CN107360549A - 一种基于蓝牙5的室内定位导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于蓝牙5的室内定位导航方法，针对室内定位设备的定位进行误差分析，提出利用蓝牙5的室内精确定位导航方法。该方法包括：步骤1，建立室内位置指纹数据库，主要包括参考点地理位置坐标、蓝牙信号发射模块广播的信号强度RSSI及对应蓝牙信号发射模块ID；步骤2，利用蓝牙技术进行室内定位导航，利用蓝牙信号发射模块广播信号，定位设备接收到信号后与室内位置指纹数据库进行匹配，得出定位点坐标；步骤3，修正定位设备自身定位的误差，定位设备通过自身定位得出初步定位轨迹，再利用精确定位点坐标对轨迹进行修正。本发明具有成本低、精确度高且功耗低等优点，可广泛运用到室内精确定位导航领域。

Description

一种基于蓝牙5的室内定位导航方法

技术领域

本发明涉及定位导航技术领域，更具体的话，尤其涉及一种基于蓝牙5的室内定位导航方法。

背景技术

近年来，随着“物联网”技术的蓬勃发展，各类空间位置定位技术和相关系统处于快速发展中。目前，在定位导航方面应用比较广泛的是“GPS”定位系统和“北斗”定位系统。然而，上述两种定位系统信号由于受建筑物屏蔽影响，其信号强度大大衰减，严重影响室内的定位精度。因此，如何实现室内精确定位成为各个领域和研究机构研究的重要课题。

目前较为主流的室内定位方法主要包括：ZigBee技术、红外线技术、超声波技术、无线局域网技术及蓝牙技术等。ZigBee技术具有穿透性好、能耗低等优点，但是该技术由于基础设备十分庞大，定位系统难以普及；红外线技术能耗低且响应快，是较早运用于室内通信定位的技术，但是红外线技术穿透能力极差，且传播距离

短，不能满足室内定位的需求；超声波技术虽然定位精度较高，然而系统底层硬件成本非常高，部署成本极大，在室内应用受限；无线局域网技术具有部署成本低、算法简单等优点，但是其信号容易受到干扰，且wifi信标在布置过程中需连接有线电源，应用受限；蓝牙技术优势在于设备体积小，可集成到微小移动终端，随着蓝牙技术的发展，功耗更低、传输距离、稳定性和安全性都得到大大提高，在室内定位中具有很大优势。

现有的基于蓝牙协议的室内定位方法存在一定的不足，例如中国专利CN201621038405.5介绍了一种蓝牙室内定位故障预警系统，主要原理是通过系统的扫描终端扫描蓝牙模块与蓝牙的通信，将扫描结果通过基站传输到数据服务器，然后数据服务器将数据传输到数据处理中心进行处理，该定位系统成本较高，系统冗余较多，在室内定位方面技术应用受限。

中国专利CN201510790928.9，给出了一种用于室内定位的智能终端及蓝牙室内定位系统，主要包括蓝牙定位信标、智能终端和服务器，具体原理是智能终端搜索蓝牙信号，并将搜索结果传输到服务器中。该方法不仅需要蓝牙通信，还需要无线网、4G或3G通信，同时需要后台服务器进行计算，系统结构较为复杂，且数据传输受限，定位算法较为复杂。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于蓝牙5的室内定位导航方法，该方法不仅可以实现对定位设备的快速离散定位，算出定位点地理位置坐标，还可以针对定位设备自身定位轨迹进行修正，具有定位算法简单，功耗低且定位精确等优点。

本发明提供一种基于蓝牙5的室内定位导航方法，技术方案具体为：

(1)本发明提出的的一种基于蓝牙5的室内定位导航方法，具体包括如下步骤：

步骤1：建立室内位置指纹数据库，具体是通过检测设备在参考点位置采样各个蓝牙信号发射模块广播的信号强度RSSI和对应蓝牙信号发射模块的ID，建立位置指纹，并将室内位置指纹数据库传输到蓝牙信号发射模块；

