用射频通信实现非接触自动识别技术以达到识别和定位的目的。它的优点是定位精确度很高，传输范围有保障，设备体积比较小，造价比较低，成本不高。它的缺点是作用范围较为固定，范围较小，没有通信能力，最主要的是它和其他技术不能很好地整合在一起；

(3)WiFi技术：无线局域网络(WLAN)是当今最流行的一种无线通信技术。WiFi定位采用了一种名为三角定位的原理，也就是通过三个无线网络节点与移动智能终端进行无线网络信号的交换来判别移动智能终端在室内所处的位置。它与无线网络节点的数量有密切关系，当其分布越密集，定位就越精确；

(4)ZigBee技术：ZigBee是一种低成本、短距离和低速率的无线网络技术。它通过在小的局域网内组建ZigBee网络，形成一个自组织网络系统，各个节点互相通信并交换信息来进行定位与导航。它采用的是一些无线传感器，只需要很少的能量，而且通信效率非常高，所以它是一种低功率和低成本的技术。

除了以上提供的定位与导航技术，还有基于磁场的技术等。目前，已经开始初步应用的是Google、NOKIA和富士通对于室内定位和成果导航系统的研究，Google获得室内楼层的详细资料后，通过WIFI等设备获取用户在室内的位置进行导航；诺基亚的位置拓展协议(LocationExtensionProtocol)利用分布在室内空间上方(例如天花板)的定位发射器和蓝牙相连，运用和GPS类似的三角定位办法，移动智能终端就能在室内被精确定位；富士通则通过一个名为UWB(UltraWideband，译为：超宽带)的技术来实现，UWB技术是由一台ControlPC(控制机)来控制，这台PC机由UWB定位系统和地图软件组成，可以定位室内的每一个角落，用户通过移动智能终端访问该系统然后选择去向，系统收到信息并反馈给用户行走路线。

但上述三种定位与导航都有明显的缺点：Google地图需要依赖WIFI网络；NOKIA室内地图基于蓝牙开发，容易受到室内噪声的干扰；而富士通的软件则依赖于基站网络，并且需要一台ControlPC的配合。

综上所述，目前的室内定位与导航技术方法由于硬件依赖、精度不足等不同原因都存在其各自的局限性，无法大范围推广应用。

本发明的主要工作是将智能手机所配备的惯性传感单元数据在运动过程中所产生的数据进行预处理与融合分析，最终重构出运动轨迹并通过与实际轨迹进行比对给出误差分析与可行性分析。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种易实现、高实时性以及低成本的基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的方法和系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的方法，包括以下步骤：

步骤S1，采集室内运动过程中产生的加速度数据和方向角数据；

步骤S2，对所述加速度数据进行预处理，得到线性加速度数据；

步骤S3，将所述线性加速度数据和所述方向角数据进行融合分析，得到方向坐标室内运动轨迹；

步骤S4，将所述方向坐标室内运动轨迹转换为经纬度坐标室内运动轨迹。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步地，步骤S2包括以下步骤：

步骤S21，使用高通滤波器对加速度数据进行滤波处理，得到总加速度；

步骤S22，剔除总加速度中的重力加速度，得到第一加速度；

步骤S23，使用低通滤波器对第一加速度进行滤波处理，得到线性加速度。

进一步地，步骤S3包括以下步骤：

步骤S31，根据线性加速度计算每次采样间隔内的位移；

步骤S32，根据每次采样间隔内的位移与方向角数据，得出方向坐标室内运动轨迹；所述方向坐标室内运动轨迹构建在方向二维平面坐标系上，其纵轴的正方向为北，纵轴的负方向为南，横轴的正方向为东，横轴的负方向为西，所述方向坐标室内运动轨迹中的每个点的横坐标值和纵坐标值分别表示在横轴上的位移和在纵轴上的位移，且坐标(0,0)点为方向坐标室内运动轨迹的起始点。

进一步地，所述经纬度坐标室内运动轨迹构建在地理坐标系上，所述地理坐标系为经纬度二维平面坐标系，其横轴和纵轴分别表示经度和纬度。

进一步地，所述经纬度坐标室内运动轨迹的起始点的经纬度值需要由GPS获取。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的系统，包括加速度传感器模块、方向传感器模块、预处理模块、融合分析模块和轨迹转换模块；

