CN106888426B - 一种蓝牙、WiFi及惯导技术融合的室内定位方法以及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓝牙、WiFi及惯导技术融合的室内定位方法以及系统，方法包括周期性的执行以下步骤：S100、终端实时扫描获取可扫描到的WiFiAP和蓝牙beacon的楼层、位置和对应的信号强度；S200、根据扫描结果计算各AP和beacon距离终端的距离；S300、根据各AP和beacon距离终端的距离以及大气压变化，确定终端所在的楼层，进而筛选出该楼层的AP和beacon；S400、基于惯性导航技术得到终端的新位置，根据所述新位置以及筛选出的AP和beacon的位置和距离终端的距离确定终端的位置。本发明因为融合了蓝牙、WiFi及惯导技术的多种定位技术，能有效提高定位的精度且延时低，且整个算法的复杂度低，便于在移动终端上实现。

Description

一种蓝牙、WiFi及惯导技术融合的室内定位方法以及系统

技术领域

本发明涉及导航领域，尤其涉及一种蓝牙、WiFi及惯导技术融合的室内定位方法以及系统。

背景技术

室内定位是指在室内环境无法使用卫星定位时，使用室内定位技术作为卫星定位的辅助定位，解决卫星信号到达地面时较弱、不能穿透建筑物的问题。最终定位物体当前所处的位置。常见的室内定位技术有通讯网络的蜂窝定位、Wi-Fi、蓝牙、红外线、超宽带、RFID、ZigBee和超声波。还有融合蓝牙和wifi的定位算法，通过部署的蓝牙基站和wifi AP保证定位网络的无缝覆盖。

但是，现有的室内定位技术计算复杂度高，不适合在手持终端上应用；耗电量大，也不适合在使用电池的移动终端上应用；精度低，延时大，不满足高精度实时定位导航的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种蓝牙、WiFi及惯导技术融合的室内定位方法以及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一方面，本发明公开了一种蓝牙、WiFi及惯导技术融合的室内定位方法，包括周期性的执行以下步骤：

S100、终端实时扫描获取可扫描到的WiFi AP和蓝牙beacon的楼层、位置和对应的信号强度；

S200、根据扫描结果计算各AP和beacon距离终端的距离；

S300、根据各AP和beacon距离终端的距离以及大气压变化，确定终端所在的楼层，进而筛选出该楼层的AP和beacon；

S400、基于惯性导航技术得到终端的新位置，根据所述新位置以及筛选出的AP和beacon的位置和距离终端的距离确定终端的位置。

在本发明所述的室内定位方法中，步骤S300中所述的确定终端所在的楼层包括：

S310、分别计算扫描到的各个楼层的AP和beacon的加权函数之和，其中，所述加权函数与WiFi AP或者蓝牙beacon距离终端的距离相关；

S320、判断加权函数之和最大的楼层与终端前一个时刻所在的楼层是否相同，如果相同，则确定加权函数之和最大的楼层为终端所在的楼层；如果不同，则判断需要切换楼层并进入步骤S330；

S330、判断测量到的大气压的变化是否超过相应的阈值，如果超过，则切换楼层，确定加权函数之和最大的楼层为终端所在的楼层；如果未超过，则判断终端所在的楼层为前一个时刻所在的楼层。

在本发明所述的室内定位方法中，所述方法还包括：如果连续一定次数判断需要切换楼层且测量到的大气压的变化未超过相应的阈值，则切换楼层。

在本发明所述的室内定位方法中，步骤S400中所述的基于惯性导航技术得到终端的新位置包括：利用磁场传感器和陀螺仪传感器确定终端的移动方向，利用加速度传感器确定步数，根据步长确定移动距离，根据前一个时刻终端的位置，基于以下公式估计终端的新位置：

x_t＝x_t-1+d2*cos(θ)，y_t＝y_t-1+d2*cos(θ)

