CN106610292A

CN106610292A - 一种基于混合wifi与航迹推算的室内定位方法

Info

Publication number: CN106610292A
Application number: CN201510694727.9A
Authority: CN
Inventors: 吴彤; 熊艳伟; 肖登坤
Original assignee: Beijing Jin Kun Kechuang Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Jin Kun Kechuang Technology Co Ltd
Priority date: 2015-10-22
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2017-05-03

Abstract

本发明一共了一种混合WIFI与航迹推算(PDR)的室内定位方法，其特征在于：待测目的其初始位置采用WIFI定位子系统来获得。当获得待测目标的初始位置之后，系统中两套定位子系统，WIFI定位子系统和PDR定位子系统将分别输出待测目标的位置。系统采用一个时间窗效用函数，将WIFI定位子系统输出的坐标，以及基于PDR的定位子系统输出的坐标进行有效的线性加权；加权之后再通过卡尔曼(Kalman)滤波进行处理，最终得到混合WIFI和PDR的全局定位坐标。兼顾了WIFI室内定位技术与PDR轨迹的特点，解决了WIFI室内定位波动性大与惯导器件长时间运行后性能会发生弥散的问题，提升了系统的定位精度，具有广泛的应用场景。

Description

一种基于混合WIFI与航迹推算的室内定位方法

技术领域

本发明属于室内定位领域，短距离通信与惯性导航领域。

背景技术

随着智慧城市概念的推广与相关技术的飞速发展，人们越来越意识到位置信息的重要性，它是移动互联网、物联网时代最重要的基本应用元素。对于位置信息的需求，促进了定位技术，特别是室内定位领域的快速发展。室内定位技术发展至今，常见的主流技术有：Wi-Fi、蓝牙、红外线、超宽带(UWB，Ultra Wide Band)、射频识别RFID(Radio Frequency Identification)、ZigBee、超声波、惯导等等。

基于WIFI技术的室内定位是目前应用场景最广的一种方式，如大型的商场、超市、大型集会、机场等等，系统往往通过用户连接入WIFI的接入点(AP，access point)，根据WIFI接入点的位置坐标和用户的WIFI信号强度进行定位。基于MEMS(Micro-ElectroMechanical System)的惯性导航系统也获得了快速发展，并在民用领域得到了广泛应用，如普通的智能手机中，基于各类传感器(加速度计、陀螺仪等等)的航迹应用、位置应用等。结合WIFI与惯导技术来进行室内定位，既可以发挥WIFI技术覆盖广，应用范围广的特点，又能发挥惯导技术高精度定位特性与航迹模拟的特点。但是目前真正意义上混合两种定位技术的方法不多，且在实际应用上还存在应用难度较大的问题。

发明内容

本发明提出了一种混合WIFI与PDR的室内定位方法，该方法通过简单有效的线性时间窗效用函数将WIFI技术和惯导技术融合在一起，兼顾了WIFI室内定位技术与PDR轨迹的特点，解决了WIFI室内定位波动性大与惯导器件长时间运行后性能会发生弥散的问题，提升了系统的定位精度，具有广泛的应用场景。

为了实现上述目的，本发明的内容包括以下三个部分：

一、混合WIFI与PDR的室内定位方法总流程

步骤1：对于待测目标，其初始位置坐标默认采用WIFI定位技术来进行定位。本发明中，基于WIFI定位的位置坐标可通过如下方法获得，包括但不限于：三边法、TOA测距法、TDOA测距法、指纹匹配算法。本发明中不针对WIFI定位技术和方法进行任何限定。

步骤2：当获得待测目标的初始位置之后，系统中两套定位子系统将分别输出待测目标的位置。基于WIFI定位子系统输出的待测目标位置坐标，记为基于PDR定位子系统(待测目标的初始位置由步骤1获得)输出的待测目标的位置坐标，记为

步骤3：系统采用一个时间窗效用函数，将WIFI定位子系统输出的坐标以及基于PDR的定位子系统输出的坐标进行有效的线性加权，加权之后再通过卡尔曼(Kalman)滤波进行处理，最终得到混合WIFI和PDR的全局定位坐标