所述加速度传感器模块用于采集室内运动过程中产生的加速度数据；

所述方向传感器模块用于采集室内运动过程中产生的方向角数据；

所述预处理模块用于对所述加速度数据进行预处理，得到线性加速度数据；

所述融合分析模块用于将所述线性加速度数据和所述方向角数据进行融合分析，得到方向坐标室内运动轨迹；

所述轨迹转换模块用于将所述方向坐标室内运动轨迹转换为经纬度坐标室内运动轨迹。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步地，所述预处理模块包括高通滤波处理单元、重力加速度剔除单元和低通滤波处理单元；

所述高通滤波处理单元用于使用高通滤波器对加速度数据进行滤波处理，得到总加速度；

所述重力加速度剔除单元用于剔除总加速度中的重力加速度，得到第一加速度；

所述低通滤波处理单元用于使用低通滤波器对第一加速度进行滤波处理，得到线性加速度。

进一步地，所述融合分析模块包括位移计算单元和方向坐标室内运动轨迹生成单元；

所述位移计算单元用于根据线性加速度计算每次采样间隔内的位移；

所述方向坐标室内运动轨迹生成单元用于根据每次采样间隔内的位移与方向角数据，得出方向坐标室内运动轨迹；所述方向坐标室内运动轨迹构建在方向二维平面坐标系上，其纵轴的正方向为北，纵轴的负方向为南，横轴的正方向为东，横轴的负方向为西，所述方向坐标室内运动轨迹中的每个点的横坐标值和纵坐标值分别表示在横轴上的位移和在纵轴上的位移，且坐标(0,0)点为方向坐标室内运动轨迹的起始点。

进一步地，所述加速度传感器模块为三轴加速度计。

进一步地，所述经纬度坐标室内运动轨迹构建在地理坐标系上，所述地理坐标系为经纬度二维平面坐标系，其横轴和纵轴分别表示经度和纬度；所述经纬度坐标室内运动轨迹的起始点的经纬度值需要由GPS获取。

本发明的有益效果是：本发明通过对移动智能终端配备加速度传感器模块和方向传感器模块，并对采集的数据进行预处理与融合分析，最终重构出运动轨迹，具有低成本、高实时性、易实现的特点。

附图说明

图1为本发明实施例一所述基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的方法流程图；

图2为本发明实施例一中当移动智能终端为手机时的三维坐标系示意图；

图3为具体实例中相对位置定位原理图；

图4为本发明实施例二所述基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的系统结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的方法，包括以下步骤：

步骤S1，采集室内运动过程中产生的加速度数据和方向角数据。

现有的移动智能终端中基本上都配备有加速度传感器模块和方向传感器模块。这里所说的移动智能终端包括手机、PAD、电脑等。在使用安卓系统的手机时，安卓系统由于其开源性，程序开发人员可以通过编写APP来实现所需传感器的功能，即可以构建加速度传感器模块和方向传感器模块。

用户持移动智能终端在室内运动的过程中，加速度传感器模块用于采集加速度数据，方向传感器模块用于采集方向角数据，这里所说的运动一般是指水平运动。其中，加速度数据和方向角数据的采集频率可以根据需要设定。

步骤S2，对所述加速度数据进行预处理，得到线性加速度数据。

步骤S2包括以下步骤：

步骤S21，使用高通滤波器对加速度数据进行滤波处理，得到总加速度。

一般移动智能终端中的加速度传感器模块采集到的加速度数据为三维坐标系中的三个轴上的加速度，在具体实施例中，加速度传感器模块可以为三轴加速度计，采用三维坐标系，当移动智能终端为手机时，建立的三维坐标系如图2所示，使用三轴加速度计得到的加速度数据包括x轴、y轴和z轴上的加速度，使用高通滤波器对加速度数据进行滤波处理，用acc_x、acc_y和acc_z分别表示经过高通滤波器滤波处理后的x轴、y轴以及z轴上的加速度，用accl表示总加速度，则有

