CN108344416B - 一种基于地图信息自动匹配目标的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于地图信息自动匹配目标的定位方法。在无线环境下，利用地图创建模块，建立物理环境地图和无线定位地图；在物理环境地图中，确定物体可以运动的范围（含可行域和虚拟点）；在无线环境下，移动目标在可行范围内移动；根据移动目标在当前无线定位地图的信息确定当前时刻的位置；根据物理环境地图的虚拟点匹配校准移动目标；同时系统可能设置部分具有精确位置信息的参考点，以便进一步校准。本发明具有通用性，可以适用于各种不同的室内室外无线定位系统。

Description

一种基于地图信息自动匹配目标的定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于地图信息自动匹配目标的定位方法，特别是关于一种适用于利用地图信息自动调整位置信息定位及其他对定位精度要求较高场合中的无线定位校正方法。

背景技术

基于位置信息的服务 (location-based service) 已经得到广泛的应用，其中大众最为熟知的是利用美国的GPS (Global Posit1ning System，即全球定位系统) ，中国的北斗导航系统，（BNS/COMPASS，Beidou navigation system），或者俄罗斯的GLONASS 对室外车辆导航。对于室内也可以使用一系列基站引入定位信号，已实现“室内卫星”定位。除了直接使用GPS，FM/AM，3G/4G/5G, NB-IOT等室外长距信号，也可以使用短距信号，比如WIFI,LIFI, Bluetooth, UWB, ZigBee等。

以WIFI网络为例，它利用接入点 (AP) 的位置固定作为参照，根据收发设备间信号强度 (绝对火相对值) 等信息，可以确定WIFI设备的位置。WIFI适合于室内定位。但是，一般的WIFI定位系统精度偏低。主要原因是1、一般接入点的数量是按照通信的要求来部署的。但是按照定位的要求来看，接入点部署密度偏低（一般至少要求同一个定位目标至少3个接入点，并且信号满足一定要求）。2、定位过程的历史数据没有被充分利用到当前的系统模型，同时对定位信息的动态变化没有充分考虑。3、WIFI信号本身不是特别稳定，较多因素影响室内信号的传输，比如障碍物的传播模型影响，以及其它的电子产品，如空调、微波炉、无线鼠标、无线音箱、蓝牙等同样使用这个频段。这些影响导致定位算法对室内信号的处理不够完善。因此，一般常规WIFI定位无法用于精度要求高的场合，如果没有足够的校准完善。而足够的校准意味着大量的人力付出，如果没有实现自动化的话。

在基站初装完毕后，如果需要较高定位精度支持，则该系统需要经过校准才能投入使用，校准的目的是消除系统误差从而保证定位精度。如果某个基站被更换或被移动，则在更换或移动完成以后，所有的基站需要被重新校准。如果无线环境发生重大变化，校准工作也需要重新进行。即使无线环境没有重大的变化，定期的校准可以消除漂移误差，从而保持定位精度。本系统主要专注于后期系统校准与维护，尽管对于其他情况同样适用。为了完成一次完备的校准，校准器件必须尽可能遍历整个指定空间。 比如基于RSS fingerprint技术的WIFI系统，在未经详细的多点校准的之前，误差高达10米以上。而一个遍历采集信号之后，可以缩小到2米以内。因此，一般需要花费巨大的时间和代价。为避免经常性的校准，在某些室内定位方案中，一些校准器件被永久性地安装在室内的某些固定位置；显然，永久性地大范围地安装校准器件在实际中会带来很大不便, 比如电源接入，网络链接等。系统在运行一段时间后，定位系统信号一般会发生变化。同时物理环境地图也可能有改变，比如某些区域增加或者减少障碍物，同时影响目标移动路径。从而定位地图也需要更新。重新人工校准需要耗费大量人力物力。