步骤2：进行定位导航，蓝牙信号发射模块进行广播，定位设备接收到数据后，依据检测的蓝牙信号发射模块强度RSSI与室内位置指纹数据库信息进行匹配定位，依据参考点位置坐标算出定位设备的地理位置坐标；

步骤3：轨迹修正阶段，定位设备在运动过程中，利用加速度传感器和陀螺仪对其运动轨迹进行初步定位记录，得到初步定位轨迹，然后利用检测时间内基于蓝牙5的室内定位方法得到的定位设备位置坐标，对初步定位轨迹进行进一步修正，得到精确移动轨迹。

(2)进一步限定，在上述一种基于蓝牙5的室内定位导航方法中，所述的步骤具体包括：

所述的室内位置指纹数据库，是由参考点处检测的位置指纹构成，具体的，参考点处的位置指纹包括在参考点处检测设备检测的各个蓝牙信号发射模块广播的信号强度RSSI、对应蓝牙信号发射模块的ID及参考点地理位置坐标；

所述的检测设备，是指在各个参考点处检测蓝牙信号，建立参考点处的位置指纹，并将最终的室内位置指纹数据库发送回蓝牙信号发射模块的设备；

所述的定位设备，用于在运动过程中，接收蓝牙信号发射模块广播的蓝牙信号，利用接收的蓝牙信号强度与室内位置指纹数据库进行匹配，精确定位；利用加速度传感器和陀螺仪进行初步轨迹记录；利用匹配的定位结果对定位设备初步轨迹进行修正。

(3)进一步限定，在上述一种基于蓝牙5的室内定位导航方法中，所述步骤1中，室内位置指纹数据库的建立流程分为：

步骤1-1：部署低功耗蓝牙信号发射模块，在所定位的检测区域中均匀布置N个支持蓝牙5的蓝牙信号发射模块，并利用检测设备在检测区域内随机位置进行蓝牙信号检测，各个检测点可接收到三个以上蓝牙信号发射模块信号；

步骤1-2：在所定位检测的区域选取M个待测参考点，分别记录各个参考点的地理位置坐标(xj,yj)，其中j为第j个参考点；

步骤1-3：利用检测设备检测各个参考点处接收到的蓝牙信号发射模块信号强度，具体的，检测设备在第j个参考点处接收到第i个蓝牙信号发射模块的蓝牙信号强度记作RSSI[i,j]；然后对接收信号进行处理，与相应参考点地理坐标一起构成室内位置指纹数据库，并将所建立的室内位置指纹数据库传输到蓝牙信号发射模块。

(4)进一步限定，在上述一种基于蓝牙5的室内定位导航方法中，所述步骤2中，蓝牙信号发射模块进行数据广播，实现定位设备定位导航，主要包括：

室内位置指纹数据库建立后传输到蓝牙信号发射模块，然后每个蓝牙信号发射模块向外界进行广播，一旦检测到支持蓝牙5的定位设备，无需进行配对，随即进行数据传输，数据传输的内容包括蓝牙信号发射模块ID+室内位置指纹数据库信息；

定位设备接收到蓝牙信号发射模块的信号后，首先对检测到的蓝牙信号发射模块信号强度进行滤波处理，然后将处理后的蓝牙信号发射模块信号强度与室内位置指纹数据库信息进行优化匹配，最终计算定位设备的地理位置坐标。

(5)进一步限定，在上述一种基于蓝牙5的室内定位导航方法中，所述的步骤3中，轨迹修正方法主要包括：

所述的初步定位轨迹，是指定位设备在移动过程中，依靠集成的加速度传感器和陀螺仪进行轨迹记录；系统在轨迹记录过程中，由于加速度传感器存在零点漂移，在连续定位导航中存在累积误差，需要对其修正；

初步定位轨迹误差修正方法为，在检测过程中，蓝牙信号发射模块每隔一段时间发射一次，定位设备利用室内位置指纹数据库，精确算出所经过的离散点地理坐标，然后计算出该时刻的精确地理坐标与该时刻的初步轨迹坐标之间偏差，进行轨迹修正。