$accl=\sqrt{{(acc\_x)}^2+{(acc\_y)}^2+{(acc\_z)}^2}$

步骤S22，剔除总加速度中的重力加速度，得到第一加速度。

用accl_avg表示重力加速度，则有

accl_avg＝accl*0.1+accl_avg*0.9

用accl_hp表示第一加速度，则有

accl_hp＝accl-accl_avg

步骤S23，使用低通滤波器对第一加速度进行滤波处理，得到线性加速度。

用accl_lp表示线性加速度，使用窗口滑动实现低通滤波，则有

${\mathrm{accl}}_{lp}\[i\]=\frac{1}{M}*{\mathrm{\Σ}}_{j=-\frac{M-1}{2}}^{\frac{H-1}{2}}{\mathrm{accl}}_{hp}\[i+j\]$

其中M表示滑动窗口长度，M的取值可以根据需要确定，在具体的实施例中，M的值可为3；i表示第i个数据，且i为大于等于2的整数，步骤S1中多次采集室内运动过程中产生的加速度数据和方向角数据，则i次采集就会得到i个线性加速度，accl_lp[i]表示第i个线性加速度，accl_hp[i+j]表示第i+j个第一加速度，j为求和函数的上下限，取值为-1、0或1，j＝-1时，accl_hp[i+j]为accl_hp[i-1]，j＝0时，accl_hp[i+j]为accl_hp[i]，j＝1时，accl_hp[i+j]为accl_hp[i+1]，分别表示第i-1个第一加速度、第i个第一加速度和第i+1个第一加速度。由上述公式可知，第i个线性加速度为第i-1个第一加速度、第i个第一加速度和第i+1个第一加速度相加然后求均值。使用低通滤波器进行滤波处理，能够平滑加速度波形，方便检测。

步骤S2通过预处理，剔除了重力加速度，减小了噪声对数据的影响。

步骤S3，将所述线性加速度数据和所述方向角数据进行融合分析，得到方向坐标室内运动轨迹。

步骤S3包括以下步骤：

步骤S31，根据线性加速度计算每次采样间隔内的位移。

所述采样间隔是指步骤S1中每一次采集室内运动过程中产生的加速度数据和方向角数据与下一次采集之间的间隔；用s表示每次采样间隔内的位移，则有

$s=v_0*t+\frac{1}{2}{\mathrm{accl}}_{lp}*t^2$

其中，v₀表示每次采样间隔中运动的初始速度，可以通过测量得到，t表示每次采样间隔的时间。

步骤S32，根据每次采样间隔内的位移与方向角数据，得出方向坐标室内运动轨迹。

所述方向坐标室内运动轨迹构建在方向二维平面坐标系上，其纵轴的正方向为北，纵轴的负方向为南，横轴的正方向为东，横轴的负方向为西，所述方向坐标室内运动轨迹中的每个点的横坐标值和纵坐标值分别表示在横轴上的位移和在纵轴上的位移。

智能移动终端中的方向传感器模块一般为O-sensor，方向传感器模块返回三轴的角度数据可以通过对磁场传感器数据与电子罗盘数据计算得出，方向角数据的单位是角度。方向传感器模块提供三个数据，分别为azimuth、pitch和roll。

其中azimuth表示水平运动时磁北极和y轴的夹角，范围为0°至360°，其中为0°时表示y轴为北，90°时表示y轴为东，180°时表示y轴为南，270°时表示y轴为西。

Pitch表示x轴和水平面的夹角，范围为-180°至180°，当z轴向y轴转动时，角度为正值；

Roll表示y轴和水平面的夹角，范围为-90°至90°。

本发明中，我们为获取在水平位置上移动智能终端方位角随持有者运动的角度变化，须采集其方向传感器模块中的azimuth数据，即水平时磁北极和Y轴的夹角。

图3为具体实例中相对位置定位原理图。

如图3所示，坐标轴的N、E分别表示方向二维平面坐标系的北和东方向。假设第n-1次采样时运动体处于P_n-1处，P_n-1的坐标值为(E_n-1，N_n-1)，其中n＞1，经历一次采样间隔后，可以通过上述方法计算出运动体的位移为d，使用方向传感器模块可以得到运动体位于P_n-1处时，与横轴正方向也就是东的夹角为α，因此运动体第n次采样时的位置坐标P_n(E_n，N_n)和P_n-1(E_n-1，N_n-1)两点之间的关系如公式所示：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_n=E_{n-1}+d*cos\mathrm{\α}\\ N_n=N_{n-1}+d*\sin \mathrm{\α}\end{array}\right.$

