CN107094319B - 一种高精度室内外融合定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种借助专用终端或智能手机的室内外融合定位方法，不仅适用于人，而且适用于机器人和其它智能移动设备。其特征：1)室内定位通过惯性导航、粒子滤波、指纹匹配、室内地图匹配实现，精度1米左右；2)系统自动切换室内外场景，室内外定位无缝结合；3)专用终端由通用硬件模块如GPS、惯性导航传感器(加速度计、磁力计、陀螺仪)、wifi或者蓝牙模块、通信模块等组成；4)实施现场基于现有的wifi网络或者蓝牙网络，不需要部署其它硬件，从而降低了成本；5)具有设计优异的地图标注系统，可以方便快速的进行地图标注，不需要专业技能就可以完成；6)算法完善独立，可移植性高，可轻松移植至其他智能手机平台、机器人平台、可穿戴设备等。

Description

一种高精度室内外融合定位系统和方法

技术领域

本发明涉及移动终端应用领域以及基于位置的线上线下(o2o)融合的领域，特别是涉及一种借助专用终端及智能终端的室内外融合定位方法，不仅适用于人，而且适用于智能设备和可穿戴设备，如机器人、智能眼镜、智能鞋垫等。

背景技术

基于位置的应用，是目前人类最常见、最刚需的应用。目前室外定位已经成熟，借助于GPS导航卫星、以及无线通信基站，定位精度已经达到5米左右，借助于室外定位，人们可以达到所需要去的大厦等目标；但是对于室内定位，由于GPS信号不能到达大的大厦内部，所以不能用室外的方法进行定位，近十年来，许多公司和科研机构进行了大量的室内定位研究(请见下面关于室内定位方法的总结)，除了一些专用的方法如部署UWB、RFID等室内基站系统，没有一个低成本面向社会大众的通用定位方法；同时由于室内环境的多样性和易变性，使得室内地图的获取变得非常困难，这也从一定程度上使得室内定位难以推广。

从应用的角度来看定位，目标总是活动在一定区域，在移动互联网的定制化、个人化时代，面向个人和特定应用场景的定位必将称为趋势，而这种定位必然是区域的定位，即个人日常活动的区域，这个区域包括相关的室外和室外环境，如一个商务人士从办公室出发，到客户大楼内客户公司所在房间；休闲人士从家里出发，达到游览胜地，需要浏览地的详细导航信息，而这个游览地虽然在室外，但是目前的室外定位运营商也没有提供详细的地图信息及导航服务；又比如大型厂区内，有室外空间，也有大的厂房等室内空间等等。这里的区域，就是涉及目标定位需求的有限范围的室内外区域的组合，从技术上将，这里的室内不仅仅指建筑物室内，也包括虽然物理上是室外，但是没有提供详细定位服务的室外空间如室外大型停车场、公园、游览胜地等。

区域定位的几个特点：一是精度高，必须一米左右甚至米以内，因为有寻找和进入停车位的需求、找餐桌的需求，移动式机器人室内定位、导航等；二是室内外融合，也就是说不能只管室外，进了大楼里面就不管了；三是室内的概念模糊化，代之以高精度的要求，比如停车场和公园，虽然是在室外，但是由于它要精确到1米左右，所以要用室内定位的技术，达到室内定位的1米左右的精度才行，这个时候应该是室外的环境，室内的技术，从技术上定义为室内定位更合适。

对于高精度定位的需求，还来自于如火如荼、迅猛发展的机器人领域以及可穿戴设备领域，比如机器人包括家政机器人、扫地机器人、物流机器人，比如可穿戴设备包括定位鞋垫、智能眼镜、智能腕表等，相对于人类的定位来说，定位对于这些设备是刚需，并且这种定位必须是互联网模式的定位，不能采用特别的设备如UWB基站和天线的方式实现；对于机器人，虽然目前有基于激光雷达、磁贴等方式的定位方案，但是激光雷达价格还比较高，难于用在家庭机器人身上；而磁贴具有容易消磁、部署不方便等缺点。