(6)进一步限定，在上述一种基于蓝牙5的室内定位导航方法中，具体信号处理包括：

在建立室内位置指纹数据库过程中，针对检测设备检测的RSSI信号进行处理，检测信号进行多次平均处理消除信号中的白噪声；

定位阶段，由于定位信号的采集是有限的，采用小波变换方法，通过对检测信号进行分解和重构来消除突变的高频噪声成分，同时利用卡尔曼滤波法消除白噪声影响。

(7)进一步限定，在上述一种基于蓝牙5的室内定位导航方法中，所述的蓝牙信号发射模块信号强度与室内位置指纹数据库信号进行优化匹配方法，主要包括以下内容：

所述的优化匹配方法，是指改进型K阶近邻算法，具体的，该匹配方法是在K阶近邻算法的基础上引入加权求和，得到定位目标的位置坐标，具体步骤如下：

步骤1：根据定位设备所接收到的定位指纹，并计算出各个参考点与定位检测点之间的欧式距离大小；

步骤2：筛选出与定位检测点欧式距离最小的K个样本；

步骤3：确定K个指纹的权重值，加权系数和为1，且欧式距离越短，其对应的位置坐标权重越大；

步骤4：计算并记录测试点的地理位置坐标，转入步骤1，进行下一时刻定位；

(8)进一步限定，在上述一种基于蓝牙5的室内定位导航方法中，其特征在于，还包括：

所述的步骤1中，欧式距离计算过程为：

设位置指纹的RSSI序列为向量V，t时刻的定位设备检测的定位指纹为Vt，则Vt与室内位置指纹数据库中参考点j的位置指纹RSSI向量Vj的欧式距离为：

其中，V_j＝(RSSI[1,j],RSSI[2,j]...RSSI[N,j])，Vj(i)表示室内位置指纹数据库中第j个参考点处的第i个蓝牙信号发射模块信号强度RSSI[i,j]，同理，公式中V_t＝(RSSI[1,t],RSSI[2,t]...RSSI[N,t])，Vt(i)表示t时刻定位位置处第i个蓝牙信号发射模块信号强度RSSI[i,t]；

所述的步骤3中，确定K个指纹点权重值σj方法，该系统采用的权重规则是运用指数型加权方式，定义如下：

其中，dmin＝min(dj)，dmax＝max(dj)，由加权规则可知，欧式距离越小，加权系数越大，且所有加权系数之和为1；

所述的步骤4中，筛选的K个位置指纹之后，得出K个位置指纹的地理坐标，并算出定位检测点的地理坐标，具体如下：

得到K个最接近定位位置点后，在求解定位点地理位置坐标时避免简单的求平均值，应根据欧式距离的大小进行加权，求解坐标公式如下

其中，σj为参考点j权重系数，(xj,yj)为参考点j的地理位置坐标。

(9)进一步限定，在上述一种基于蓝牙5的室内定位导航方法中，具体轨迹修正算法为：

步骤1：从初始时刻t0到t1过程中，定位设备计算出t1时刻精确地理位置坐标和初步轨迹坐标之间出偏差(Δx₁,Δy₁)，已知初始时刻t0坐标偏差为0；

步骤2：分别求解x,y方向的偏差加速度a_x、a_y，具体算法为：

其中Δt₁＝t₁-t₀；

步骤3：从t0到t1时间段内，均分为n个等时间段，求得第k个时刻坐标为(x1k,y1k)每个时间点精确坐标算法如下：

其中为第k个时刻点初步轨迹坐标点；

步骤4：选择下一定位时刻t2重复步骤1到步骤3，进行逐段轨迹修正。

相较于现有技术，本发明提供一种基于蓝牙5的室内定位导航方法具有以下有益效果：

一、本发明提供一种基于蓝牙5的室内定位导航方法，不仅可以实现定位设备在定位点的精确离散定位，还可以实现对定位设备自身连续定位的定位轨迹进行修正，进一步精确记录定位设备的运动轨迹。

