CN105246153A - 一种室内指纹定位数据库高密度快速采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内指纹定位数据库高密度快速采集方法，包括获取单位路径的电子地图坐标；RSSI采集并扫描无线信号发射装置，得到RSSI值并记录；求出每个信号强度的扫描时刻与所有坐标产生时刻之间差的绝对值，找到绝对值最小的那个坐标产生时刻，配对保存为数据库的一条基本数据单元；若数据库中同时有多条RSSI数据对应的电子地图坐标相同，将RSSI取平均值，作为数据库中该电子地图坐标的单元数据。本发明实现了人在连续移动过程中的数据采集，与传统划网格采集方法相比具有信号采集时间快，信号采集密度高的优势，在大大减少了建立数据库时间的同时，提高了数据库的采集密度和定位精度。有益于指纹定位方法的大规模推广。

Description

一种室内指纹定位数据库高密度快速采集方法

技术领域

本发明属于指纹定位技术领域，尤其涉及一种室内指纹定位数据库高密度快速采集方法。

背景技术

传统的基于接收信号强度信息(ReceivedSignalStrengthIndicator,RSSI)的室内指纹定位方法在数据库建立阶段，需要将待定位区域划分为多个已知位置的网格，通过手持设备在网格中进行数据采样，最终将采样数据和采集位置配对存入数据库中。网格的密度很大程度影响了最终的定位精度，密度越大，定位精度越高。

现有技术较高的网格密度却大大增加了建立数据库时间，对后期的数据库更新也造成了困难，使得指纹定位方法在实际应用中具有很强的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种室内指纹定位数据库高密度快速采集方法，旨在解决现有技术较高的网格密度却大大增加了建立数据库时间，对后期的数据库更新也造成了困难，使得指纹定位方法在实际应用中具有很强局限性的问题。

本发明是这样实现的，一种室内指纹定位数据库高密度快速采集方法，所述室内指纹定位数据库高密度快速采集方法包括：

获取单位路径的电子地图坐标；

RSSI采集并扫描无线信号发射装置，得到RSSI值并记录；

求出每个信号强度的扫描时刻与所有坐标产生时刻之间差的绝对值，找到绝对值最小的那个坐标产生时刻，配对保存为数据库的一条基本数据单元；

若数据库中同时有多条RSSI数据对应的电子地图坐标相同，将RSSI取平均值，作为数据库中该电子地图坐标的单元数据。

进一步，所述获取单位路径的电子地图坐标具体包括：

利用惯导设备中的加速度计与陀螺仪进行计步运算，通过条件检测方法，计算出行走的步数和直线长度，并计算每一步的电子地图坐标，记录第k步坐标产生的时刻t_s(k),k＝1,2,...,L，L表示该路径上总的行走步数，k时刻加速度计采集到的三轴加速度值分别为a_k(1)、a_k(2)、a_k(3)，陀螺仪采集到的三轴角速度分别为ω_k(1)、ω_k(2)、ω_k(3)，条件检测方法使用三个条件C₁，C₂和C₃来判断人的脚是否处于静止状态。

进一步，所述条件C₁，C₂和C₃：

条件C₁为加速度大小满足介于两个给定门限之间：

条件C₂为局部加速度方差要大于给定的门限值，

局部加速度方差计算方式为，

${\mathrm{\σ}}_{a_k}^2=\frac{1}{2s+1}\underset{j=k-s}{\overset{k+s}{\Σ}}{(a_k-{\stackrel{\‾}{a}}_k)}^2$

其中是局部平均加速度，计算式为s为均值的窗口长度。

条件C₃为陀螺仪测量值的大小满足低于给定门限：

条件之间是逻辑与的关系，即条件检测结果为C₁&C₂&C₃，条件检测的结果再通过一个窗口长度为11的中值滤波器，输出逻辑“1”表示停止状态，逻辑“0”表示行走状态，从停止状态变化到行走状态则计为行走了一步，当前路径上行走的总步数为m(k)，把人行走时的步长近似看作固定长度l，则当前行走的直线长度d(k)计算公式为：

d(k)＝m(k)*l或d(k)＝d(k-1)+l。

进一步，所述RSSI采集并扫描无线信号发射装置，得到RSSI值并记录具体包括：

RSSI采集设备按照最小扫描时间对布置在周围环境中的N个无线信号发射装置进行RSSI采集，每次采集得到N个RSSI值，同时记录第j秒扫描时刻t_r(j),j＝1,2,...,T，T表示总的采集次数。