其中，x_t、y_t表示表示新位置，x_t-1、y_t-1表示表示前一个时刻终端的位置，d2表示移动距离，θ表示终端的移动方向。

在本发明所述的室内定位方法中，步骤S400中所述的根据所述新位置以及筛选出的AP和beacon的位置和距离终端的距离确定终端的位置包括：

将使函数的取值最小的x和y作为终端的位置，其中，K代表筛选出的AP和beacon的个数，x_K和y_K代表基于惯性导航技术得到的终端的新位置，d_i代表第i个AP或者beacon距离终端的距离，f(d_i)表示与d_i相关的加权函数，x_i和y_i代表第i个AP或者beacon的位置。

在本发明所述的室内定位方法中，步骤S200包括：

利用各AP和beacon的信号强度，基于信道衰减模型d1＝a*log(rssi)+b计算得到各AP和beacon距离终端的距离；其中，d1表示WiFi AP或者蓝牙beacon的距离终端的距离，rssi表示信号强度，a、b均为常数，a、b的数值为经验值或者由现场测试训练得到。

在本发明所述的室内定位方法中，步骤S100包括：

终端实时扫描AP和beacon，记录AP和beacon的设备信息，所述设备信息包括：用于唯一标识AP的MAC地址或者SSID以及记录用于唯一标识beacon的以下三者中的一个或者任意个的组合：UUID、major、minor；

根据所述设备信息查询AP和beacon的位置表，获取各个AP和beacon的楼层以及位置。

在本发明所述的室内定位方法中，所述方法还包括：

S500、对步骤S400中确定的位置进行滤波处理。

另一方面，本发明还公开了一种基于所述的室内定位方法的室内定位系统，包括终端、WiFiAP和蓝牙beacon。

在本发明所述的室内定位系统中，所述终端包括：WiFi模块、蓝牙模块、气压计模块、计算模块、存储模块、无线传输模块、磁场传感器模块、陀螺仪传感器模块、加速度传感器模块。

实施本发明的蓝牙、WiFi及惯导技术融合的室内定位方法以及系统，具有以下有益效果：本发明因为融合了蓝牙、WiFi及惯导技术的多种定位技术，能有效提高定位的精度且延时低，且整个算法的复杂度低，便于在移动终端上实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1是本发明的实施例一的流程图；

图2是本发明的实施例二的流程图；

图3是本发明的实施例三的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。词语“相等”、“相同”或者其他类似的用语，不限于数学术语中的绝对相等或相同，在实施本专利所述权利时，可以是工程意义上的相近或者在可接受的误差范围内。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明总的思路是：终端实时扫描获取可扫描到的WiFi AP和蓝牙beacon的楼层、位置和对应的信号强度；根据扫描结果计算各AP和beacon距离终端的距离；根据各AP和beacon距离终端的距离以及大气压变化，确定终端所在的楼层，进而筛选出该楼层的AP和beacon；基于惯性导航技术得到终端的新位置，根据所述新位置以及筛选出的AP和beacon的位置和距离终端的距离确定终端的位置。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

实施例一

参考图1，实施例一中公开了一种室内定位方法，方法包括周期性的执行以下步骤：

S100、终端实时扫描获取可扫描到的WiFi AP和蓝牙beacon的楼层、位置和对应的信号强度；

具体的，终端实时扫描AP和beacon，记录AP和beacon的设备信息，根据所述设备信息获取各个AP和beacon的楼层以及位置。其中，所述设备信息包括：用于唯一标识AP的MAC地址或者SSID以及记录用于唯一标识beacon的以下三者中的一个或者任意个的组合：UUID、major、minor。

例如，一个具体的实施方式中，对于WiFi AP的扫描数据记录如表1，蓝牙beacon的扫描数据记录如表2。

表1 WiFi AP的扫描数据

MAC地址	信号强度(RSSI)	时间戳(Timestamp)
			MAC1	rssi1	timestamp1
……	……	……

表2 蓝牙beacon的扫描数据

UUID	Major	Minor	信号强度(RSSI)	时间戳(Timestamp)
					UUID1	major1	minor1	rssi1	timestamp1
……	……	……	……	……