室外定位技术已经成熟，而室内还没有很好的解决，下面先总结一下室内定位的现状及趋势，这是本发明设计的重点部分。

人类日常生活中，大部分时间呆在室内，在一个陌生的大型室内环境如医院、展览馆、火车站、航站楼、停车场等，常常有快速室内定位和导航的需求，所以室内的定位就非常有市场前景和应用价值。由于各种大型商场大型场馆越来越多，而GPS因为定位信号到达地面时较弱，不能穿透建筑物，同时又受到定位器终端的成本较高等原因的限制，因此，GPS技术无法完成室内精确定位。

现有技术中有几种室内定位的技术，简单描述如下：

——蓝牙技术。蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。这是一种短距离低功耗的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网(Piconet)的主设备，就可以获得用户的位置信息。蓝牙技术主要应用于小范围定位，例如单层大厅或仓库。蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、易于集成在PDA、PC以及手机中，因此很容易推广普及。理论上，对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备的用户，只要设备的蓝牙功能开启，蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。采用该技术作室内短距离定位时容易发现设备且信号传输不受视距的影响。其不足在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。

——射频识别技术。射频识别技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的。这种技术作用距离短，一般最长为几十米。但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围很大，成本较低。同时由于其非接触和非视距等优点，可望成为优选的室内定位技术。目前，射频识别研究的热点和难点在于理论传播模型的建立、用户的安全隐私和国际标准化等问题。优点是标识的体积比较小，造价比较低，但是作用距离近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系统之中。

——超宽带技术。超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。超宽带可用于室内精确定位，例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度，缺点是在大型室内环境，需要部署较多的室内基站，连同UWB终端，整个系统的成本较高。

-W1-Fi技术。无线局域网络(WLAN)是一种全新的信息获取平台，可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务，而网络节点自身定位是大多数应用的基础和前提。当前比较流行的W1-Fi定位是无线局域网络系列标准之IEEE802.11的一种定位解决方案。该系统采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，易于安装，需要很少基站，能采用相同的底层无线网络结构，系统总精度高。W1-Fi技术的特点是应用于小范围的室内定位，成本较低。但无论是用于室内还是室外定位，W1-Fi收发器都只能覆盖半径90米以内的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高。

-ZigBee技术。ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它介于射频识别和蓝牙之间，也可以用于室内定位。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调通信以实现定位。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。ZigBee最显著的技术特点是它的低功耗和低成本。

发明内容

上述技术和方法，大多需要专门的硬件和终端，成本随着室内面积的增大而上升，部署起来周期比较长，所以需要一种移动互联网模式的室内定位技术。随着科技发展日新月异，智能手机的功能也越来越强大，人们生活出行和定位越来越依赖于手机。而智能手机的传感器越来越精确，处理能力越来越强；同时室内Wi-Fi的部署以及蓝牙基站的部署越来越普遍，特别是一些大型的室内环境，本发明的基本目的就是利用这两者的优势，利用现有的Wi-Fi或者蓝牙部署，利用手机的传感器，并提供一种专用终端设备，在不增加任何专用硬件的条件下，提供稳定、可靠、具有一定精度的室内外定位技术，一种面向个人的低成本、高精度区域定位服务。

技术上针对上述室内定位技术中的不足之处，在粒子滤波技术的基础上而提出的一种综合利用微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)传感器、Wi-Fi或蓝牙指纹、电子地图实现室内定位导航的方法，该方法操作简单，应用广泛，可完成室内精确定位及导航操作，也可以在室外修正GPS误差，提高GPS定位精度。

所涉及的终端包括现有的智能手机或类似的智能终端如pad等，在手机或pad中安装app来定位和导航；同时系统支持专用定位终端，该终端(详见下面描述)包括MEMS传感器、GPS模块、Wi-Fi蓝牙模块、无线通信模块，可以代替手机，为行业用户如公安、消防、武警、军队等提供区域定位服务。

