CN108489489B - 一种蓝牙辅助纠正pdr的室内定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓝牙辅助纠正PDR的室内定位方法及系统，本发明系统包括地面节点、智能终端、定位服务器；所述的地面节点：用于检测行人踩踏事件和广播蓝牙节点的标识号至智能终端；所述的智能终端：接收蓝牙节点的标识号并向定位服务器发送；所述的定位服务器：通过Internet网络响应智能终端的室内定位地图请求，并将室内定位地图发送至所述的智能终端。本发明可以有效改善PDR累积误差的问题，从而大幅度提高PDR定位精度。

Description

一种蓝牙辅助纠正PDR的室内定位方法及系统

技术领域

本发明属于室内定位技术领域，具体涉及一种基于蓝牙辅助纠正的PDR室内定位方法及系统。

背景技术

随着卫星定位导航技术的发展，位置服务LBS(Location-Based-Service)逐渐进入人们生活。由于智能终端设备的普及和位置服务的迅猛发展，人们对定位结果的精确性和稳定性要求越来越高。GPS是一种由美国研发的全球定位导航系统，也是目前应用最广泛、最成熟的定位系统。然而，室内环境的复杂性导致信号被遮挡、干扰使得用户往往接受不到信号。因此，GPS无法满足室内定位的需要。

随着社会的不断进步和发展，出现了很多室内建筑如大型购物商场、机场和游乐场等建筑，因此，室内定位技术有着巨大的发展空间，在人员定位、电子商务以及智能停取车等领域应用前景非常广泛。比如当大型建筑物发生火灾或者矿井发生事故时，确定人员在复杂建筑物中的位置是疏散被困人员的关键和重点。因此，迫切需要一种优越的室内定位技术来服务现代社会。

超宽带定位UWB(Ultra-Wideband)和超声波定位技术精度很高，但其成本也很高，这极大的限制了它们的推广。蓝牙、WiFi和RFID等室内定位技术是利用射频信号特征来判断位置，它们虽然成本不高，但是由于信号传播距离较短且很容易受到外界环境的干扰，定位精度较低。PDR(Pedestrian Dead Reckoning)定位技术利用加速度计、磁力计和陀螺仪等信息来确定用户位置，该技术不需要依赖于额外的辅助设备，受周围环境的干扰也较小，但是其存在累积误差，不适合长期使用。

发明内容

为解决传统PDR定位存在累积误差的问题，本发明公开了一种通过蓝牙辅助纠正PDR的室内定位方法及系统。本发明可以有效改善PDR累积误差的问题，从而大幅度提高PDR定位精度。

本发明可以应用于内置惯性传感器的智能终端设备中，如智能手机、掌上电脑、个人数字设备和智能佩戴设备等。本发明技术原理简单，定位精度高，成本低，易于推广使用。

本发明采取如下技术方案：

一种蓝牙辅助纠正PDR的室内定位系统，包括地面节点、智能终端、定位服务器。

所述的地面节点：

其部署于室内地面行人行走的关键位置处，如转角、楼梯口等，主要包括压力检测模块和蓝牙信标模块。

压力检测模块，用于检测行人踩踏事件；

蓝牙信标模块，用于广播蓝牙节点的标识号至智能终端；

优选的，蓝牙信标模块配置成不连续工作模式。当压力检测模块检测到行人踩踏时，触发蓝牙信标模块进行广播；否则，蓝牙信标模块处于低功耗的待机状态。此外，蓝牙信标模块的广播覆盖范围控制在2m以内。

所述的智能终端：

由行人持有，其内部集成惯性传感器(包括加速度计、磁力计)和蓝牙模块，可安装有定位APP(或软件)，其通过Internet网络与定位服务器进行双向通信，其能够接收地面蓝牙信标的广播信号并向定位服务器发送；