其中，时间戳是为了后续计算时数据的调取，例如利用某个时间段内的测试结果来计算，比如1s内的所有测量结果用于定位计算。

需要理解的是，本发明中记录的扫描数据并不限于此，只要能唯一标识AP和beacon均可以。例如，可以用SSID替代MAC地址，只要各个AP的SSID唯一。蓝牙beacon的UUID、major、minor也可以只记录其中的一个或者两个的组合，只要能唯一标识各个beacon即可。

其中，AP和beacon的位置表，记载了各个AP和beacon的楼层以及位置，只需要根据AP、beacon的唯一标识查询即可。

S200、根据扫描结果计算各AP和beacon距离终端的距离；

具体的，利用各AP和beacon的信号强度，基于信道衰减模型d1＝a*log(rssi)+b计算得到各AP和beacon的距离终端的距离；其中，d1表示WiFi AP或者蓝牙beacon距离终端的距离，rssi表示信号强度，a、b均为常数，a、b的数值为经验值或者由现场测试训练得到。

可以理解的是，信道衰减模型并不限于此，只要能根据信号强度估计距离都可以。

S300、根据各AP和beacon距离终端的距离以及大气压变化，确定终端所在的楼层，进而筛选出该楼层的AP和beacon；

其中，所述的确定终端所在的楼层包括：

S310、分别计算扫描到的各个楼层的AP和beacon的加权函数之和∑_jf(d_i)；

其中，j表示具体的楼层，f(d_i)表示加权函数，d_i代表第i个AP或者beacon距离终端的距离；例如f(d_i)＝C/d_i或者C/d_i ²，其中C为常。需要明确的是，f(d_i)并不限于此，此处仅为举例说明。例如，f(d_i)还可以是关于1/d_i的多项式。

根据步骤S100的阐述可知，各个AP和beacon的楼层可以根据位置表查询确定，所以可以将扫描到的所有AP和beacon按照楼层划分。如果楼层越接近用户所在楼层，则扫描到的AP和beacon的距离会越短，与WiFi AP或者蓝牙beacon距离终端的距离相关(具体为负相关)的加权函数f(d_i)可体现这种关系。而且楼层越接近用户所在楼层，则扫描到的AP和beacon的数量也会越多，因此计算同属于一个楼层的所有AP和beacon的加权函数之和∑_jf(d_i)即可体现这种关系。

S320、判断加权函数之和最大的楼层与终端前一个时刻所在的楼层是否相同，如果相同，则确定加权函数之和最大的楼层为终端所在的楼层，结束步骤S300；如果不同，则判断需要切换楼层并进入步骤S330；

S330、判断测量到的大气压的变化是否超过相应的阈值，如果超过，则切换楼层，确定加权函数之和最大的楼层为终端所在的楼层；如果未超过，则判断终端所在的楼层为前一个时刻所在的楼层。

大气压可以基于气压计测量，此处所述的大气压的变化是指当前测量的大气压与前一个时刻所测量的大气压的差值。而此处所提到的相应的阈值并不是固定的，而是当前的加权函数之和最大的楼层与前一个时刻所在的楼层之间的高度差所对应的大气压的差值。

另外，可以理解的是，对于首次启动步骤300的情况，因为不存在终端前一个时刻所在的楼层，所以不必执行步骤S320。

优选的，为了避免计算出现误差，如果连续一定次数判断需要切换楼层，且测量到的大气压的变化未超过相应的阈值，则切换楼层。具体的，可以在方法首次启动时建立一个计数器flag＝0，此时，相应的步骤S300具体包括：