本发明提供室内外无缝融合的定位服务，即移动目标使用手机的客户端或者持有本发明提供的终端从室外移动到室内，以及从室内移动到室外，手机客户端会自动进行相应切换；对于被动定位的移动目标如儿童腕表、学生校卡，那么后台会看到移动目标的室内外位置的切换。

本发明提供室内外无缝融合的定位导航及相应切换，即移动目标使用手机的客户端从室外移动到室内，以及从室内移动到室外，手机客户端会自动进行定位的切换，以及导航的切换。

本发明基于发明No.210510575586.9中的技术和方法。

本说明书以下部分主要基于专用定位终端来描述发明内容。

本发明的目的是通过如下技术措施来实现的。

移动方向及运动模态的实现方法

定位终端提供九轴传感器(即三轴磁力计、三轴陀螺仪、三轴加速度计)模块，利用其中的三轴加速度传感器测量间隔一定短时间间隔后的相对板平面的加速度a_x′，a_y′，a_z′，并且利用Δv＝a×Δt，并且进行累加，可以得到在不同时间相对于板平面的速度，然后利用陀螺仪可以测量的加速度对以上的速度进行变换，从而得到在真实空间中的三个方向的速度分量(以竖直向上为z轴正方向，x，y可以具体定义，满足三维直角坐标系关系)。考虑到角度量θ是标量，但是无穷小量dθ是矢量，那么可以利用公式dθ＝ω×dt得到在较短时间内的坐标系沿三个方向的旋转变换(在实际中利用很短的时间来替代dθ)dθ_x，dθ_y，dθ_z。

坐标系转换公式：

其中α，β，γ分别是沿x，y，z三个方向在短时间内的转过的夹角，不断的利用以上转换公式可以得到当前实验板坐标系和真实空间坐标系的转动关系，利用A^-1可以逆向推导出v_x，v_y，v_z，(在真实空间坐标系中的三个速度分量)，再利用这三个速度分量可以计算出位移，从而实现移动模态的划分和移动方向的确立。

注意，上述过程是不断重复的过程，也就是目标每走(跑、跳)一步，都要进行模态和移动方向的分析。

在确定了运动模态以及移动方向以后，就可以进一步确定目标的初始位置以及精细位置，并根据目标要去的目的地进行导航了，这个过程主要包括以下步骤：

(1)取得所要定位的空间的建筑平面图，扫描成图形格式，利用本发明所提供的图形标注软件，标注出来定位所关心的元素如房间、走廊、楼梯、门、电梯等，同时完成这些元素之间的拓扑关系；标注完成后，生成文本文件doc-A；

(2)利用指纹采集客户端，现场采集指纹信息，同时生成指纹文本文件doc-B；

(3)将上述两个文件下载到定位终端里；

(4)打开室内定位的客户端，根据doc-A生成室内地图；根据doc-B并利用指纹算法确定当前的初始位置；

(5)用户走动的过程中，传感器采集有关信息，系统根据算法实时分析移动模态，步态、步长、步向等。由于每个人的步长不同，系统首先设定一个初始步长如70厘米，然后根据个人情况动态调节；

(6)用户每走一步，都会采集指纹信息，对照地图，进行粒子滤波算法和地图匹配算法，并生成用户行走的轨迹；每次粒子滤波的计算，都会给步长、步向以调整，使得系统能够准确地得到用户实际行走的轨迹、形态、快慢。