进一步，所述求出每个信号强度的扫描时刻与所有坐标产生时刻之间差的绝对值，找到绝对值最小的那个坐标产生时刻，配对保存为数据库的一条基本数据单元具体包括：

综合采集得到的RSSI与电子地图坐标，求出每个信号强度的扫描时刻t_r(j),j＝1,2,...,T与所有坐标产生时刻t_s(k),k＝1,2,...,L之间差的绝对值，找到绝对值最小的那个坐标产生时刻t_m(j)：

$t_m\left(j\right)=\underset{t_s\left(k\right)}{min}|t_r\left(j\right)-t_s\left(k\right)|,k=1,2,\mathrm{...},L;$

即认为t_r(j)时刻扫描到的N个信号强度的坐标位于t_m(j)时刻产生的电子地图坐标，配对保存为数据库的一条基本数据单元。

本发明的另一目的在于提供一种所述的室内指纹定位数据库高密度快速采集方法的采集系统，其特征在于，所述采集系统包括：

坐标获取模块，用于获取单位路径的电子地图坐标；

RSSI值获取模块，用于RSSI采集并扫描无线信号发射装置，得到RSSI值并记录；

数据时间配对模块，用于求出每个信号强度的扫描时刻与所有坐标产生时刻之间差的绝对值，找到绝对值最小的那个坐标产生时刻，配对保存为数据库的一条基本数据单元；

配对优化模块，用于数据库中同时有多条RSSI数据对应的电子地图坐标相同，将RSSI取平均值，作为数据库中该电子地图坐标的单元数据。

进一步，所述坐标获取模块进一步包括：

计步运算单元，用于利用惯导设备中的加速度计与陀螺仪进行计步运算；

电子地图坐标计算单元，用于通过条件检测方法，计算出行走的步数和直线长度，并计算每一步的电子地图坐标。

进一步，所述RSSI值获取模块进一步包括：

RSSI采集单元，用于RSSI采集设备按照最小扫描时间对布置在周围环境中的N个无线信号发射装置进行RSSI采集；

RSSI值单元，用于每次采集得到N个RSSI值，同时记录扫描时刻。

进一步，所述数据时间配对模块进一步包括：

绝对值单元，用于综合采集得到的RSSI与电子地图坐标，求出每个信号强度的扫描时刻与所有坐标产生时刻之间差的绝对值，找到绝对值最小的那个坐标产生时刻；

保存单元，用于配对保存为数据库的一条基本数据。

本发明提供的室内指纹定位数据库高密度快速采集方法，实现了指纹数据库在移动过程中的连贯采集，在较短的时间内便可生成较大的定位指纹数据库，简化了指纹数据库的建立过程，还能够提高定位精度。同时，在环境变化需要重新建库时，能够降低后期重采样和维护等步骤的工作量。提高了指纹定位方法的实用性，使其易于大规模推广。本发明借助惯性导航设备实现了人在连续移动过程中的数据采集，与传统方法相比本发明具有信号采集时间快，信号采集密度高的优势，在大大减少了建立数据库时间的同时，还能提高数据库的采集密度，最终提高定位精度。并且，本发明适用于几乎所有基于RSSI的室内指纹定位方法，是其数据库建立阶段的有效补充。本发明对于基于无线指纹定位的指纹数据库采集具有重大意义，能够使指纹采集的时间减少为传统单点采集的五分之一左右，同时数据大小增加一倍，大大降低了指纹定位的布置成本，便于大规模的推广应用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的室内指纹定位数据库高密度快速采集方法流程图。

图2是本发明实施例提供的步伐检测结果示意图。

图3是本发明实施例提供的实验环境平面示意图。

图4是本发明实施例提供的定位误差累积分布示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例的室内指纹定位数据库高密度快速采集方法包括以下步骤：

