CN108919328A - 一种室内外无缝定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种室内外无缝定位系统及定位方法，系统包括数据处理中心、信标节点和智能手机，数据处理中心分别与信标节点和智能手机，智能手机还与信标节点连接；数据处理中心将GPS和声波定位确定的智能手机当前位置坐标发送至智能手机上显示；系统上线前采集室内外定位切换数据，将数据通过神经网络得到训练模型，根据智能手机当前位置坐标计算智能手机与出入口交界信标节点的空间位置关系作为训练模型的输入，得到模型是否进行室内外地图切换的目标实现室内外组合定位的双向自适应切换。用户只需佩戴智能手机，通过GPS导航定位、声波实时定位系统的融合，实现室内外环境的连续定位，无需携带额外的定位标签，实现对用户位置的不间断定位与监控。

Description

一种室内外无缝定位系统及定位方法

技术领域

本发明涉及室内外定位技术领域，具体是一种室内外无缝定位系统及定位方法。

背景技术

随着现代社会信息技术的推动，智能手机越来越普及，人们对自己身处的实时位置也越发的产生兴趣，对人们位置的获取通过分为室内定位、室外定位。室外定位主要依赖卫星阵列与地面接收机的通信，并且在定位精度上和实时性上都非常好，主要包括美国GPS全球定位系统和中国的北斗定位系统。而对于室内环境，往往是复杂多变的，并且在遮蔽的区域内也无法获取卫星信号，这使得基于卫星阵列的定位方法在室内环境中显得无力，不能满足室内定位的需求。基于智能手机的声波定位技术直接使用手机作为定位标签发送FSM线性调制信号，并且在手机app中还能实时显示用户位置，这对用户来说是十分便捷的。除此之外，声波定位开发成本低，在精度与稳定性上也非常的高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种室内无缝定位系统及定位方法，该系统及方法利用GPS定位、手机声波定位系统的最新技术，实现室内外环境的高精度定位。

实现本发明目的的技术方案是：

一种室内外无缝定位系统，包括数据处理中心、若干个信标节点和智能手机，数据处理中心分别与若干个信标节点和智能手机连接；

所述的智能手机用于室内定位模式下发送声波信号和接收声波信号，室外环境下提供自带的GPS模块获取智能手机的经纬度信息，并接收数据中心计算得到当前位置信息进行显示；

所述的信标节点包括扬声器和麦克风，扬声器用于发射声波信号，麦克风用于捕获声波信号，同时信标节点将接收到的声波信号传送至数据处理中心；

所述的数据处理中心，用于接收信标节点传送的声波信号和智能手机传送的GPS信息，根据声波信号和GPS信息确定智能手机当前的位置坐标，并将确定好的位置信息发送至智能手机。

所述的数据处理中心还内置有神经网络，用于系统上线前对室内外定位切换阈值的训练，并用于判断系统上线后是否进行室内外定位的切换。

所述的神经网络，通过采集室内外定位切换的数据作为输入得到是否切换的输出，通过大量的数据训练出一个判断模型。系统上线后如果有新的输入，训练模型就会依据之前的训练数据得出此次的输出结果，并将这对输入和输出结果重新加入训练模型进行训练，得出一个全新的训练模型，使得神经网络有更大的健壮性，能够实时根据数据进行判断模型的更新。

所述的若干个信标节点设置在室内建筑顶棚，每个信标节点通过网线串联；其中室内建筑的出入口交界处设置一个特殊的信标节点，用于测量智能手机用户室内外交界的室内环境时用户与此信标节点的距离，并连续记录用户与此节点距离的三组数据，用作判断是否正处于向室外环境行进的判断输入。

所述的数据处理中心的数据库中在保存每个室内外交界处特殊信标节点的GPS信息，用于测量用于处于室内外交界的室外环境时用户与此节点的距离，并连续记录用户与此节点距离的三组数据，用作判断是否正处于向室内环境行进的判断输入。

