CN105510870A - 一种智能设备室内定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能设备室内定位的系统和方法，属于室内定位技术领域，包括信标和应用软件。信标间隔向外广播信号，广播内容包括信号强度和身份标识UUID。智能设备软件由信号采集、测距、室内地图部分组成。信号采集部分利用智能设备自带的加速度计、陀螺仪、地磁传感器、蓝牙、WIFI等采集手机周围信标的信号强度，加速度，方向等信息。测距是指利用信号强度与加速度梯度融合的测距算法，计算信标到智能设备的距离；地图部分包括室内地图和信标地理位置，当获得运动方向、速度和距离信标的距离时，通过查询地图，获得相应的地理信息，实现智能设备的室内定位。

Description

一种智能设备室内定位系统和方法

【技术领域】

本发明属于室内定位技术领域，涉及一种智能设备室内定位系统和方法。

【背景技术】

随着摩天大楼的不断增多，庞大的建筑群给人们生活带了方便，但也带来了不便。人们在大型商场，停车场等大型场所中没有GPS信号，很容易找不到东西南北，商场该怎么出去，停车场的车放在那里，等一系列室内位置问题给人们的生活带来很大的不便，因此，室内定位技术受到了越来越多的重视。

目前室内的定位方法主要有：射频识别、超声波、超宽带、WIFI、蓝牙、Zigbee等，大多数的方法不能直接应用到设备上，必须通过专业的手持设备才能实现，实用性不强，并且精度受到一定的限制。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供一种智能设备室内定位系统和方法，通过信标信号强度与运动传感器融合的智能设备室内定位方法和系统，该方法利用室内布置的信标、手机室内地图和手机传感器，实现手机的室内定位。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种智能设备室内定位系统，包括信标和智能设备，所述的信标用于发出信标信号，所述的智能设备包括用于接收该信标信号的接收装置、用于检测智能设备运动数据的运动传感器和定位软件APP，所述的定位软件APP通过所述的信标信号和运动数据来计算得到与该智能设备最近的信标，进而实现该智能设备的精确定位。

所述的信标间隔设置在室内，相邻两个信标之间的距离不大于所述接收装置接收信标信号的接收范围。

所述的信标选用蓝牙信标，所述的智能设备选用智能手机，所述的接收装置选用蓝牙装置，所述的运动传感器包括加速度传感器、方向传感器和陀螺仪。

一种智能设备室内定位方法，包括以下步骤：

步骤一：将智能设备的定位软件APP打开，该定位软件APP控制该智能设备的接收装置自动搜索智能设备周围的信标信号；同时，该智能设备通过运动传感器检测智能设备的运动数据；

步骤二：定位软件APP通过滤波算法对采集到的信标信号强度值进行滤波，通过滤波后的信标信号强度值确定距离设备最近的信标；

步骤三：定位软件APP将滤波后的信标信号强度值和运动传感器检测的运动数据通过梯度融合的方法计算智能设备到最近的信标之间的距离；

步骤四：定位软件APP通过步骤三计算得到的智能设备到最近的信标之间的距离并在地图上匹配位置信息，结合智能设备的运动方向和速度实现精确定位。

所述的步骤一中，打开定位软件APP后，定位软件APP控制智能设备自动扫描周围的信标信号，智能设备的接收装置采集并接收信标信号，定位软件APP收集信标的信号强度和UUID(通用唯一识别码：UniversallyUniqueIdentifier)标识。

所述的步骤一中，所述的信标间隔向外广播信号，该广播信号包括信标的信标信号强度和UUID标识。

所述的步骤二中，所述的定位软件APP通过卡尔曼滤波并确定距离设备最近的信标。

所述的步骤三中，所述的运动传感器包括加速度传感器、方向传感器和陀螺仪，所述的定位软件APP对加速度传感器和陀螺仪进行采样，利用智能设备的姿态算法获得智能设备的姿态和水平方向的夹角，并记录加速度的连续变化量和加速度矢量。