S101：在需定位区域，规划不同的数据库RSSI采集路径，以直线路径为最小单位路径，设定各单位路径起始点，基于该起始点，采集者携带RSSI采集设备与惯导设备从起始点开始沿着规划后的路径匀速行走，利用惯导设备中的加速度计与陀螺仪进行计步运算，通过条件检测方法，计算出行走的步数和直线长度，并计算每一步的电子地图坐标；

S102：RSSI采集设备按照最小扫描时间(约为0.5秒)对布置在周围环境中的N个无线信号发射装置进行RSSI采集，每次采集得到N个RSSI值，同时记录；

S103：综合采集得到的RSSI与电子地图坐标，求出每个信号强度的扫描时刻与坐标产生时刻之间差的绝对值，找到该绝对值最小的那个坐标产生时刻，配对保存为数据库的一条基本数据单元；

S104：若数据库中同时有多条RSSI数据对应的电子地图坐标相同，将这几条RSSI取平均值，作为数据库中该电子地图坐标的单元数据。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的说明。

如图1所示，本发明实施例的室内指纹定位数据库高密度快速采集方法具体包括以下步骤：

1.单位路径坐标生成

在需定位区域，规划不同的数据库RSSI采集路径，以直线路径为最小单位路径，设定各单位路径起始点，基于该起始点，采集者携带RSSI采集设备与惯导设备从起始点开始沿着规划后的路径匀速行走，利用惯导设备中的加速度计与陀螺仪进行计步运算，通过条件检测方法，计算出行走的步数和直线长度，并计算每一步的电子地图坐标。记录第k步坐标产生的时刻t_s(k),k＝1,2,...,L，设L表示该路径上总的行走步数。设k时刻加速度计采集到的三轴加速度值分别为a_k(1)、a_k(2)、a_k(3)，陀螺仪采集到的三轴角速度分别为ω_k(1)、ω_k(2)、ω_k(3)，条件检测方法使用三个条件(C₁，C₂和C₃)来判断人的脚是否处于静止状态：

1)条件C₁为加速度大小满足介于两个给定门限之间(例如 ${\mathrm{th}}_{a_{min}}=9m/s^2,{\mathrm{th}}_{a_{max}}=11m/s^2$ )。

2)条件C₂为局部加速度方差要大于给定的门限值，

局部加速度方差计算方式为，

${\mathrm{\σ}}_{a_k}^2=\frac{1}{2s+1}\underset{j=k-s}{\overset{k+s}{\Σ}}{(a_k-{\stackrel{\‾}{a}}_k)}^2---\left(3\right)$

其中是局部平均加速度，计算式为s为均值的窗口长度。

3)条件C₃为陀螺仪测量值的大小满足低于给定门限(例如)。

在上述条件检测方法中，以上三个逻辑条件必须同时满足才认为人的脚处于静止状态，所以条件之间是逻辑与的关系，即条件检测结果为C₁&C₂&C₃。条件检测的结果再通过一个窗口长度为11的中值滤波器。输出逻辑“1”表示停止状态，逻辑“0”表示行走状态。从停止状态变化到行走状态则计为行走了一步，设当前路径上行走的总步数为m(k)，把人行走时的步长近似看作固定长度l(例如l＝0.7m)，则当前行走的直线长度d(k)计算公式为：

d(k)＝m(k)*l或d(k)＝d(k-1)+l(5)

2.RSSI采集

RSSI采集设备按照最小扫描时间(约为0.5秒)对布置在周围环境中的N个无线信号发射装置进行RSSI采集，每次采集得到N个RSSI值，同时记录第j秒扫描时刻t_r(j),j＝1,2,...,T，设T表示总的采集次数。

3.数据时间配对

综合采集得到的RSSI与电子地图坐标，求出每个信号强度的扫描时刻t_r(j),j＝1,2,...,T与所有坐标产生时刻t_s(k),k＝1,2,...,L之间差的绝对值，找到该绝对值最小的那个坐标产生时刻t_m(j)：