所述的定位服务器：

部署于服务器上，该服务器可以通过Internet网络响应智能终端的室内定位地图请求，并将室内定位地图发送至所述的智能终端。

优选的，所述的室内定位地图包括待定位场景的室内平面地图和蓝牙信标标识及其在室内平面地图上的位置。

本发明还公开一种蓝牙辅助纠正PDR的室内定位方法，具体包括如下步骤：

步骤1.定位APP进行初始化；

步骤2.定位APP进行基于PDR的室内定位与导航；

步骤3.定位APP利用蓝牙信标辅助纠正PDR定位结果和调整PDR定位参数。

所述的步骤1可包括以下步骤：

步骤1.1行人进入室内，打开智能终端上的定位APP，启动蓝牙接收；

步骤1.2在第1次接收到地面蓝牙信标广播后，定位APP将接收到的蓝牙信标的标识号通过Internet网络发送给定位服务器；

步骤1.3定位服务器根据蓝牙信标的标识号，反推所在的定位场景，将对应的定位场景的室内地图发送给智能终端；

步骤1.4定位APP显示所接收到的室内地图，并将步骤1.2接收到的蓝牙信标的位置作为定位和导航初始位置。

所述的步骤2包括以下步骤：

2.1利用下式估计行人行走过程中每步的步长：

β表示步长参数，γ表示偏移量，均为常数，因人身高体重和运动状态而异。a_max和a_min表示每步内的总加速度的峰值和谷值。总加速度按下式进行计算：

a_x，a_y，a_z分别表示智能终端的加速度计在机体坐标下采集到的X轴，Y轴和Z轴的加速度数据。

2.2利用下面步骤估计行人行走过程中每步的航向角。

2.2.1利用下式计算俯仰角θ和横滚角γ：

俯仰角θ是指智能终端机体坐标系的Y轴与地球坐标系水平面之间的夹角，横滚角γ是指智能终端机体坐标系的X轴与地球坐标系水平面之间的夹角。

2.2.2根据上步计算得到的俯仰角θ和横滚角γ，将智能终端机体坐标系下的磁力计数据转换到地球坐标系下的磁力数据：

h_x、h_y和h_z分别表示智能终端的磁力计在机体坐标系下采集到的X，Y，Z轴的磁力数值；H_x、H_y和H_z分别表示地球坐标系下磁力计X，Y，Z轴的数值。

2.2.3利用下式计算行人航向角：

2.3对加速度波形利用峰值检测法检测行人步态，得到每步行走时刻。

2.4根据当前位置、步长和航向角利用如下公式计算下一时刻的位置：

(x_k,y_k)表示当前位置，L_k表示前进位移，ψ_k表示航向角，(x_k+1,y_k+1)表示下一时刻的位置。

所述步骤3于如下的触发条件和步骤：

触发条件：

1)行人行走过程中，踩踏室内地面上的硬件节点模块；

2)压力检测模块检测到踩踏行为，启动蓝牙信标进行广播；

3)定位APP接收到蓝牙信标广播。

实现步骤：

3.1比较当前接收到的蓝牙信标的标识号与上一次接收到的蓝牙信标的标识号是否相同。若相同，同一个信标接收到两次，不进行PDR定位修正；若不同，执行下一步骤；

3.2根据蓝牙信标的标识号查询其在室内地图中的位置，然后将PDR的定位结果修正为当前蓝牙信标的位置；

3.3根据PDR算法确定上一次修正位置和当前修正位置的关系：

(x₀,y₀)表示前一个蓝牙信标的位置，(x_t,y_t)表示当前蓝牙信标的位置，并且在这个过程中共行走了t步，每步的步长和航向角分别为L_k和ψ_k。

3.4根据最小均方误差原理，利用下式估计步长参数β和偏移量参数γ：

代入步长计算公式

得到使err取得最小值的步长参数和偏移量计算公式：

本发明的有益效果是：本发明提出的蓝牙辅助纠正PDR室内定位方法能够有效解决传统PDR算法累积误差问题，并且在蓝牙纠正的同时能够做到PDR算法步长参数的动态更新，从而能够大幅度提高PDR定位精度。此外，蓝牙信标节点只有在检测到行人踩踏后才广播，可以大幅度降低地面节点的功耗，延长地面节点的电池寿命。总体上，本发明技术原理简单，定位精度高，成本低，在现实中具有很好的实用性和应用前景。

附图说明

图1是室内定位系统的组成示意图；

图2是本发明的流程示意框图；

图3是实施范例示意图；

图4是PDR算法定位示意图；

图5是本发明步骤3的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本实施例蓝牙辅助纠正PDR的室内定位系统由地面节点模块、智能终端模块和定位服务器模块组成。具体描述如下：

地面节点模块部署在室内地面行人行走的关键位置，如转角、楼梯口等，它主要包括压力检测模块和蓝牙信标模块。蓝牙信标模块配置成不连续工作模式。当压力检测模块检测到行人踩踏时，触发蓝牙信标模块进行广播；否则，蓝牙信标模块处于低功耗的待机状态。此外，蓝牙信标模块的广播覆盖范围控制在2m以内，蓝牙信标可以采用TI公司生产的CC2541蓝牙4.0模块。

智能终端由行人手持，内部集成惯性传感器(包括加速度计、磁力计)和蓝牙模块。安装有定位APP，行人进入室内时打开定位APP，能够接收地面蓝牙信标的广播信号。典型的智能终端为内部集成惯性传感器和蓝牙的智能手机，如Google nexus。