二、本发明提供一种基于蓝牙5的室内定位导航方法，基于蓝牙5的蓝牙信号发射模块均为电池供电，功耗低，部署位置不受限制。同时，在定位过程中，不需测量蓝牙信号发射模块的地理位置，不需后台服务器进行计算，室内位置指纹数据库直接通过蓝牙进行传输，定位算法简单，技术应用范围广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明提供的基于蓝牙5的室内定位导航模型；

图2是本发明提供的室内定位方法流程图；

图3是本发明提供的建立室内位置指纹数据库流程图；

图4是本发明提供的定位匹配流程图；

图5是本发明提供的智能手环轨迹修正流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的设计书方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明法一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，图1给出了一种基于蓝牙5的室内定位导航模型，该模型主要由智能手机101、蓝牙信标102、智能手环103组成。

所述的智能手机101用于采集参考点位置指纹，建立室内位置指纹数据库，并将室内位置指纹数据库传输到蓝牙信标；

所述的蓝牙信标102用于向定位区域广播蓝牙信号，将室内位置指纹数据库分段传输到智能手环上；

所述的智能手环103一方面利用自身的加速度传感器和陀螺仪进行轨迹记录，得到连续的初步轨迹；另一方面，智能手环103接收蓝牙信标传输的室内位置指纹数据库，并依据检测的蓝牙信号强度与室内位置指纹数据库进行在线匹配，得到定位点的精确位置坐标；并且，智能手环103利用精确定位坐标修正初步轨迹。

如图2所示，图2是一种基于蓝牙5的室内定位导航方法的实施步骤，具体如下：

201：建立室内位置指纹数据库，具体是在检测区域布置蓝牙信标，选取参考点，利用检测设备采集参考点处的位置指纹，可选取智能手机作为检测设备；

202：进行导航定位，在导航定位过程中，智能手环接收到蓝牙信号后，依据蓝牙信号强度与室内位置指纹数据库进行在线匹配，算出各个定位点的位置坐标；

203：进行初步轨迹修正，智能手环利用计算出的定位点坐标修正其自身利用加速度传感器和陀螺仪得到的初步轨迹，修正后得到精确定位轨迹。

如图3所示，图3介绍了智能手机建立室内位置指纹数据库的过程，具体如下：

301：选取35个蓝牙信标，并按5×7进行均匀部署；

302:并标定每个蓝牙信标ID，标号为i(i＝1,…,35)；

303:设置蓝牙信标发射周期，设定周期为5s；

304：选定100个参考点，分别标号为j，记录参考点位置坐标(x_j,y_j)；

305：利用智能手机采集参考点i处的位置指纹；

306：检测是否对所有参考点采集完毕，参考点位置指纹未采集完时，转到303；当所有参考点位置指纹采集完毕后，智能手机将室内位置指纹数据库传输到各个蓝牙信标。

如图4所示，图4是本发明提供的定位匹配流程图，定位匹配算法主要采用的改进型K近邻算法，具体匹配方法如下：

401：智能手机接收到各个蓝牙信标广播信号401；

402:计算各个参考点与定位点之间的欧式距离，计算公式为

其中，蓝牙信标广播信号包括蓝牙信标信号强度RSSI、蓝牙信标ID以及室内位置指纹数据库；

403：选择欧式距离最小的5个参考点；

404：:根据各个参考点的欧式距离大小确定权重值，权重值的确定公式为

405：依据5个参考点坐标计算定位点坐标，并判定定位是否结束，如果未结束，转入401，进行下一时刻定位；

如图5所示，图5给出了智能手环轨迹修正流程，智能手环通过精确定位的位置坐标对利用加速度传感器和陀螺仪定位的轨迹进行修正，具体方法如下：

501：从初始时刻0到t₁过程中，定位设备计算出t₁时刻精确地理位置坐标和初步轨迹坐标之间的偏差(Δx₁,Δy₁)，已知初始时刻坐标偏差为0；

502：分别求解x,y方向的偏差加速度a_x、a_y，具体算法为：

其中Δt₁＝t₁-t₀；

503：从t₀到t₁时间段内，均分为n个等时间段，令k＝1；

504：求得第k个时刻坐标为(x_1k,y_1k)每个时间点精确坐标算法如下：

其中为第k个时刻点初步轨迹坐标点；

505：判断k值是否小于n，若k<n，则k＝k+1，执行504；若k≥n时，判断定位点修正是否结束，若未结束，执行501到504，重新选择下一定位时刻t，进行轨迹修正。