$t_m\left(j\right)=\underset{t_s\left(k\right)}{min}|t_r\left(j\right)-t_s\left(k\right)|,k=1,2,\mathrm{...},L---\left(6\right)$

即认为t_r(j)时刻扫描到的N个信号强度的坐标位于t_m(j)时刻产生的电子地图坐标，配对保存为数据库的一条基本数据单元。

4.配对优化

若数据库中同时有多条RSSI数据对应的电子地图坐标相同，则将这几条RSSI取平均值，作为数据库中该电子地图坐标的单元数据。

利用型号为AH-100B的惯性导航模块采集数据，并将其放置于脚面，人沿着直线行走了1000步。行走时，其每个轴的加速度有均值为零、方差为0.012的高斯白噪声，此外有均值为(0,0,-0.02)，方差为0.04的偏差，单位m/s²；其每个轴的角速度有均值为零、方差为0.0087的高斯白噪声，此外有均值为(0,0,-0.01)，方差为0.015的偏差，单位rad/s。人行走时的部分计步结果如图2所示，逻辑‘1’表示静止状态，逻辑‘0’表示行走状态，下降沿则表示行走了一步。在上述测试中检测到的步数结果等于真实步数1000步，方框表明成功监测到了步伐移动。可见，在测试条件下步数检测的错误率为0％。

图3所示的虚线表示采样路径。网格采样方法沿着虚线以1米为长度间隔进行采样，采样所得数据有392个样本，按每个采样点实际的平均用时5秒计算，建立数据库所消耗时间大约为33分钟。而采用本发明通过物理层采样得到信号的接收强度信息，采样周期大约为2次/秒，按时速3.5公里的行走速度计算，采样密度大约在0.5米左右，整个采样完成时间大约需要6分钟，并且能够得到768个数据样本。通过表1的比较就可以发现，本发明在数据库建立时间和大小上都有明显优势，在数据库大小增加了一倍的同时，数据库建立时间只相当于网格采样法的五分之一。

表1采样过程比较

	数据采集时间(分钟)	数据库样本数
			网格采样法	33	392
发明方法	6	768

通过以下的对比对本发明的技术效果作进一步的说明。

将指纹定位中常用的相关函数匹配定位方法同时应用在网格采样法和本发明方法中，可比较发现本发明方法对于定位精度的提升明显。图4所示的函数曲线图是100次随机位置定位误差的累积分布。观察图4可以发现，通过本发明方法能够将定位精度以70％的概率小于2米，相较于网格采样法以70％的概率小于2.8米，定位精度提升了29％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种室内指纹定位数据库高密度快速采集方法，其特征在于，所述室内指纹定位数据库高密度快速采集方法包括：

获取单位路径的电子地图坐标；

RSSI采集并扫描无线信号发射装置，得到RSSI值并记录；

求出每个信号强度的扫描时刻与所有坐标产生时刻之间差的绝对值，找到绝对值最小的坐标产生时刻，配对保存为数据库的一条基本数据单元；

若数据库中同时有多条RSSI数据对应的电子地图坐标相同，将RSSI取平均值，作为数据库中该电子地图坐标的单元数据。

2.如权利要求1所述的室内指纹定位数据库高密度快速采集方法，其特征在于，所述获取单位路径的电子地图坐标具体包括：

利用惯导设备中的加速度计与陀螺仪进行计步运算，通过条件检测方法，计算出行走的步数和直线长度，并计算每一步的电子地图坐标，记录第k步坐标产生的时刻t_s(k),k＝1,2,...,L，L表示该路径上总的行走步数，k时刻加速度计采集到的三轴加速度值分别为a_k(1)、a_k(2)、a_k(3)，陀螺仪采集到的三轴角速度分别为ω_k(1)、ω_k(2)、ω_k(3)，条件检测方法使用三个条件C₁，C₂和C₃来判断人的脚是否处于静止状态。