本发明与传统的室内定位方式相比其优点在于：

1.把室内外定位无缝结合起来

2.成本低，无需额外铺设定位辅助设备，仅仅利用智能手机中的传感器设备完成定位导航操作；

3.所提供的专用终端的组成都是标准硬件如Wi-Fi、蓝牙模块、通信模块、传感器模块等

4.解决了室内地图制作的复杂性和降低了室内地图制作的成本：通过本发明专有的地图标注软件，可以直接将现有的室内平面图转化为室内地图

5.环境方面，基于现有的Wi-Fi网络或者蓝牙网络，鉴于大多数的商场、航站楼、火车站等都有Wi-Fi网络，所以不需要重新部署，从而降低了成本；

6.经实验验证，定位准确度可达90％以上，误差在1m左右；

7.具有设计优异的地图标注系统，可以方便快速的进行地图标注，不需要专业技能就可以完成；

8.算法完善独立，可移植性高，可轻松移植至其他智能手机平台，机器人平台、可穿戴设备等；

9.应用广泛，可在室内大型场馆内完成精确室内定位导航，也可以在室外特别区域如校园、监狱、医院、小区等结合GPS定位，提高GPS定位精度；

附图说明

图1是本发明中终端和云端结合起来进行定位和导航的示意图，也是整个系统架构的示意图。

图1所示主要是说明整个系统的组成由终端和云端组成，其中终端可以是现有的智能手机，适合于普罗大众体验室内定位业务；专业终端可以给行业用户使用。云端系统包含第三方接口，主要给行业用户提供信息接口如商家查看其用户的位置和轨迹，并提供促销信息，通过系统将促销信息推送给最终用户。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

本发明设计的系统分为终端部分和远端系统。

终端包括手机和专用终端，这里主要介绍专用终端，它包括：

1)传感器模块，包括加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计；主要目的是用来确定移动目标的移动方向、运动状态(也成为模态检测)，其中气压计用来确定目标高度，帮助系统确定目标所在楼层

2)蓝牙、Wi-Fi模块：用来扫描现场的蓝牙或者Wi-Fi信号，作为定位目标初始位置。蓝牙和Wi-Fi存在一种即可。现实社会中已经普遍存在Wi-Fi，但是蓝牙还没有广泛存在，在没有Wi-Fi的情况下，推荐现场要部署蓝牙锚点，目前蓝牙锚点的售价已经低于50元人民币，在大的广场或者商城，间隔20米左右部署一个蓝牙锚点即可；家庭环境建议每个大的房间部署一个；之所以强调蓝牙，是因为如果不使用专用终端而只是用app来定位和导航，那么苹果手机的app需要蓝牙来完成初始定位

3)GPS模块：主要用来室外定位

4)通信模块：用来实现终端与后台的通信，比如接收云端发来的室内地图；将现场Wi-Fi信号发送到后端，接收后端确定的目标初始位置；

5)本地存储模块：存储室内地图、用户移动轨迹等；本地计算包括传感器数据的处理，运动模态的确定等

6)室内定位引擎：采用组合算法，把地图数据、传感器数据、后端传来的指纹定位信息一起加工，获得用户的精细位置

云端系统：

1)指纹定位：在离线阶段，终端会采集少量的指纹信息，这些指纹信息会通过通信模块传递到后台；在实时定位阶段，云端会接收终端采集的指纹矢量，通过指纹定位算法，确定目标当前位置，作为定位引擎的一个输入

2)室内地图标注：通过运营人员利用标注工具进行地图的标注，标注以后形成中间格式的地图信息，传送给终端的定位引擎，结合指纹定位的结果，获取目标的精细位置

3)终端管理：远程配置终端(包括专用终端和智能手机)，进行app的动态更新，在获得用户授权的情况下，获取用户的移动轨迹等

4)第三方系统接口：主要是给行业用户提供信息接口如商家要推送的广告信息等，公安指挥中心给一线警员的指挥命令等

本发明方法主要分为两个阶段：离线阶段和在线阶段。离线阶段主要完整Wi-Fi或蓝牙的指纹采集、电子地图的标注；在线阶段完成指纹粗定位、移动模态确定、粒子滤波定位及导航三部分。