S310、分别计算扫描到的各个楼层的AP和beacon的加权函数之和∑_jf(d_i)；

S320、判断加权函数之和最大的楼层与终端前一个时刻所在的楼层是否相同，如果相同，将计数器flag清零，并确定加权函数之和最大的楼层为终端所在的楼层，结束步骤S300；如果不同，则判断需要切换楼层并进入步骤S330；

S330、判断测量到的大气压的变化是否超过相应的阈值，如果超过，则切换楼层，确定加权函数之和最大的楼层为终端所在的楼层，将计数器flag清零；如果未超过，则计数器flag的计数加一，并判断计数器flag的数值是否达到一定数值，如果达到一定数值则切换楼层，确定加权函数之和最大的楼层为终端所在的楼层，如果未达到一定数值，则判断终端所在的楼层为前一个时刻所在的楼层。

S400、基于惯性导航技术得到终端的新位置，根据所述新位置以及筛选出的AP和beacon的位置和距离终端的距离确定终端的位置。

其中，步骤S400中所述的基于惯性导航技术得到终端的新位置包括：利用磁场传感器和陀螺仪传感器确定终端的移动方向，利用加速度传感器确定步数，根据步长确定移动距离，根据前一个时刻终端的位置，基于以下公式估计终端的新位置：

x_t＝x_t-1+d2*cos(θ)，y_t＝y_t-1+d2*cos(θ)

其中，x_t、y_t表示表示新位置，x_t-1、y_t-1表示表示前一个时刻终端的位置，d2表示移动距离，θ表示终端的移动方向。

其中，步骤S400中所述的根据所述新位置以及筛选出的AP和beacon的位置和距离终端的距离确定终端的位置包括：

将使函数的取值最小的x和y作为终端的位置，其中，K代表筛选出的AP和beacon的个数，x_K和y_K代表基于惯性导航技术得到的终端的新位置，x_i和y_i代表第i个AP或者beacon的位置，d_i代表第i个AP或者beacon距离终端的距离，f(d_i)表示与d_i相关的加权函数，f(d_i)可参考步骤S310中的说明，此处不再赘述。

以上，由于本发明因为融合了蓝牙、WiFi及惯导技术的多种定位技术，能有效提高定位的精度且延时低，且整个算法的复杂度低，便于在移动终端上实现。

实施例二

本实施例在实施例一的基础上增加了后续步骤S500，具体为：

S500、对步骤S400中确定的位置进行滤波处理。

该步骤中，可采用多种不同的滤波技术，如卡尔曼滤波、粒子滤波等，也可采用简单的平滑过滤器，如下式所示：

式中，α为平滑系数，其范围为[0，1]，可根据终端的实际移动速率来决定大小，例如可取0.2。x_new、y_new是最终确定的终端的位置，x_t-1、y_t-1表示前一个时刻终端的位置，x_t、y_t为步骤S400中确定的终端的位置。

实施例三

本实施例公开了一种与上述定位方法同属一发明构思的室内定位系统，系统包括终端、WiFi AP和蓝牙beacon。所述终端包括：WiFi模块、蓝牙模块、气压计模块、计算模块、存储模块、无线传输模块、磁场传感器模块、陀螺仪传感器模块、加速度传感器模块。

WiFi模块、蓝牙模块用于执行扫描。存储模块用于存储数据，包括扫描数据、各传感器及气压计的数据、计算模块的计算数据。计算模块用于从存储模块中调取数据执行上述室内定位方法中所有的计算。无线传输模块用于与定位中心通讯，以获取计算中需要的数据，比如AP和beacon的位置表，再比如比较大气压变化时的阈值对应的楼高、当地的重力加速度、空气密度，还可以实时上报终端位置。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种蓝牙、WiFi及惯导技术融合的室内定位方法，其特征在于，包括周期性的执行以下步骤：