定位服务器上存储有待定位场景的室内地图，包括待定位场景的平面地图和蓝牙信标位置与标识，定位服务器能够响应智能终端的定位请求。

这三个模块的连接关系如下：

行人踩踏地面节点触发蓝牙信标广播；智能终端可以接收蓝牙广播；智能终端与定位服务器可以通过Internet网络进行双向通信。

如图2所示，本发明提出的蓝牙辅助纠正PDR的室内定位方法，具体包括下面3个步骤：

步骤1.定位APP进行初始化；

步骤2.定位APP进行基于PDR的室内定位与导航；

步骤3.定位APP利用蓝牙信标辅助纠正PDR定位结果和调整PDR定位参数。

下面结合一个具体实施例来阐述上述步骤。

图3为某大学1教4楼的室内平面图，结合图1和图2，以行人张三在该场景下的室内定位(路线为张三从A楼梯口进入室内，途经C1，C2和C3这3个地面节点到达目的地B办公室)为实施范例，详细说明本发明提出的蓝牙辅助纠正PDR的室内定位方法。

本实施范例中，分别在室内的转角处部署3个地面节点C1，C2和C3(在图中用红色圆点表示)。地面节点的蓝牙信标是TI公司生产的CC2541蓝牙4.0模块，其广播覆盖范围控制在2m以内。C1，C2和C3的蓝牙信标的标识号分别为ID1，ID2，ID3，所处坐标分别为(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)。

步骤1.定位APP进行初始化。

行人张三打开智能手机的定位APP，从A楼梯口进入室内，启动蓝牙接收。之后在室内自由行走，第一次踩踏到部署的地面节点后，即踩到地面节点C1。定位APP接收地面蓝牙信标广播，并将接收到的蓝牙信标的标识号ID1通过数据网络发送给定位服务器，定位服务器根据蓝牙信标的标识号ID1，将ID1所在的定位场景的室内地图发送给张三的智能手机。张三智能手机的定位APP显示所接收到的室内地图，根据C1的标识号查询到C1的坐标(x1,y1)，张三看到自己正处于地面节点C1所处的位置(x1,y1)，并以此作为PDR定位和导航初始点。

步骤2.定位APP进行基于PDR的室内定位与导航。

在行走过程中，智能手机内置的加速度计和磁力计采集步态数据和磁力计数据，定位APP根据PDR算法对张三的行走过程进行定位和导航，张三可以在定位APP的室内地图上看到自己的定位结果(x_PDR,y_PDR)以及行走轨迹。

步骤2具体通过以下步骤实现：

2.1定位APP利用下式估计行人张三行走过程中每步的步长：

β表示步长参数，γ表示偏移量，均为常数，因人身高体重和运动状态而异，其初始值根据实验经验设定，β和γ初始值分别设为1.39和-1.26。a_max和a_min表示每步内的总加速度的峰值和谷值。总加速度按下式进行计算：

a_x，a_y，a_z分别表示智能终端的加速度计在机体坐标下采集到的X轴，Y轴和Z轴的加速度数据。

2.2在张三手持智能手机行走过程中，智能手机内置的磁力计因为和地磁场平面不平行产生了倾角误差，所以定位APP对磁力计采集的数据进行机体坐标系与地球坐标系之间的变换。具体包括以下步骤：

2.2.1利用下式计算俯仰角θ和横滚角γ：

俯仰角θ是指智能终端机体坐标系的Y轴与地球坐标系水平面之间的夹角，横滚角γ是指智能终端机体坐标系的X轴与地球坐标系水平面之间的夹角。

2.2.2根据上步计算得到的俯仰角θ和横滚角γ，将智能终端机体坐标系下的磁力计数据转换到地球坐标系下的磁力数据：

h_x、h_y和h_z分别表示智能终端的磁力计在机体坐标系下采集到的X，Y，Z轴的磁力数值；H_x、H_y和H_z分别表示地球坐标系下磁力计X，Y，Z轴的数值。

2.2.3利用下式计算航向角：

2.3定位APP利用峰值检测法估计张三的行走步数，通过智能终端内置的加速度计采集行人行走时的加速度值变化波形。这里采用的加速度值是根据公式(13)计算得到的总加速度值。对得到的加速度波形进行滤波限幅，检测行人张三的步态，确定张三的每步行走时刻。

2.4定位APP根据当前位置、步长和航向角利用如下公式计算下一时刻的位置：

(x_k,y_k)表示当前位置，L_k表示前进位移，ψ_k表示航向角，(x_k+1,y_k+1)表示下一时刻的位置。如图4所示。

步骤3.定位APP利用蓝牙信标辅助纠正PDR定位结果和调整PDR定位参数。

行进过程中，张三踩到地面节点C2，定位APP接收到地面蓝牙信标广播，比较当前接收到的蓝牙信标的标识号ID2与上一次接收到的蓝牙信标的标识号是否相同，因为C2和C1的标识号不同，所以定位APP根据C2标识号在室内地图中查询C2的坐标(x2,y2)，并将张三定位到C2所处的位置。张三看到自己的位置从PDR的定位结果(x_PDR-c2,y_PDR-c2)纠正到C2的位置(x2,y2)。然后定位APP根据C1和C2的坐标修正PDR算法的步长参数。张三继续行走，经过地面节点C3时，脚踩C3，定位APP在C3处的定位纠正过程和C2一样，张三看到自己的位置从PDR的定位结果(x_PDR-c3,y_PDR-c3)纠正到C3的坐标(x3,y3)，然后定位APP根据C2和C3的坐标再次修正PDR算法的步长参数，张三继续行走到达目的地B，关闭定位APP，结束定位。蓝牙信标纠正PDR的流程如图5所示。