所述的步骤三中，所述的定位软件APP通过如下步骤计算智能设备到最近的信标之间的距离：

步骤1)：利用接收信标信号的强度和距离关系，如式(1)所示，计算出一个距离，

d＝10^{(-5.78-p(d))/3.22}(1)这是根据信号的传播模型得到的，其中，d为距信标节点的距离，p(d)为信号强度；

步骤2)：利用陀螺仪和加速度传感器测得的加速度矢量和智能设备姿态，可以得到智能设备移动的瞬时速率v_i可以表示为(2)式所示，

v_i＝a_i·Δt_i·cosθ(2)

其中，a_i为测得的加速度矢量，θ为智能设备与水平面的夹角，_Δt_i为测量间隔时间，在第n次利用加速度传感器和陀螺仪预测距离的值可以表示为式(3)所示，

X_n＝v_n·Δt+x_n-1(3)

X_n代表通过加速度预测的距离，这样的预测过程被用于下一个距离的测量，为了减小测量环境变化对测距的影响，用标准差规则来过滤测量值，式(4)是用来计算预测值和以前测量距离的标准差，

$\mathrm{\δ}\left(X_n,x_n\right)=\sqrt{\frac{1}{2}{(X_n-x_n)}^2}---\left(4\right)$

δ(X_n,x_n)表示预测值和当前测量值的标准差，x_n表示依靠信号传播模型测量的距离；

步骤3)：利用公式(5)决定用户最后的距离，

X_f＝x_n+(sign(X_n-x_n))*δ(X_n,x_n)δ(X_n,x_n)²(5)

sign(x)为符号函数，代表了预测值X_n减测量值x_n的正负，如果差值为正则输出为1，如果差值为负则输出为-1，X_f为智能设备到最近的信标之间的距离。

所述的步骤四中，所述的定位软件APP通过如下步骤在地图上匹配智能设备的位置信息，结合智能设备的运动方向和速度实现精确定位：

步骤a)：由步骤三检测到的加速度和信号强度变化趋势判断设备远离信标节点或者靠近信标节点，用D(t)表示，如式(6)所示：

步骤b)：假设信标节点的坐标为(X_AP,Y_AP),利用公式(7)可以得到设备的坐标(x(t),y(t))，式中f(t)为测量的距离，

x(t)＝x_AP+D(t)·f(t)·cosθ(t)

y(t)＝y_AP+D(t)·f(t).sinθ(t)(7)。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的智能设备室内定位系统通过在室内设置信标，通过信标发出信标信号，通过智能设备接收该信标信号，并根据接收到信标信号的强度来判断最近的信标和智能设备与该信标之间的距离，然后在智能设备的电子地图上根据该距离匹配位置信息，再结合智能设备上的运动传感器检测的运动信息实现精确定位。

进一步的，将信标间隔设置在室内，相邻两个信标之间的距离不大于所述接收装置接收信标信号的接收范围，因此能够确保智能设备能接收到信标发出的信标信号，因此不会存在接收不到信标信号而无法进行定位的情况。

本发明的系统结合智能设备，如手机等，无需对信标节点设备的连接，并能够对接收到的信标信号强度进行有效地滤波处理，利用手机自带传感器，采集加速度、方向、手机姿态等信息，利用信标信号强度与运动传感器测量的运动数据融合的方法，测量手机距最近信标的距离，再结地图上的信标的位置信息，大大提高了定位的精度，利用手机硬件资源，提高了定位的实用性和准确性。

【附图说明】

图1为本发明的一种智能设备室内定位方法的流程图；

图2为本发明的一种智能设备室内定位系统实施例的结构示意图。

【具体实施方式】

下面将结合附图对本发明进行详细的描述。

本发明的一种智能设备室内定位系统和方法，包括信标和智能设备，所述的信标用于发出信标信号，所述的智能设备包括用于接收该信标信号的接收装置、用于检测智能设备运动数据的运动传感器和定位软件APP，所述的定位软件APP通过所述的信标信号和运动数据来计算得到与该智能设备最近的信标，进而实现该智能设备的精确定位。