S100、终端实时扫描获取可扫描到的WiFi AP和蓝牙beacon的楼层、位置和对应的信号强度；

S200、根据扫描结果计算各AP和beacon距离终端的距离；

S300、根据各AP和beacon距离终端的距离以及大气压变化，确定终端所在的楼层，进而筛选出该楼层的AP和beacon；

S400、基于惯性导航技术得到终端的新位置，根据所述新位置以及筛选出的AP和beacon的位置和距离终端的距离确定终端的位置；

其中，步骤S300中所述的确定终端所在的楼层包括：

S310、分别计算扫描到的各个楼层的AP和beacon的加权函数之和，其中，所述加权函数与WiFi AP或者蓝牙beacon距离终端的距离相关；

S320、判断加权函数之和最大的楼层与终端前一个时刻所在的楼层是否相同，如果相同，则确定加权函数之和最大的楼层为终端所在的楼层；如果不同，则判断需要切换楼层并进入步骤S330；

S330、判断测量到的大气压的变化是否超过相应的阈值，如果超过，则切换楼层，确定加权函数之和最大的楼层为终端所在的楼层；如果未超过，则判断终端所在的楼层为前一个时刻所在的楼层，其中，阈值是当前的加权函数之和最大的楼层与前一个时刻所在的楼层之间的高度差所对应的大气压的差值；

其中，步骤S400中所述的基于惯性导航技术得到终端的新位置包括：利用磁场传感器和陀螺仪传感器确定终端的移动方向，利用加速度传感器确定步数，根据步长确定移动距离，根据前一个时刻终端的位置，估计终端的新位置；

其中，步骤S400中所述的根据所述新位置以及筛选出的AP和beacon的位置和距离终端的距离确定终端的位置包括：

将使函数的取值最小的x和y作为终端的位置，其中，K代表筛选出的AP和beacon的个数，x_K和y_K代表基于惯性导航技术得到的终端的新位置，d_i代表第i个AP或者beacon距离终端的距离，f(d_i)表示与d_i相关的加权函数，x_i和y_i代表第i个AP或者beacon的位置。

2.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，所述方法还包括：如果连续一定次数判断需要切换楼层且测量到的大气压的变化未超过相应的阈值，则切换楼层。

3.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，步骤S400中基于以下公式估计终端的新位置：

x_t＝x_t-1+d2*cos(θ)，y_t＝y_t-1+d2*cos(θ)

其中，x_t、y_t表示新位置，x_t-1、y_t-1表示前一个时刻终端的位置，d2表示移动距离，θ表示终端的移动方向。

4.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，步骤S200包括：

利用各AP和beacon的信号强度，基于信道衰减模型d1＝a*log(rssi)+b计算得到各AP和beacon距离终端的距离；其中，d1表示WiFi AP或者蓝牙beacon的距离终端的距离，rssi表示信号强度，a、b均为常数，a、b的数值为经验值或者由现场测试训练得到。

5.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，步骤S100包括：

终端实时扫描AP和beacon，记录AP和beacon的设备信息，所述设备信息包括：用于唯一标识AP的MAC地址或者SSID以及记录用于唯一标识beacon的以下三者中的一个或者任意个的组合：UUID、major、minor；

根据所述设备信息查询AP和beacon的位置表，获取各个AP和beacon的楼层以及位置。

6.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，所述方法还包括：

S500、对步骤S400中确定的位置进行滤波处理。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述的室内定位方法的室内定位系统，其特征在于，包括终端、WiFi AP和蓝牙beacon。

8.根据权利要求7所述的室内定位系统，其特征在于，所述终端包括：WiFi模块、蓝牙模块、气压计模块、计算模块、存储模块、无线传输模块、磁场传感器模块、陀螺仪传感器模块、加速度传感器模块；其中，WiFi模块、蓝牙模块用于执行扫描，存储模块用于存储数据，计算模块用于从存储模块中调取数据执行权利要求1-7中任一项室内定位方法中所有的计算，无线传输模块用于与定位中心通讯，以获取计算中需要的数据以及实时上报终端位置。