步骤3中定位APP根据C1和C2的坐标修正PDR算法的步长参数具体通过以下步骤实现：

3.1定位APP根据PDR算法确定C1坐标(x1,y1)和C2坐标(x2,y2)之间的关系：

t表示行人张三从C1到C2总共行走的步数，L_k和ψ_k分别表示第k步的步长和航向角。

3.3根据最小均方误差原理，利用下式估计步长参数β和偏移量参数γ：

代入步长计算公式

得到使err取得最小值的步长参数和偏移量计算公式：

定位APP在后续的PDR定位中采用更新过的步长参数直到下一次参数更新。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制。本发明中未明确的组成部分和具体一些算法都可以用现有技术实现。最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (3)

1.一种蓝牙辅助纠正PDR的室内定位方法，其特征是包括如下步骤：

步骤1.将智能终端的定位APP进行初始化；

步骤2.定位APP进行基于PDR的室内定位与导航；

步骤3.定位APP利用蓝牙信标辅助纠正PDR定位结果和调整PDR定位参数；

所述的步骤2包括以下步骤：

2.1利用下式估计行人行走过程中每步的步长：

β表示步长参数，γ表示偏移量；a_max和a_min表示每步内的总加速度的峰值和谷值；总加速度按下式进行计算：

a_x，a_y，a_z分别表示智能终端的加速度计在机体坐标下采集到的X轴，Y轴和Z轴的加速度数据；

2.2估计行人行走过程中每步的航向角；

所述步骤3具体如下：

3.1比较当前接收到的蓝牙信标的标识号与上一次接收到的蓝牙信标的标识号是否相同，若相同，同一个信标接收到两次，不进行PDR定位修正；若不同，执行下一步骤；

3.2根据蓝牙信标的标识号查询其在室内地图中的位置，后将PDR的定位结果修正为当前蓝牙信标的位置；

3.3根据PDR算法确定上一次修正位置和当前修正位置的关系：

(x₀，y₀)表示前一个蓝牙信标的位置，(x_t，y_t)表示当前蓝牙信标的位置，并且在此过程中共行走了t步，每步的步长和航向角分别为L_k和ψ_k；

3.4根据最小均方误差原理，利用下式估计步长参数β和偏移量γ：

代入步长计算公式

得到使err取得最小值的步长参数和偏移量计算公式：

2.如权利要求1所述的蓝牙辅助纠正PDR的室内定位方法，其特征是：步骤1具体包括以下步骤：

步骤1.1打开智能终端上的定位APP，启动蓝牙接收；

步骤1.2在第1次接收到地面蓝牙信标广播后，定位APP将接收到的蓝牙信标的标识号通过Internet网络发送给定位服务器；

步骤1.3定位服务器根据蓝牙信标的标识号，反推所在的定位场景，将对应的定位场景的室内地图发送给智能终端；

步骤1.4定位APP显示所接收到的室内地图，并将步骤1.2接收到的蓝牙信标的位置作为定位和导航初始位置。

3.如权利要求1所述的蓝牙辅助纠正PDR的室内定位方法，其特征是：步骤2.2利用以下步骤估计行人行走过程中每步的航向角，具体如下：

2.2.1利用下式计算俯仰角θ和横滚角γ：

俯仰角θ是指智能终端机体坐标系的Y轴与地球坐标系水平面之间的夹角，横滚角γ是指智能终端机体坐标系的X轴与地球坐标系水平面之间的夹角；

2.2.2根据上步计算得到的俯仰角θ和横滚角γ，将智能终端机体坐标系下的磁力计数据转换到地球坐标系下的磁力数据：

h_x、h_y和h_z分别表示智能终端的磁力计在机体坐标系下采集到的X，Y，Z轴的磁力数值；H_x、H_y和H_z分别表示地球坐标系下磁力计X，Y，Z轴的数值；

2.2.3利用下式计算行人航向角：

2.3对加速度波形利用峰值检测法检测行人步态，得到每步行走时刻；

2.4根据当前位置、步长和航向角利用如下公式计算下一时刻的位置：

(x_k，y_k)表示当前位置，L_k表示前进位移，ψ_k表示航向角，(x_k+1，y_k+1)表示下一时刻的位置。

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