目前的图像识别系统可以检测到图像的变化，并标注。特别是对于环境中较大障碍物（影响其他目标运动，比如行人等），可以轻易发现。通过图像目标特征等映射，系统可以反映出变化的具体位置。但是对于较小的目标，在广域的使用普通相机的图像中，较难识别。如果使用超高清相机，会有成本以及后期处理能力的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于地图信息自动匹配目标的定位方法，该方法具有通用性，可以校准各种不同的无线定位系统，且可以大幅降低室内定位系统的校准成本。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于地图信息自动匹配目标的定位方法，在无线环境下，利用地图创建模块，建立物理环境地图和无线定位地图；在物理环境地图中，确定物体可运动范围，包括可行域和虚拟点；在无线环境下，使得移动目标在可运动范围内移动，并根据无线定位地图的信息确定移动目标当前时刻的位置；最后，根据物理环境地图的虚拟点匹配校准移动目标。

在本发明一实施例中，该方法具体实现步骤如下：

步骤S1、在无线环境下，利用地图创建模块，建立物理环境地图和无线定位地图；

步骤S2、在物理环境地图中，确定移动目标的可运动范围，即确定移动目标在指定空间中的可行域以及确定在可行域内的虚拟点；

步骤S3、在无线环境下，使得一个或多个移动目标在指定空间内依据预定避障规则移动，通过与移动目标的交互，定位服务器记录移动目标的包括所有位置、时间的信息；

步骤S4、根据无线定位地图估计移动目标初始位置信息；

步骤S5、若移动目标当前所处位置处于非可行域时，通过物理环境地图结合虚拟点进行位置调整，得出校正位置信息；

步骤S6、判断移动目标的初始位置与校正位置的偏差，若偏差未超出阈值，则输出实时校正位置信息；否则，需进行校正位置可靠性的校准，若校正位置可靠，则将校正位置加入无线定位地图，并输出实时校正位置信息；若校正位置不可靠，则输出估计位置信息，并告警。

在本发明一实施例中，所述可行域至少被3个无线基站覆盖，且至少被1个相机在不同角度覆盖。

在本发明一实施例中，所述移动目标自带无线信号收发装置。

在本发明一实施例中，步骤S2中，可行域根据实际情况，需进行更新，具体更新方式如下：

（1）以一定的时间间隔扫描指定空间的可行域；

（2）通过将可行域当前的图像和t₁秒之前的图像比较，确认区域变化；再将可行域当前的图像与t₂秒之前的图像比较，确认该变化为持续变化，其中t₂ > t₁；同时对变化部分识别，以便确认活动空间变化情况；

（3）若活动空间没有变化，继续沿用原有物理环境地图；否则，据历史数据，规划改变区域的新的可行路径，得出更新后的可行域，并产生新的虚拟点。

在本发明一实施例中，步骤S5中，校正位置信息可以通过估计位置和虚拟点之间的交互获取；其中一个具体实现可以通过如下方式得出：

（1）根据物理环境地图，用多个虚拟点来确定移动目标能到达的地点；

（2）根据物理环境地图的实际情况，将每个虚拟点

与之可能相连的最近虚拟点连接起来，确定移动目标能够移动的路径；

（3）若移动目标实时定位位置是

, 计算出与之距离最近的虚拟点

；

（4）计算定位位置

，最近节点

和与最近虚拟点相连的最近虚拟点

的最小夹角α

（5）最后地图匹配的结果为校正位置

。

在本发明一实施例中，步骤S6中，校正位置可靠性的校准方式为：通过设置参考点，结合参考点的位置信息判断校正位置的可靠性。

在本发明一实施例中，移动目标在参考点能够使用包括NFC、Q码的方式确认位置。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明的校准方法具有通用性，可以校准各种不同的无线定位系统，且可以大幅降低室内定位系统的校准成本。