所述的信标间隔设置在室内，相邻两个信标之间的距离不大于所述接收装置接收信标信号的接收范围。

所述的信标选用蓝牙信标，所述的智能设备选用智能手机，所述的接收装置选用蓝牙装置，所述的运动传感器包括加速度传感器、方向传感器和陀螺仪。

如图2所示，在本实施例中，如果是室内空旷环境，则将室内环境按照边长为4米的正方形分隔，每个正方形的顶点布置蓝牙信标，手机接收到的有效信号强度的范围是以3米为半径的圆。如果是走廊或者楼道，则按间隔6米的直线布置蓝牙信标，在墙的同一侧，高1.2米的安装，或者间隔6米，在地面安装，手机接收到的有效信号强度的范围是以蓝牙信标为中心半径为3米的圆。蓝牙信标设置为广播模式，每500ms向外广播一次信息，包含信号强度和UUID(唯一身份识别信息)。此外，按照蓝牙信标的布设制作对应的室内地图，包含具体的室内环境信息和具体的蓝牙信标的位置信息。蓝牙信标的位置信息将会放在地图对应的数据库中，以供在匹配信息的时候进行查询。手机搜索蓝牙信标，通过信号强度得到离手机最近的蓝牙信标的距离。手机加速度传感器、方向传感器、陀螺仪等，测得手机的运动方向和速度，结合地图和测量的距离，实现精确的定位。

如图2所示，本发明的一种智能设备室内定位方法，包括以下步骤：

步骤一：将智能设备的定位软件APP打开，该定位软件APP控制该智能设备的接收装置自动搜索智能设备周围的信标信号；同时，该智能设备通过运动传感器检测智能设备的运动数据；

步骤二：定位软件APP通过滤波算法对采集到的信标信号强度值进行滤波，通过滤波后的信标信号强度值确定距离设备最近的信标；

步骤三：定位软件APP将滤波后的信标信号强度值和运动传感器检测的运动数据通过梯度融合的方法计算智能设备到最近的信标之间的距离；

步骤四：定位软件APP通过步骤三计算得到的智能设备到最近的信标之间的距离并在地图上匹配位置信息，结合智能设备的运动方向和速度实现精确定位。

所述的步骤一中，打开定位软件APP后，定位软件APP控制智能设备自动扫描周围的信标信号，智能设备的接收装置采集并接收信标信号，定位软件APP收集信标的信标信号强度和UUID(通用唯一识别码：UniversallyUniqueIdentifier)标识。

所述的步骤一中，所述的信标间隔向外广播信号，该广播信号包括信标的信标信号强度和UUID标识。

所述的步骤二中，所述的定位软件APP通过卡尔曼滤波方法进行滤波并确定距离设备最近的信标。

所述的步骤三中，所述的运动传感器包括加速度传感器、方向传感器和陀螺仪，所述的定位软件APP对加速度传感器和陀螺仪进行采样，利用智能设备的姿态算法获得智能设备的姿态和水平方向的夹角，并记录加速度的连续变化量和加速度矢量。

所述的步骤三中，所述的定位软件APP通过如下步骤计算智能设备到最近的信标之间的距离：

步骤1)：利用接收信标信号的强度和距离关系，如式(1)所示，计算出一个距离，

d＝10^{(-5.78-p(d))/3.22}(1)这是根据信号的传播模型得到的，其中，d为距信标节点的距离，p(d)为信号强度；

步骤2)：利用陀螺仪和加速度传感器测得的加速度矢量和智能设备姿态，可以得到智能设备移动的瞬时速率v_i可以表示为(2)式所示，

v_i＝a_i·Δt_i·cosθ(2)

其中，a_i为测得的加速度矢量，θ为智能设备与水平面的夹角，Δt_i为测量间隔时间，在第n次利用加速度传感器和陀螺仪预测距离的值可以表示为式(3)所示，

X_n＝v_n·Δt+x_n-1(3)