离线阶段：

第一部分，指纹信息采集；

第二部分，电子地图标注。

在线阶段：

第一部分，Wi-Fi或蓝牙粗定位；

第二部分，移动模态确定，设置初始步长；

第三部分，定位和导航。

离线阶段第一部分：

指纹信息采集。一般的指纹定位，需要根据定位面积和定位精度来配合部署Wi-Fi网络，需要一定数量的Wi-Fi路由器和部署的网络拓扑结构，在基础上采集足够多的Wi-Fi指纹，然后才能得到比较好的定位效果。其结果是：1)网络部署成本高、部署周期长，如果现场已经有Wi-Fi网络，那么改造就更加麻烦；2)采集Wi-Fi指纹费时、费力，采集点的数量如果不够多，那么定位效果就差。本发明与一般基于Wi-Fi指纹定位的方法不同，它充分利用现有的Wi-Fi网络，对于现有Wi-Fi网络没有要求，不需要改造；只需要采集某些点的Wi-Fi指纹即可，并且对于这些“某些点”的位置没有要求。在采集过程中，通过客户端扫描Wi-Fi或者蓝牙的热点，用户手持手机设备，在建筑平面图中选取特定点，即可完成建筑地Wi-Fi或者蓝牙数据采样，形成区域的指纹地图，该指纹地图记录的主要是位置和信号强度对。

离线阶段第二部分：电子地图标注。所谓的地址地图是指各种图片格式的室内平面图，标注的过程是分析室内各个空间单元的区分和关联，找出其位置以及相互之间的拓扑关系。标注的信息形成一个文本文件，这个文本文件下载到手机，供定位算法使用；也供手机重绘室内地图使用。由于形成的中间文件很小，所以相比于直接下载图片到手机，可以为用户节省大量的流量。

室内地图的标注和处理。室内地图的标注和处理是整个室内定位的基础，主要目的有：1)显示用户的位置和行走轨迹；2)利用地图信息进行定位算法。

通过标注软件对地图进行标注：通过人工的方式把关心的单元标注出来，如房间、走廊、前厅、电梯等。主要区分两种类型的单元，一是可达区，另一是不可达区。

标注单元的同时，也标注单元的相互关系，即拓扑关系如相邻、包含、交叉等

标注完成后形成文本文件上传服务器，同时将原始室内平面图上传服务器

在线阶段第一部分，Wi-Fi或者蓝牙粗定位：

扫描当前位置点的Wi-Fi或者蓝牙信号，上传服务器，服务器通过指纹定位算法，返回给客户端客户所在的当前位置。

本发明所实现的室内定位的起始位置(或初始位置)是由Wi-Fi或者蓝牙提供的，具体来说为指纹定位。在线阶段，定位客户端扫描现场的Wi-Fi热点，将扫描的信号强度比对离线阶段形成的指纹地图，通过KNN算法获得初始位置。

在线阶段第二部分，移动模态的确定：

所谓模态是指用户的运动状态，如正常走步，跑动、跳跃、静止或接近于静止，坐电梯、走步行梯等。：本实施例中需要用到三个传感器：地磁场传感器，加速度传感器和陀螺仪传感器。本实施例中使用的硬件设备为带有地磁场传感器、加速度传感器和陀螺仪传感器的android系统智能手机、IOS智能手机或其它智能终端如平板电脑、可穿戴设备等。

1.传感器数据获取

在检测到手机设备中存在地磁传感器后，使用android系统或IOS系统提供的接口注册地磁传感器、加速度传感器和陀螺仪传感器的监听，因为本方法中对传感器精度要求非常高，所以需要注册精度最高的监听。注册了监听之后，当传感器数据发生变化时，android系统会回调onSensorChanged(SensorEvent event)方法，回调方法参数中包含了传感器获取到的即时的数据。