附图说明

图1是本发明一实施例的无线定位系统示意图。

图2是本发明一实施例的监控系统识别物理地图变化示意图。

图3是本发明一实施例的可行区域虚拟点示意图。

图4是本发明一实施例的空间可行域变化流程图。

图5是本发明一实施例的匹配校准流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种基于地图信息自动匹配目标的定位方法，在无线环境下，利用地图创建模块，建立物理环境地图和无线定位地图；在物理环境地图中，确定物体可运动范围，包括可行域和虚拟点；在无线环境下，使得移动目标在可运动范围内移动，并根据无线定位地图的信息确定移动目标当前时刻的位置；最后，根据物理环境地图的虚拟点匹配校准移动目标，该方法具体实现如下：

步骤S1、在无线环境下，利用地图创建模块，建立物理环境地图和无线定位地图；

步骤S2、在物理环境地图中，确定移动目标的可运动范围，即确定移动目标在指定空间中的可行域以及确定在可行域内的虚拟点；

步骤S3、在无线环境下，使得一个或多个移动目标在指定空间内依据预定避障规则移动，通过与移动目标的交互，定位服务器记录移动目标的包括所有位置、时间的信息；

步骤S4、根据无线定位地图估计移动目标初始位置信息；

步骤S5、若移动目标当前所处位置处于非可行域时，通过物理环境地图结合虚拟点进行位置调整，得出校正位置信息；

步骤S6、判断移动目标的初始位置与校正位置的偏差，若偏差未超出阈值，则输出实时校正位置信息；否则，需进行校正位置可靠性的校准，若校正位置可靠，则将校正位置加入无线定位地图，并输出实时校正位置信息；若校正位置不可靠，则输出估计位置信息，并告警。

所述可行域至少被3个无线基站覆盖，且至少被1个相机在不同角度覆盖。所述移动目标自带无线信号收发装置。

步骤S2中，可行域根据实际情况，需进行更新，具体更新方式如下：

（1）以一定的时间间隔扫描指定空间的可行域；

（2）通过将可行域当前的图像和t₁秒之前的图像比较，确认区域变化；再将可行域当前的图像与t₂秒之前的图像比较，确认该变化为持续变化，其中t₂ >t₁；同时对变化部分识别，以便确认活动空间变化情况；

（3）若活动空间没有变化，继续沿用原有物理环境地图；否则，据历史数据，规划改变区域的新的可行路径，得出更新后的可行域，并产生新的虚拟点。

步骤S5中，校正位置信息可以通过估计位置和虚拟点之间的交互获取；其中一个具体实现可以通过如下方式得出：

（1）根据物理环境地图，用多个虚拟点来确定移动目标能到达的地点；

（2）根据物理环境地图的实际情况，将每个虚拟点

与之可能相连的最近虚拟点连接起来，确定移动目标能够移动的路径；

（3）若移动目标实时定位位置是

, 计算出与之距离最近的虚拟点

；

（4）计算定位位置

，最近节点

和与最近虚拟点相连的最近虚拟点

的最小夹角α

（5）最后地图匹配的结果为校正位置

。

步骤S6中，校正位置可靠性的校准方式为：通过设置参考点，结合参考点的位置信息判断校正位置的可靠性。移动目标在参考点能够使用包括NFC、Q码的方式确认位置。

以下为本发明的具体实现实例。

图1是本发明提供的方法的一种信号连接实施架构图，详细描述如下：

目标在指定空间移动。该空间可以由一些物理障碍物或者标志物构建，或者由电子设备组成的电子围栏构造。所述目标由一个或者多个无线信号收发装置，可选可以和定位服务器直接通讯,比如智能手机，平板电脑等。目标智能在可行域内活动。比如在电梯上只能在设定范围内上下。

所述无线信号收发装置，按照待校准的定位系统预先设定的协议与基站交换定位信号。本发明提供的校准方法与定位信号的具体形式无关。定位信号的具体形式由待校准的定位系统预先设定: 可以由基站发射定位信号而由校准器件间接收，也可以由校准器件发射定位信号而由基站接收。