3.如权利要求2所述的室内指纹定位数据库高密度快速采集方法，其特征在于，所述条件C₁，C₂和C₃：

条件C₁为加速度大小满足介于两个给定门限之间：

条件C₂为局部加速度方差要大于给定的门限值，

局部加速度方差计算方式为，

${\mathrm{\σ}}_{a_k}^2=\frac{1}{2s+1}\underset{j=k-s}{\overset{k+s}{\Σ}}{(a_k-{\stackrel{\‾}{a}}_k)}^2$

其中是局部平均加速度，计算式为s为均值的窗口长度；

条件C₃为陀螺仪测量值的大小满足低于给定门限：

条件之间是逻辑与的关系，即条件检测结果为C₁&C₂&C₃，条件检测的结果再通过一个窗口长度为11的中值滤波器，输出逻辑“1”表示停止状态，逻辑“0”表示行走状态，从停止状态变化到行走状态则计为行走了一步，当前路径上行走的总步数为m(k)，把人行走时的步长近似看作固定长度l，则当前行走的直线长度d(k)计算公式为：

d(k)＝m(k)*l或d(k)＝d(k-1)+l。

4.如权利要求1所述的室内指纹定位数据库高密度快速采集方法，其特征在于，所述RSSI采集并扫描无线信号发射装置，得到RSSI值并记录具体包括：

RSSI采集设备按照最小扫描时间对布置在周围环境中的N个无线信号发射装置进行RSSI采集，每次采集得到N个RSSI值，同时记录第j秒扫描时刻t_r(j),j＝1,2,...,T，T表示总的采集次数。

5.如权利要求1所述的室内指纹定位数据库高密度快速采集方法，其特征在于，所述求出每个信号强度的扫描时刻与所有坐标产生时刻之间差的绝对值，找到绝对值最小的那个坐标产生时刻，配对保存为数据库的一条基本数据单元具体包括：

综合采集得到的RSSI与电子地图坐标，求出每个信号强度的扫描时刻t_r(j),j＝1,2,...,T与所有坐标产生时刻t_s(k),k＝1,2,...,L之间差的绝对值，找到绝对值最小的那个坐标产生时刻t_m(j)：

$t_m\left(j\right)=\underset{t_s\left(k\right)}{min}|t_r\left(j\right)-t_s\left(k\right)|,k=1,2,...,L;$

即认为t_r(j)时刻扫描到的N个信号强度的坐标位于t_m(j)时刻产生的电子地图坐标，配对保存为数据库的一条基本数据单元。

6.一种如权利要求1所述的室内指纹定位数据库高密度快速采集方法的采集系统，其特征在于，所述采集系统包括：

坐标获取模块，用于获取单位路径的电子地图坐标；

RSSI值获取模块，用于RSSI采集并扫描无线信号发射装置，得到RSSI值并记录；

数据时间配对模块，用于求出每个信号强度的扫描时刻与所有坐标产生时刻之间差的绝对值，找到绝对值最小的那个坐标产生时刻，配对保存为数据库的一条基本数据单元；

配对优化模块，用于数据库中同时有多条RSSI数据对应的电子地图坐标相同，将RSSI取平均值，作为数据库中该电子地图坐标的单元数据。

7.如权利要求6所述的采集系统，其特征在于，所述坐标获取模块进一步包括：

计步运算单元，用于利用惯导设备中的加速度计与陀螺仪进行计步运算；

电子地图坐标计算单元，用于通过条件检测方法，计算出行走的步数和直线长度，并计算每一步的电子地图坐标。

8.如权利要求6所述的采集系统，其特征在于，所述RSSI值获取模块进一步包括：

RSSI采集单元，用于RSSI采集设备按照最小扫描时间对布置在周围环境中的N个无线信号发射装置进行RSSI采集；

RSSI值单元，用于每次采集得到N个RSSI值，同时记录扫描时刻。

9.如权利要求6所述的采集系统，其特征在于，所述数据时间配对模块进一步包括：

绝对值单元，用于综合采集得到的RSSI与电子地图坐标，求出每个信号强度的扫描时刻与所有坐标产生时刻之间差的绝对值，找到绝对值最小的那个坐标产生时刻；

保存单元，用于配对保存为数据库的一条基本数据。