X_n代表通过加速度预测的距离，这样的预测过程被用于下一个距离的测量，为了减小测量环境变化对测距的影响，用标准差规则来过滤测量值，式(4)是用来计算预测值和以前测量距离的标准差，

$\mathrm{\δ}(X_n,x_n)=\sqrt{\frac{1}{2}{(X_n-x_n)}^2}---\left(4\right)$

δ(X_n,x_n)表示预测值和当前测量值的标准差，x_n表示依靠信号传播模型测量的距离；

步骤3)：利用公式(5)决定用户最后的距离，

X_f＝x_n+(sign(X_n-x_n))*δ(X_n,x_n)δ(X_n,^x _n)²(5)

sign(x)为符号函数，代表了预测值X_n减测量值x_n的正负，如果差值为正则输出为1，如果差值为负则输出为-1，X_f为智能设备到最近的信标之间的距离。

所述的步骤四中，所述的定位软件APP通过如下步骤在地图上匹配智能设备的位置信息，结合智能设备的运动方向和速度实现精确定位：

步骤a)：由步骤三检测到的加速度和信号强度变化趋势判断设备远离信标节点或者靠近信标节点，用D(t)表示，如式(6)所示：

步骤b)：假设信标节点的坐标为(X_AP,Y_AP),利用公式(7)可以得到设备的坐标(x(t),y(t))，式中f(t)为测量的距离，

x(t)＝x_AP+D(t)·f(t)·cosθ(t)

y(t)＝y_AP+D(t)·f(t).sinθ(t)(7)。

如图1所示，为当本发明的定位系统进行工作时的具体流程图，具体包括以下步骤：1.打开手机Android定位软件，手机会自动搜索周围信标的信号强度和UUID地址；2.利用手机加速度传感器、方向传感器、陀螺仪等确定手机的运动方向、运动加速度和手机姿态；3.利用滤波算法对采集到的蓝牙信号强度值进行滤波，找到离手机最近的信标；4.利用信号强度与运动传感器梯度融合的方法计算手机到最近蓝牙信标的距离；5.用最近的蓝牙信标的距离在地图上匹配相应的位置信息，结合运动方向和速度，实现精确定位。

本发明的系统结合智能设备，如手机等，无需对信标节点设备的连接，并能够对接收到的信标信号强度进行有效地滤波处理，利用手机自带传感器，采集加速度、方向、手机姿态等信息，利用信标信号强度与运动传感器测量的运动数据融合的方法，测量手机距最近信标的距离，再结地图上的信标的位置信息，大大提高了定位的精度，利用手机硬件资源，提高了定位的实用性和准确性。

最后说明的是，以上优选实施例仅以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做各种各样的改变而不要求本发明要求权限书而限定的范围。

Claims (10)

1.一种智能设备室内定位系统，其特征在于，包括信标和智能设备，所述的信标用于发出信标信号，所述的智能设备包括用于接收该信标信号的接收装置、用于检测智能设备运动数据的运动传感器和定位软件APP，所述的定位软件APP通过所述的信标信号和运动数据来计算得到与该智能设备最近的信标，进而实现该智能设备的精确定位。

2.根据权利要求1所述的一种智能设备室内定位系统，其特征在于，所述的信标间隔设置在室内，相邻两个信标之间的距离不大于所述接收装置接收信标信号的接收范围。

3.根据权利要求1所述的一种智能设备室内定位系统，其特征在于，所述的信标选用蓝牙信标，所述的智能设备选用智能手机，所述的接收装置选用蓝牙装置，所述的运动传感器包括加速度传感器、方向传感器和陀螺仪。

4.一种智能设备室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将智能设备的定位软件APP打开，该定位软件APP控制该智能设备的接收装置自动搜索智能设备周围的信标信号；同时，该智能设备通过运动传感器检测智能设备的运动数据；