2.传感器数据的处理

用户在运动过程中不同的运动状态，可以通过运动的频率来进行区分，如静止(或接近静止)、缓步走、疾步走、跑动、坐电梯、走步行梯等，这些状态的频率是不同的。所以可以通过对传感器数据的傅里叶变换处理，判断用户的运动模态如跑步、走动、停留、上下步行梯、乘坐电梯、开车等状态。判断将结果表现为不同的模态，然后结合步长、步向，从而推断目标精确的移动状态。

处理包括低通滤波，快速傅里叶变换等。由于手机收集的随时间离散的信号，如果要得到这些信号的频率信息，需要进行离散信号的傅里叶变换；由于手机的计算能力有限，为了解决计算量较大的傅里叶变换算法的要求，本实施采用快速离散傅里叶变换。离散时间傅里叶变换(DTFT，Discrete-time Fourier Transform)是傅里叶变换的一种。它将以离散时间(其中，为采样间隔)作为变量的函数(离散时间信号)变换到连续的频域，即产生这个离散时间信号的连续频谱，值得注意的是这一频谱是周期的。

记连续时间信号f(t)的采样为

其傅里叶变换为

这就是采样序列f(nT)的DTFT：

为方便起见，通常将采样间隔T归一化，则有

上式即为F(N)的离散时间傅里叶变换。它的反变换为：

考虑到DTFT的周期性，它的逆变换实际上是以周期的连续函数作为输入，离散的谱作为输出，这正是傅里叶级数的形式。

快速傅里叶变换是在离散傅里叶变换的基础上，广泛利用于数字信号处理方向的快速算法，它将DFT的复杂度由n²缩减到nlog(n)，面对大数据处理可以极大缩短处理时间。

由于磁力计在新的环境中会产生较大的误差，在根据其确定步向时，系统需要对其进行人为校正，具体校正方法类似于指南针的矫正，系统会提示用户手持手机进行8字形的晃动，在采集到不同方位的磁力计的读数后，系统会自动修正磁力计的读数，从而得到比较正确的步向数据。

在线阶段第三部分，基于粒子滤波的精确定位及导航：

用户利用手机的客户端，进行实时定位和轨迹确定。

1.根据当前位置，生成一定数量的粒子，然后利用传感器进行步检测。

2.将步长、步向和初始位置换算为用户的下一个位置即当前位置。

其中x(k-1)为前一位置，x(k)为当前位置，d(k-1)为当前步向，l(k-1)为步长，

为步长调整量，

为步向调整量。

3.利用气压传感器确定目标当前的高度，根据高度选取合适的楼层的地图。

由于传感器不可避免的会带入误差，所以当前位置可能是不可靠的，在实际定位中，可能出现定位点和实际物理点相差超过1米的问题，需利用图形信息对当前位置进行校正，因此根据图形拓扑关系设计了轨迹-图形轮廓匹配-惯性定位算法，这就是所谓的图形匹配算法。过程如下：

4.在用户行走一段位置约5-10米后，采用轨迹-图形匹配(tra-graph COMpare)算法，以电子地图为基准图，计算轨迹与电子地图的相关概率，以及轨迹在电子地图上的位置(起始点、终止点)。

5.粒子滤波算法根据此匹配结果，调整粒子的权重，并根据调整后的权重从新确定用户的位置；同时，选择最相近的粒子的轨迹作为实际的行走轨迹，并调整步长、步向，在下一步的步向确定中，对于不正确的步向进行校正。

6.根据Wi-Fi提供的位置信息调整用户位置及轨迹的过程如下：

6.1.在用户行走一段位置后，如果粒子分团现象比较明显或者死掉粒子的速度比较迅速，则系统需要根据Wi-Fi指纹算法得到一个Wi-Fi参考位置

6.2.粒子滤波算法根据此Wi-Fi参考位置，调整粒子的权重，并根据调整后的权重从新确定用户的位置；同时，选择最相近的粒子的轨迹作为实际的行走轨迹，并调整步长、步向，在下一步的步向确定中，对于不正确的步向进行校正。