Claims (9)

1.一种基于蓝牙5的室内定位导航方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：建立室内位置指纹数据库，具体是通过检测设备在参考点位置采样各个蓝牙信号发射模块广播的信号强度RSSI和对应蓝牙信号发射模块的ID，建立位置指纹，并将室内位置指纹数据库传输到蓝牙信号发射模块；

步骤2：进行定位导航，蓝牙信号发射模块进行广播，定位设备接收到数据后，依据检测的蓝牙信号发射模块信号强度RSSI与室内位置指纹数据库信息进行匹配定位，依据参考点位置坐标算出定位设备的地理位置坐标；

步骤3：轨迹修正阶段，定位设备在运动过程中，利用加速度传感器和陀螺仪对其运动轨迹进行初步定位记录，得到初步定位轨迹，然后利用检测时间内基于蓝牙5的室内定位导航方法得到的定位设备位置坐标，对初步定位轨迹进行进一步修正，得到精确移动轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙5的室内定位导航方法，其特征在于，具体包括：

所述的室内位置指纹数据库，是由参考点处检测的位置指纹构成，具体的，参考点处的位置指纹包括在参考点处检测设备检测的各个蓝牙信号发射模块广播的信号强度RSSI、对应蓝牙信号发射模块的ID及参考点地理位置坐标；

所述的检测设备，用于检测各个参考点处蓝牙信号强度，建立参考点处的位置指纹，并将最终的室内位置指纹数据库发送回蓝牙信号发射模块的设备；

所述的定位设备，用于在运动过程中，接收蓝牙信号发射模块广播的蓝牙信号，利用接收的蓝牙信号强度与室内位置指纹数据库进行匹配，进而精确定位；利用加速度传感器和陀螺仪进行初步轨迹记录；利用匹配的定位结果对定位设备初步轨迹进行修正。

3.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙5的室内定位导航方法，其特征在于，所述步骤1中，室内位置指纹数据库的建立流程分为：

步骤1-1：部署低功耗蓝牙信号发射模块，在所定位的检测区域中均匀布置N个支持蓝牙5的蓝牙信号发射模块，并利用检测设备在检测区域内随机位置进行初步蓝牙信号检测，各个检测点可接收到三个以上蓝牙信号发射模块信号；

步骤1-2：在所定位检测的区域选取M个待测参考点，分别记录各个参考点的地理位置坐标(x_j,y_j)，其中j为第j个参考点；

步骤1-3：利用检测设备检测各个参考点处接收到的蓝牙信号发射模块信号强度，具体的，检测设备在第j个参考点处接收到第i个蓝牙信号发射模块的蓝牙信号强度记作RSSI[i,j]；然后对接收信号进行处理，与相应参考点地理坐标一起构成室内位置指纹数据库，并将所建立的室内位置指纹数据库传输到蓝牙信号发射模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙5的室内定位导航方法，其特征在于，所述步骤2中，蓝牙信号发射模块进行数据广播，实现定位设备定位导航，主要包括：

室内位置指纹数据库建立后传输到蓝牙信号发射模块，然后每个蓝牙信号发射模块向外界进行广播，一旦检测到支持蓝牙5的定位设备，无需进行配对，随即进行数据传输，数据传输的内容包括蓝牙信号发射模块ID+室内位置指纹数据库信息；

定位设备接收到蓝牙信号发射模块的信号后，首先对检测到的蓝牙信号发射模块信号强度进行滤波处理，然后将处理后的蓝牙信号发射模块信号强度与室内位置指纹数据库信息进行优化匹配，最终计算定位设备的地理位置坐标。

5.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙5的室内定位导航方法，其特征在于，所述的步骤3中，轨迹修正方法主要包括：

所述的初步定位轨迹，是指定位设备在移动过程中，依靠集成的加速度传感器和陀螺仪进行轨迹记录；系统在轨迹记录过程中，由于加速度传感器存在零点漂移，在连续定位导航中存在累积误差，需要对其修正；