因此运动体第n次采样时的位置坐标P_n+1(E_n+1，N_n+1)可以通过上面的方法计算出来。

在方向二维平面坐标系中，选择坐标(0,0)点为方向坐标室内运动轨迹的起始点，在已知起始坐标位置的情况下，通过测量和计算运动体移动的距离和方向，可实时获取运动体在每次采样时的位置坐标，从而重构出方向坐标室内运动轨迹。

步骤S4，将所述方向坐标室内运动轨迹转换为经纬度坐标室内运动轨迹。

所述经纬度坐标室内运动轨迹构建在地理坐标系上，所述地理坐标系为经纬度二维平面坐标系，其横轴和纵轴分别表示经度和纬度，所述经纬度坐标室内运动轨迹的起始点的经纬度值需要由GPS获取。

通过步骤S3重构出的轨迹是按照牛顿动力学在平面坐标系下分析得出的，其运动位移单位为米，而由GPS获取的实际轨迹是在地理坐标下的，即坐标值分别为经度和纬度，因此需要将运动轨迹转换至地理坐标下以便观察重构结果。另外，严格来讲，由于地球表面为球形，由方向二维平面坐标系转换至地理坐标系需考虑球面弧度等因素，但由于本发明应用场景基本为地面大型室内场所，相对于地球表面积而言可忽略不计，因此在此处默认地理坐标系也为二维平面。

根据地理坐标系定义，纬度1度约为111千米，但经度的每个度的距离从0至111千米不等，其距离随当前纬度变化而变化，等于111千米乘以当前所在纬度的余弦值，因此转换至方法如下:

在具体实施例中，假设已知方向二维平面坐标系中的两点的坐标分别为(A,B)和(C,D)，则其地理坐标系转换公式如下：

其中cosa为当前所在纬度数的余弦值，Δ_纬度数与Δ_经度数为两点之间经纬度之差，即若已知起始点的经纬度，则可求得下一点经纬度，进而求得所有点的经纬度，最终构建出经纬度坐标室内运动轨迹。在本例中，经纬度坐标室内运动轨迹的起始点的经纬度值由GPS获取。

图4为本发明实施例二所述基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的系统结构图。

对照上述一种基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的方法，可以得到技术特征一一对应的一种基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的系统，如图4所示，所述系统包括加速度传感器模块、方向传感器模块、预处理模块、融合分析模块和轨迹转换模块；所述加速度传感器模块用于采集室内运动过程中产生的加速度数据；加速度传感器模块可以为三轴加速度计。所述方向传感器模块用于采集室内运动过程中产生的方向角数据；所述预处理模块用于对所述加速度数据进行预处理，得到线性加速度数据；所述融合分析模块用于将所述线性加速度数据和所述方向角数据进行融合分析，得到方向坐标室内运动轨迹；所述轨迹转换模块用于将所述方向坐标室内运动轨迹转换为经纬度坐标室内运动轨迹。

预处理模块包括高通滤波处理单元、重力加速度剔除单元和低通滤波处理单元；所述高通滤波处理单元用于使用高通滤波器对加速度数据进行滤波处理，得到总加速度；所述重力加速度剔除单元用于剔除总加速度中的重力加速度，得到第一加速度；所述低通滤波处理单元用于使用低通滤波器对第一加速度进行滤波处理，得到线性加速度。

融合分析模块包括位移计算单元和方向坐标室内运动轨迹生成单元；所述位移计算单元用于根据线性加速度计算每次采样间隔内的位移；所述方向坐标室内运动轨迹生成单元用于根据每次采样间隔内的位移与方向角数据，得出方向坐标室内运动轨迹。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例一”、“实施例二”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体方法、装置或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、方法、装置或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，采集室内运动过程中产生的加速度数据和方向角数据；