步骤二：定位软件APP通过滤波算法对采集到的信标信号强度值进行滤波，通过滤波后的信标信号强度值确定距离设备最近的信标；

步骤三：定位软件APP将滤波后的信标信号强度值和运动传感器检测的运动数据通过梯度融合的方法计算智能设备到最近的信标之间的距离；

步骤四：定位软件APP通过步骤三计算得到的智能设备到最近的信标之间的距离并在地图上匹配位置信息，结合智能设备的运动方向和速度实现精确定位。

5.根据权利要求4所述的一种智能设备室内定位方法，其特征在于，所述的步骤一中，打开定位软件APP后，定位软件APP控制智能设备自动扫描周围的信标信号，智能设备的接收装置采集并接收信标信号，定位软件APP收集信标的信标信号强度和UUID标识。

6.根据权利要求4所述的一种智能设备室内定位方法，其特征在于，所述的步骤一中，所述的信标间隔向外广播信号，该广播信号包括信标的信号强度和UUID标识。

7.根据权利要求4所述的一种智能设备室内定位方法，其特征在于，所述的步骤二中，所述的定位软件APP通过卡尔曼滤波并确定距离设备最近的信标。

8.根据权利要求4所述的一种智能设备室内定位方法，其特征在于，所述的步骤三中，所述的运动传感器包括加速度传感器、方向传感器和陀螺仪，所述的定位软件APP对加速度传感器和陀螺仪进行采样，利用智能设备的姿态算法获得智能设备的姿态和水平方向的夹角，并记录加速度的连续变化量和加速度矢量。

9.根据权利要求4或8所述的一种智能设备室内定位方法，其特征在于，所述的步骤三中，所述的定位软件APP通过如下步骤计算智能设备到最近的信标之间的距离：

步骤1)：利用接收信标信号的强度和距离关系，如式(1)所示，计算出一个距离，

d＝10^{(-5.78-p(d))/3.22}(1)

这是根据信号的传播模型得到的，其中，d为距信标节点的距离，p(d)为信号强度；

步骤2)：利用陀螺仪和加速度传感器测得的加速度矢量和智能设备姿态，可以得到智能设备移动的瞬时速率v_i可以表示为(2)式所示，

v_i＝a_i·Δt_i·cosθ(2)

其中，a_i为测得的加速度矢量，θ为智能设备与水平面的夹角，Δt_i为测量间隔时间，在第n次利用加速度传感器和陀螺仪预测距离的值可以表示为式(3)所示，

X_n＝v_n·Δt+x_n-1(3)

X_n代表通过加速度预测的距离，这样的预测过程被用于下一个距离的测量，为了减小测量环境变化对测距的影响，用标准差规则来过滤测量值，式(4)是用来计算预测值和以前测量距离的标准差，

$\mathrm{\δ}\left(X_n,x_n\right)=\sqrt{\frac{1}{2}{\left(X_n-x_n\right)}^2}---\left(4\right)$

δ(X_n,x_n)表示预测值和当前测量值的标准差，x_n表示依靠信号传播模型测量的距离；

步骤3)：利用公式(5)决定用户最后的距离，

X_f＝x_n+(sign(X_n-x_n))*δ(X_n,x_n)δ(X_n,x_n)²(5)

sign(x)为符号函数，代表了预测值X_n减测量值x_n的正负，如果差值为正则输出为1，如果差值为负则输出为-1，X_f为智能设备到最近的信标之间的距离。

10.根据权利要求4或8所述的一种智能设备室内定位方法，其特征在于，所述的步骤四中，所述的定位软件APP通过如下步骤在地图上匹配智能设备的位置信息，结合智能设备的运动方向和速度实现精确定位：

步骤a)：由步骤三检测到的加速度和信号强度变化趋势判断设备远离信标节点或者靠近信标节点，用D(t)表示，如式(6)所示：

步骤b)：假设信标节点的坐标为(X_AP,Y_AP),利用公式(7)可以得到设备的坐标(x(t),y(t))，式中f(t)为测量的距离，

x(t)＝x_AP+D(t)·f(t)·cosθ(t)

y(t)＝y_AP+D(t)·f(t).sinθ(t)(7)。