步骤4：算法结束。

二、时间窗效用函数的取值状态图

在本发明中，时间窗效用函数是一个关键与核心，它不仅简单，并且定位性能高效，能够充分利用WIFI系统与PDR系统的定位性能特点。

数学建模：系统全局定位坐标的表达形式如下表示：

式(1)中，ρ₁和ρ₂分别是PDR定位子系统和WIFI定位子系统的加权系数，在这个线性加权中满足：ρ₁+ρ₂＝1。

初始定位状态：当系统为待测目标进行初始状态的定位时，由于PDR系统需要一个参照坐标系才能进行后续的定位，因此，必须通过WIFI定位子系统来判断初始的位置。对于有ρ₁＝0，ρ₂＝1，则：

混合定位状态：在混合定位状态中，包含如下两种状态：

状态1：在此阶段，待测目标的位置刚刚进行过修正，其PDR系统的定位和轨迹精度高，在此状态中，待测目标的定位坐标应以PDR定位子系统输出的结果为主，的权值应占得高，即满足：ρ₁＞ρ₂：假定状态1能够持续的时间为T1。

状态2：在这一阶段，由于PDR系统在一段时间之后，传感器输出特性开始发散，需要对待测目标的轨迹进行校准，WIFI定位子系统的输出就相当关键，理论上，此状态中的权值应该占比较高。但WIFI系统本身的波动性也较大，定位精度有限，因此，在这个时间段内，需要WIFI定位子系统与PDR定位子系统相互配合，ρ₁与ρ₂的取值差异不能太大，得满足：ρ₁＜ρ₂且|ρ₁-ρ₂|＜δ。假定状态2能够持续的时间为T2。

从两个状态的意义和作用看，一般情况下，状态1持续的时间会更长，通常满足：T1＞T2。

因此，最终的时间窗效用函数的取值表达形式如下：

三、基于PDR的定位方法流程

基于PDR的定位方法的步骤包括：

步骤1：通过加速度计读取的三轴加速度模值，利用平滑时间窗在一段时间内判定其所述三轴加速度模值的波峰值，波谷值，并通过波峰波谷值的差值门限和间隔时间判定待测目标的步态；

步骤2：在估计出步态的基础上，在一步的范围内，通过三轴加速度模值的最大值、最小值，以及系统设定的校准系数，来估计待测目标的步长；

步骤3：对于包含电子罗盘的智能终端，待测目标的航向角可以直接通过电子罗盘读取出；对于不包含电子罗盘的智能终端，待测目标的航向角通过四元素法获得。

步骤4：基于待测目标的初始位置，步态估计、步长估计、以及航向角的计算，输出基于PDR定位子系统的位置坐标

步骤5：算法结束。

本发明的有益效果：

本发明提出的一种混合WIFI与PDR的室内定位方法，兼顾了WIFI室内定位技术与PDR轨迹的特点，解决了WIFI室内定位波动性大与惯导器件长时间运行后性能会发生弥散的问题，提升了系统的定位精度。

附图说明

图1是一种混合WIFI与PDR的室内定位方法总流程

图2a是时间窗效用函数取值状态图

图2b是时间窗效用函数状态转移条件

图3是基于PDR的定位方法流程

图4是实施例1的示意图

图5是实施例2的示意图

具体实施方式

实施例1：

假定待测目标为普通的智能手机，其系统示意图如图4所示：

在本实施例中，时间窗效用函数的取值可为：

实施例2：

假定待测目标为其它智能终端，其系统示意图如图5所示：

在本实施例中，时间窗效用函数的取值可为：

Claims

1.一种基于混合WIFI与PDR的室内定位方法，其特征在于：

待测目的其初始位置采用WIFI定位子系统来获得。

当获得待测目标的初始位置之后，系统中两套定位子系统，WIFI定位子系统和PDR定位子系统将分别输出待测目标的位置。

系统采用一个时间窗效用函数，将WIFI定位子系统输出的坐标，以及基于PDR的定位子系统输出的坐标进行有效的线性加权；加权之后再通过卡尔曼(Kalmar)滤波进行处理，最终得到混合WIFI和PDR的全局定位坐标。