7.将经过两次校正的传感器位置作为形成轨迹的位置，并加入到轨迹数据库中。

导航

导航功能是建立在定位功能基础上的，用户首先选定目标位置，系统给出用户现在的位置；定位成功后，导航算法会根据用户当前位置点计算出距离用户最近的导航关键点，直至目标位置，使用导航算法即可计算出到达目标地的最短路径，实现导航。

轨迹上传：系统支持将用户轨迹上传，以便于服务器进行大数据分析，得到用户的消费行为的习惯等。

室内外无缝结合

为了给用户良好的体验，系统需要自行、自动化的实现室内外定位的无缝切换，但是目前室外定位的位置是通过经纬度表达的，而本发明的室内定位位置是通过像素点表达的，所以需要提供室外经纬度和室内像素点切换的算法。具体来说：

1.云端系统需要把已经实现了室内定位的商场或者大厦、停车场等的ID和室外目标结合起来，如室外街道或者大厦附近有实现了室内定位的地点，那么系统就要搜索可能的室内Wi-Fi或者蓝牙的矢量；

2.在接收到终端采集的Wi-Fi或者蓝牙矢量以后，根据Wi-Fi或者蓝牙的指纹定位判断目标是否已经在室内环境；如果是室内，形成室内像素表达的位置，并回传给终端；如果是室外，形成经纬度表达的室外位置并回传给终端；

3.终端接收到云端的结果，如果目标前值在室外而当前值在室内，那么系统自动切换到室内地图，完成室外到室内的自动切换：反之，则进行室内到室外的切换；

4.从室内回到室外：以同样的方法进行逆变换即可。

Claims (6)

1.一种高精度的室内外定位融合系统，由云端系统和终端系统组成，其中云端包含指纹定位、地图标注，终端是一种专用的室内外高精度融合定位设备，硬件方面含GPS模块、传感器模块、wifi模块、蓝牙模块，软件方面包含室外定位算法、室内定位引擎、室内地图解析，其中，所述传感器模块包括：磁力计、气压计、陀螺仪、加速度计；

步骤a：终端上传GPS信号、wifi或者蓝牙信号、基站信号给后端，后端确定终端位置为室内还是室外，并将位置类型和位置数据回传给终端；

步骤b：终端接收云端的计算结果，根据位置类型，如果是室外，做位置显示；如果是室内，调用室内定位引擎，做高精度定位计算，确定目标的高精度室内位置；

当用户利用手机的客户端，进行实时定位和轨迹确定包括如下步骤：

1).根据当前位置，生成一定数量的粒子，然后利用传感器进行步检测；

2).将步长、步向和初始位置换算为所述用户的下一个位置；

3).利用气压传感器确定目标当前的高度，根据所述高度选取合适的楼层的地图并根据所述地图和图像匹配算法进行所述位置的校正；

其中，所述校正，包括如下步骤:

4).在用户行走一段位置后，采用轨迹-图形匹配(tra-graphCOMpare)算法，以所述地图为基准图，计算轨迹与所述地图的相关概率，以及轨迹在所述地图上的位置，得到匹配结果，所述地图上的位置包括所述轨迹的起始点和终止点；

5).粒子滤波算法根据所述匹配结果，调整粒子的权重，并根据调整后的权重重新确定用户的位置；同时，选择最相近的粒子的轨迹作为实际的行走轨迹，并调整步长、步向，在下一步的步向确定中，对于不正确的步向进行校正；

根据Wi-Fi提供的位置信息调整用户位置及轨迹的过程如下:

6.1).在用户行走一段位置后，如果粒子分团现象比较明显或者死掉粒子的速度比较迅速，则系统需要根据Wi-Fi指纹算法得到一个Wi-Fi参考位置；

6.2).粒子滤波算法根据此Wi-Fi参考位置，调整粒子的权重，并根据调整后的权重重新确定用户的位置；同时，选择最相近的粒子的轨迹作为实际的行走轨迹，并调整步长、步向，在下一步的步向确定中，对于不正确的步向进行校正；

7).将经过两次校正的传感器位置作为形成轨迹的位置，并加入到轨迹数据库中；

步骤c：终端接收云端的计算结果，根据目标前后位置类型，做室内、室外定位的切换。

2.根据权利要求1所述的高精度的室内外定位融合系统，其特征在于，云端根据终端上传的信号确定终端的位置类型和位置坐标数据，包括：

步骤a11：根据接收到的wifi或者蓝牙信号矢量，利用指纹定位算法计算目标像素位置，如果像素为有效值并且落在在室内，则判断目标位置在室内，将结果回传给终端；

步骤a12：如果步骤a11的像素值无效，那么利用GPS、wifi信号、基站信号计算室外位置并回传给终端。

3.根据权利要求1所述的高精度的室内外定位融合系统，其特征在于，根据云端给出的粗定位信息，利用本地的传感器数据，基于室内电子地图的标注、wifi或者蓝牙信号指纹定位、惯性导航的组合室内定位方法，给出目标在室内的精确位置，包括：

步骤b11：根据接收到的传感器数据，进行移动模态的确定；

步骤b12：利用粒子滤波，根据云端给出的wifi指纹定位结果，结合步长和步向，给出新的目标室内位置，必要时进行粒子权重的调整；

步骤b13：结合电子地图信息，进行误差纠正，保证稳定可靠的定位效果和定位精度。

4.根据权利要求1所述的高精度的室内外定位融合系统，其特征在于，终端根据云端的定位类型和定位结果及时进行相应的处理，包括：

步骤c11：如果接收到的定位类型为室外定位，那么调用室外地图接口，进行位置显示和导航；

步骤c12：如果接收到的定位类型为室内定位，那么把地图切换到室内定位，那么把传感器数据传递给室内定位引擎，由室内定位引擎进行精细定位，根据定位结果进行位置显示和导航。

5.根据权利要求1所述的高精度的室内外定位融合系统，其特征在于，还包括导航子系统，其中，所述导航子系统包括室外导航、室内导航和室内外导航的切换，所述导航子系统用于执行如下步骤：

步骤一：室外导航：只是相对于人类而言，由人自己设定要去的目的地并发送请求给云端，由云端规划路径并传送给客户端；

步骤二：室内导航：对于人类和机器人都适用，终端根据目标要去的目的地，根据标注的地图信息，本地计算和规划行走路径，对于机器人，机器人根据人机交互得到要去的目的地，由室内定位引擎进行定位和规划路径，其中，所述机器人通过语音识别得到要去的目的地；

步骤三：对于人类而言，存在室内外导航的切换问题：这个导航的切换根据室内外定位的切换来进行，当定位结果由室外切换到室内，导航也会跟着从室外导航切换到室内导航，反之亦然。

6.根据权利要求5所述的高精度的室内外定位融合系统，其特征在于，需要选取一个室内外结合点，根据这个结合点进行导航路径的规划以及室内外导航的切换，包括：

步骤c51：目标选取室内的目的地，假设目标现在室外；

步骤c52：云端根据目标的请求，规划从目标当前位置到目的地建筑物入口的路线，其中，所述云端通过如下方式得到所述路线：目标选取了室内的一个会议室，所述云端则会规划一个从所述当前位置到达所述会议室所在大楼入口的导航路线；

步骤c53：在室外定位环节，根据室外定位的结果进行室外导航，鉴于大厦的入口可能不止一个，根据目标实际位置，可能需要云端调整原来设定的入口，并动态导航到离目标最近的入口；

步骤c54：如果定位发生了从室外到室内的切换，那么导航随之进行相应切换。

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