初步定位轨迹误差修正方法为，在检测过程中，蓝牙信号发射模块每隔一段时间发射一次，定位设备利用室内位置指纹数据库，精确算出所经过的定位点地理坐标，然后计算出该时刻的精确地理坐标与该时刻的初步轨迹坐标之间偏差，进行轨迹修正。

6.根据权利要求3及权利要求4所述的信号处理方法，其特征在于，具体信号处理包括：

在建立室内位置指纹数据库过程中，针对检测设备检测的RSSI信号进行处理，检测信号进行多次平均处理消除信号中的白噪声；

定位阶段，由于定位信号的采集是有限的，采用小波变换方法，通过对检测信号进行分解和重构来消除突变的高频噪声成分，同时利用卡尔曼滤波法消除白噪声影响。

7.根据权利要求4所述定位设备定位导航方法，其特征在于，所述的蓝牙信号发射模块信号强度与室内位置指纹数据库信号进行优化匹配方法，主要包括以下内容：

所述的优化匹配方法，是指改进型K阶近邻算法，具体的，该匹配方法是在K阶近邻算法的基础上引入加权求和，得到定位目标的位置坐标，具体步骤如下：

步骤1：根据定位设备所接收到的定位指纹，并计算出各个参考点与定位检测点之间的欧式距离大小；

步骤2：筛选出与定位检测点欧式距离最小的K个样本；

步骤3：确定K个指纹的权重值，加权系数和为1，且欧式距离越短，其对应的位置坐标权重越大；

步骤4：计算并记录测试点的地理位置坐标，转入步骤1，进行下一时刻定位。

8.根据权利要求7所述的改进型K阶近邻算法，其特征在于，还包括：

所述的步骤1中，欧式距离计算过程为：

设位置指纹的RSSI序列为向量V，t时刻的定位设备检测的定位指纹为V_t，则V_t与室内位置指纹数据库中参考点j的位置指纹RSSI向量V_j的欧式距离为：

其中，V_j＝(RSSI[1,j],RSSI[2,j]...RSSI[N,j])，V_j(i)表示室内位置指纹数据库中第j个参考点处的第i个蓝牙信号发射模块信号强度RSSI[i,j]，同理，公式中V_t＝(RSSI[1,t],RSSI[2,t]...RSSI[N,t])，V_t(i)表示t时刻定位位置处第i个蓝牙信号发射模块信号强度RSSI[i,t]；

所述的步骤3中，确定K个指纹点权重值σ_j方法，该系统采用的权重规则是运用指数型加权方式，定义如下：

其中，d_min＝min(d_j)，d_max＝max(d_j)，由加权规则可知，欧式距离越小，加权系数越大，且所有加权系数之和为1；

所述的步骤4中，筛选的K个位置指纹之后，得出K个位置指纹的地理坐标，并算出定位检测点的地理坐标，具体如下：

得到K个最接近定位位置点后，在求解定位点地理位置坐标时避免简单的求平均值，应根据欧式距离的大小进行加权，求解坐标公式如下

其中，σ_j为参考点j权重系数，(x_j,y_j)为参考点j的地理位置坐标。

9.根据权利要求5所述的一种基于蓝牙5的室内定位导航方

法，其特征在于，具体轨迹修正算法为：

步骤1：从初始时刻t₀到t₁过程中，定位设备计算出t₁时刻精确地理位置坐标和初步轨迹坐标之间出偏差(Δx₁,Δy₁)，已知初始时刻t₀坐标偏差为0；

步骤2：分别求解x,y方向的偏差加速度a_x、a_y，具体算法为：

其中Δt₁＝t₁-t₀；

步骤3：从t₀到t₁时间段内，均分为n个等时间段，求得第k个时刻坐标为(x_1k,y_1k)每个时间点精确坐标算法如下：

其中 为第k个时刻点初步轨迹坐标点；

步骤4：选择下一时刻t₂，重复步骤1到步骤3，进行逐段轨迹修正。