2.如权利要求1所述的时间窗效用函数，其特征在于：

假设PDR的定位子系统输出的定位位置坐标为WIFI定位子系统输出的定位位置坐标为混合两个子系统后输出的系统全局定位坐标则，通过时间窗效用函数可将优化目标表示为如下形式：

{\hat{X}}_{G} = ρ_{1} {\hat{X}}_{p} + ρ_{2} {\hat{X}}_{w}

其中，ρ₁和ρ₂分别是在时间维度上对PDR定位子系统和WIFI定位子系统的加权系数，在这个线性加权中始终满足：ρ₁+ρ₂＝1。

3.如权利要求1、2所述的时间窗效用函数，其特征在于：

所述时间窗效用函数是一个根据不同时间段来取不同ρ₁、ρ₂参数值的分段线性函数。

基于不同时间段的特征，将混合后的WIFI和PDR定位系统划分成两种状态：

状态一：PDR系统的定位坐标已进行过修正，其PDR系统的定位轨迹精度较高，此状态以PDR定位子系统的输出结果为主。在此状态中，所述时间窗效用函数的赋值须满足：ρ₁＞ρ₂。

状态二：由于PDR系统在一段时间之后，传感器输出特性开始发散，需要对待测目标的轨迹进行校准，此时需参考WIFI定位子系统的输出结果。在此状态中，所述时间窗效用函数的赋值须满足：ρ₁＜ρ₂且|ρ₁-ρ₂|＜δ，其中δ是系统设定的判定门限值。

4.如权利要求1、2、3所述的时间窗效用函数，其特征在于：

如权利要求3中所述的状态一和状态二是随时间交替出现的，它们均是时间窗效用函数的组成部分之一，假定状态一的持续时间为T1，状态二的持续时间为T2，系统初始时刻为T0，时间域的全集为T，那么所述的时间窗效用函数可表示为：

{\hat{X}}_{G} = ρ_{1} {\hat{X}}_{p} + ρ_{2} {\hat{X}}_{w}

s . t . \{\begin{matrix} ρ_{1} + ρ_{2} = 1, T_{1} > T_{2} & t &Element; T \\ ρ_{1} = 0, ρ_{2} = 1 & t &Element; T_{0} \\ ρ_{1} > ρ_{2} & t &Element; [n (T_{1} + T_{2}), (n + 1) T_{1} + {nT}_{2}] \\ ρ_{1} < ρ_{2}, | ρ_{1} - ρ_{2} | < δ & t &Element; [{nT}_{1}, n (T_{1} + T_{2})] \end{matrix}

5.如权利要求1所述的WIFI定位子系统，其特征在于：

WIFI定位子系统可通过如下方法获得待测目标的位置坐标，包括但不限于：三边法、TOA测距法、TDOA测距法、指纹匹配算法。本发明中不针对WIFI定位技术和方法进行任何限定。

6.如权利要求1所述的PDR定位子系统，其特征在于：

所述PDR定位子系统的位置解算包括步态估计、步长估计、航向估算、以及待测目标位置输出四个部分组成。

7.如权利要求1，权利要求6所述的PDR定位子系统，其特征在于：

所述的步态估计方法，通过加速度计读取的三轴加速度模值，利用平滑时间窗在一段时间内判定其所述三轴加速度模值的波峰值，波谷值，并通过波峰波谷值的差值门限和间隔时间判定待测目标的步态；

所述的步长估计方法，是在估计出步态的基础上，在一步的范围内，通过三轴加速度模值的最大值、最小值，以及系统设定的校准系数，来估计待测目标的步长；

所述的航向估算方法，主要是指对待测目标航向角的测定。本发明中，对于包含电子罗盘的智能终端，待测目标的航向角可以直接通过电子罗盘读取出；对于不包含电子罗盘的智能终端，待测目标的航向角通过四元素法获得。

所述的待测目标位置输出，是指根据PDR系统的初始定位结果，步态估计、步长估计、航向估算等，最终输出基于PDR定位子系统的位置坐标。