本发明方法实例中采用的定位系统包括多个无线基站。原则上指定空间可行域内每点需要可以和至少3个基站有效通讯。为求更高精度，每个虚拟点对应可能多于4个基站。

本发明方法实例中通过多个相机构成的监控系统使得指定空间中的可行域至少被1个相机在不同角度覆盖（相机拍摄角度以及相机参数已知）；为求更高精度，可能每个虚拟点多于2个相机，在不同位置和在不同角度；该相机系统, 用于测量所述定位空间中可行域当前的变化。相机可以为单镜头或者多镜头相机，也可带有其他传感器，例如深度传感器。

本发明提供的校准方法与待校准的定位系统的具体结构无关。本发明提供的校准方法适合所有需要(几乎)遍历空间的定位系统，与待校准的定位系统的具体工作原理无关。所以，本发明提供的校准方法具有通用性，可以校准各种不同的定位系统。

图2是本发明提供的匹配校准方法中相机检测可行域变化，详细描述如下：

监控系统通过图像识别技术发现与前期物理地图中不同之处，特别是较大的障碍物。地图创建模块根据图像处理技术，将该障碍物映射到物理地图之中。重新规划指定空间中的可行域。

图3是本发明提供的匹配校准方法中使用的物理地图和虚拟点，详细描述如下：

所示地图为一室内平面构造图，显示指定空间内的房间/隔间构造。在初始构建定位地图时，以较大的密度确认虚拟点；所有虚拟点均位于指定空间内的可行域。

如果之后有地图变更（增加或者减少可行域），需要对更改部分重新构造虚拟点；常用的方法有插值法等。

图4是本发明提供的校准方法的物理地图变更的实施流程图，详细描述如下：

S400，监控系统以一定的时间间隔扫描指定空间的可行域。

S402, 监控系统自带的图像处理系统，通过将当前的图像和t₁秒之前的图像比较，确认区域变化；再将当前的图像与t₂秒之前的图像比较，并确认该变化为持续变化 (例如t₂ > t₁+Δt，其中Δt为一个阈值) ；同时对变化部分识别，以便确认活动空间变化S404

S404，如果活动空间没有变化，S406继续沿用原有物理地图; 否者S408

S408, 据历史数据, 自动规划改变区域的新的可行路径; S410, 系统需要产生新的虚拟点（根据一定的密度要求，几何构造）

S412, 如果定位系统的数据足够，则自动估计虚拟点的位置和信号；否则需要人工输入（通过人工测量或者使用机器人技术自动测绘）

S414, 定位系统产生局部变更的物理地图。

图5是本发明提供的匹配校准方法的实施流程图，详细描述如下:

S500，所述一个或多个目标在指定空间依据一定避障规则移动，移动目标与基站交互信号; 定位服务器获取信号，同时记录当前时间，并和定位基站交互定位信号；定位服务器建立一个相关信息数据库记录所有位置，时间和定位信号等。

S502，定位系统根据定位地图信息估计目标初始位置信息

S504，定位系统结合物理地图检测到目标位置异常

S506, 定位系统基于物理地图信息结合虚拟点匹配当前位置信息，得出校正位置信息；地图匹配校准算法步骤如下：

根据室内的平面图，用多个节点(虚拟点)来确定规范人能到达的地点（如图3中X所示）

根据室内结构的实际情况，将每个节点

与之可能相连的最近节点连接起来，确定人可以行走的路径（如图3中连接X的线条所示）

假如指纹匹配室内定位算法的实时定位结果是

, 计算出与之距离最近的节点

。

计算定位点

，最近节点

和与最近节点相连的最近节点

的最小夹角α

最后地图匹配的结果为校正位置

S508, 如果初始估计位置与校正位置的偏差没有超出阈值，则S510, 定位系统输出实时校正位置信息；否者定位系统需要考虑校准。

S512通过设置一些特殊位置作为参考点，定位系统可能结合参考点的位置信息判断校正位置的可靠性；在此情况下，目标可能安装特定APP（移动设备软件），以便和定位服务器通讯。目标在参考点可以使用NFC，Q码等方式确认位置。