步骤S2，对所述加速度数据进行预处理，得到线性加速度数据；

步骤S3，将所述线性加速度数据和所述方向角数据进行融合分析，得到方向坐标室内运动轨迹；

步骤S4，将所述方向坐标室内运动轨迹转换为经纬度坐标室内运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：

步骤S21，使用高通滤波器对加速度数据进行滤波处理，得到总加速度；

步骤S22，剔除总加速度中的重力加速度，得到第一加速度；

步骤S23，使用低通滤波器对第一加速度进行滤波处理，得到线性加速度。

3.根据权利要求2所述的基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的方法，其特征在于，步骤S3包括以下步骤：

步骤S31，根据线性加速度计算每次采样间隔内的位移；

步骤S32，根据每次采样间隔内的位移与方向角数据，得出方向坐标室内运动轨迹；所述方向坐标室内运动轨迹构建在方向二维平面坐标系上，其纵轴的正方向为北，纵轴的负方向为南，横轴的正方向为东，横轴的负方向为西，所述方向坐标室内运动轨迹中的每个点的横坐标值和纵坐标值分别表示在横轴上的位移和在纵轴上的位移，且坐标(0,0)点为方向坐标室内运动轨迹的起始点。

4.根据权利要求1所述的基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的方法，其特征在于，所述经纬度坐标室内运动轨迹构建在地理坐标系上，所述地理坐标系为经纬度二维平面坐标系，其横轴和纵轴分别表示经度和纬度。

5.根据权利要求1所述的基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的方法，其特征在于，所述经纬度坐标室内运动轨迹的起始点的经纬度值需要由GPS获取。

6.一种基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的系统，其特征在于，包括加速度传感器模块、方向传感器模块、预处理模块、融合分析模块和轨迹转换模块；

所述加速度传感器模块用于采集室内运动过程中产生的加速度数据；

所述方向传感器模块用于采集室内运动过程中产生的方向角数据；

所述预处理模块用于对所述加速度数据进行预处理，得到线性加速度数据；

所述融合分析模块用于将所述线性加速度数据和所述方向角数据进行融合分析，得到方向坐标室内运动轨迹；

所述轨迹转换模块用于将所述方向坐标室内运动轨迹转换为经纬度坐标室内运动轨迹。

7.根据权利要求6所述的基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的系统，其特征在于，所述预处理模块包括高通滤波处理单元、重力加速度剔除单元和低通滤波处理单元；

所述高通滤波处理单元用于使用高通滤波器对加速度数据进行滤波处理，得到总加速度；

所述重力加速度剔除单元用于剔除总加速度中的重力加速度，得到第一加速度；

所述低通滤波处理单元用于使用低通滤波器对第一加速度进行滤波处理，得到线性加速度。

8.根据权利要求7所述的基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的系统，其特征在于，所述融合分析模块包括位移计算单元和方向坐标室内运动轨迹生成单元；

所述位移计算单元用于根据线性加速度计算每次采样间隔内的位移；

所述方向坐标室内运动轨迹生成单元用于根据每次采样间隔内的位移与方向角数据，得出方向坐标室内运动轨迹；所述方向坐标室内运动轨迹构建在方向二维平面坐标系上，其纵轴的正方向为北，纵轴的负方向为南，横轴的正方向为东，横轴的负方向为西，所述方向坐标室内运动轨迹中的每个点的横坐标值和纵坐标值分别表示在横轴上的位移和在纵轴上的位移，且坐标(0,0)点为方向坐标室内运动轨迹的起始点。

9.根据权利要求6所述的基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的系统，其特征在于，所述加速度传感器模块为三轴加速度计。

10.根据权利要求6所述的基于移动智能终端的室内运动轨迹重构的系统，其特征在于，所述经纬度坐标室内运动轨迹构建在地理坐标系上，所述地理坐标系为经纬度二维平面坐标系，其横轴和纵轴分别表示经度和纬度；所述经纬度坐标室内运动轨迹的起始点的经纬度值需要由GPS获取。