S514, 如果系统确认校正位置信息可靠，则S516, 定位系统将校正位置信息加入定位地。否则S518, 定位系统输出估计位置信息，并给出警告信息;此时需要进一步S520,人工或者使用机器人干预该区域校准后，再定位。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于地图信息自动匹配目标的定位方法，其特征在于，在无线环境下，利用地图创建模块，建立物理环境地图和无线定位地图；在物理环境地图中，确定物体可运动范围，包括可行域和虚拟点；在无线环境下，使得移动目标在可运动范围内移动，并根据无线定位地图的信息确定移动目标当前时刻的位置；最后，根据物理环境地图的虚拟点匹配校准移动目标；该方法具体实现步骤如下：

步骤S1、在无线环境下，利用地图创建模块，建立物理环境地图和无线定位地图；

步骤S2、在物理环境地图中，确定移动目标的可运动范围，即确定移动目标在指定空间中的可行域以及确定在可行域内的虚拟点；

步骤S3、在无线环境下，使得一个或多个移动目标在指定空间内依据预定避障规则移动，通过与移动目标的交互，定位服务器记录移动目标的包括所有位置、时间的信息；

步骤S4、根据无线定位地图估计移动目标初始位置信息；

步骤S5、若移动目标当前所处位置处于非可行域时，通过物理环境地图结合虚拟点进行位置调整，得出校正位置信息；

步骤S6、判断移动目标的初始位置与校正位置的偏差，若偏差未超出阈值，则输出实时校正位置信息；否则，需进行校正位置可靠性的校准，若校正位置可靠，则将校正位置加入无线定位地图，并输出实时校正位置信息；若校正位置不可靠，则输出估计位置信息，并告警；

步骤S5中，校正位置信息可以通过估计位置和虚拟点之间的交互获取，其中一种具体实现通过如下方式得出：

(1)根据物理环境地图，用多个虚拟点来确定移动目标能到达的地点；

(2)根据物理环境地图的实际情况，将每个虚拟点(x_i,y_i)与之可能相连的最近虚拟点连接起来，确定移动目标能够移动的路径；

(3)若移动目标实时定位位置是(x_t,y_t),计算出与之距离最近的虚拟点(x_m,y_m)；

(4)计算定位位置(x_t,y_t)，最近节点(x_m,y_m)和与最近虚拟点相连的最近虚拟点(x_c,y_c)的最小夹角α

(5)最后地图匹配的结果为校正位置(x_f,y_f)

2.根据权利要求1所述的一种基于地图信息自动匹配目标的定位方法，其特征在于，所述可行域至少被3个无线基站覆盖，且至少被1个相机在不同角度覆盖。

3.根据权利要求1所述的一种基于地图信息自动匹配目标的定位方法，其特征在于，所述移动目标自带无线信号收发装置。

4.根据权利要求1所述的一种基于地图信息自动匹配目标的定位方法，其特征在于，步骤S2中，可行域根据实际情况，需进行更新，具体更新方式如下：

(1)以一定的时间间隔扫描指定空间的可行域；

(2)通过将可行域当前的图像和t₁秒之前的图像比较，确认区域变化；再将可行域当前的图像与t₂秒之前的图像比较，确认该变化为持续变化，其中t₂>t₁；同时对变化部分识别，以便确认活动空间变化情况；

(3)若活动空间没有变化，继续沿用原有物理环境地图；否则，据历史数据，规划改变区域的新的可行路径，得出更新后的可行域，并产生新的虚拟点。

5.根据权利要求1所述的一种基于地图信息自动匹配目标的定位方法，其特征在于，步骤S6中，校正位置可靠性的校准方式为：通过设置参考点，结合参考点的位置信息判断校正位置的可靠性。

6.根据权利要求5所述的一种基于地图信息自动匹配目标的定位方法，其特征在于，移动目标在参考点能够使用包括NFC、Q码的方式确认位置。

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