所述的智能手机，内置定位APP，与数据处理中心通信。

所述的定位APP为自主开发的APP，用于显示智能手机用户当前位置和发送FSM线性调制声波信号。

一种室内外无缝定位方法，具体包括如下步骤：

1)定位系统上线前，根据室内外定位覆盖及切换区域的特点，采集该区域室内外定位切换数据，将数据输入神经网络训练，得到该区域室内外定位切换的训练模型；

2)数据处理中心根据智能手机自带的GPS模块或发送的声波信息，确定智能手机当前的位置坐标，并计算智能手机与出入口交界处信标节点的距离值；

3)数据处理中心根据步骤2)得到的距离值的变化趋势，判断智能手机用户是否正在从室外向室内或从室内向室外行进；当确定智能手机正在从室外向室内运行时，把当前用户与出入口节点的距离输入到神经网络判断该距离值是否是从室外到室内切换时的距离阈值，如果是，则判断用户即将从室外到室内或室内到室外，则进行室外到室内或室内到室外定位的自动切换，从而确定智能手机用户的当前位置信息。

步骤2)中，所述的根据智能手机自带的GPS模块，确定智能手机当前的位置坐标，是通过调用智能手机内GPS模块获得的用户的经纬度信息进行定位；

步骤2)中，根据智能手机发送的声波信息，确定智能手机当前的位置坐标，具体是智能手机和各信标节点顺序发送FSM线性调制信号，各信标节点和智能手机将接收到的声波信号信息传输到数据处理中心，数据处理中将接收到的各节点和智能手机的声波信号信息进行延时估计和声速估计，然后通过TPSN进行距离计算，最后通过至少三个信标节点与智能手机的距离确定出智能手机的位置。

所述的延时估计，是采用信号互相关的方法，假设麦克风采集的信号无多径影响，采集到的信号与原始广播信号做互相关后，则互相关最大值对应的时刻即为广播声信号到达麦克风的时间，设广播信号为x(t)，接收信号为y(t)，则互相关的运算为当r_xy(τ)取得最大值时，τ即为时延估计的值。

所述的声速估计，是通过已知的两两信标节点的实际距离，与相应的两两节点直接收到智能手机声波信号的时间差来计算一个声速，并通过取所有的计算值平均值，得到声波的估计速度。

所述的信标节点与智能手机的距离，通过TPSN同步算法得到，首先由手机发送FSM线性调制信号，各节点接收到信号的时间为T₂＝T₁+d+Δ，然后各节点在收到手机发送的FSM线性调制信号后发送FSM线性调制信号，则智能手机接收到声波信号的时间为T₄＝T₃+d-Δ，通过将这两个公式相加得智能手机与各信标节点之间的距离为通过将两个公式相加得智能手机与各信标节点之间的时间偏差为

所述对智能手机的定位，通过至少三个信标节点与智能手机的距离，采用三边定位计算出智能手机的位置。

本发明提供的一种室内外无缝定位系统及定位方法，通过GPS定位、声波定位系统的融合，实现室内外的连续实时定位，从而实现用户实时明确知道所处位置的目的，具体是：

1、采用声波技术实现室内高精度定位；

2、采用GPS定位技术实现室外高精度定位；

3、采用声波定位技术与GPS定位技术实现室内外连续无缝定位。

附图说明

图1为一种室内外无缝定位系统的结构框图；

图2为本发明室内外定位无缝连接室外到室内定位切换方法的流程图；

图3为本发明室内外定位无缝连接室内到室外定位切换方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但不是对本发明的限定。

如图1所示，一种室内外无缝定位系统，包括数据处理中心、若干个信标节点和智能手机，数据处理中心分别与若干个信标节点和智能手机；

所述的智能手机用于室内定位模式下发送声波信号和接收声波信号，室外环境下提供自带的GPS模块获取智能手机的经纬度信息，并接收数据中心计算得到当前位置信息进行显示；

所述的信标节点包括扬声器和麦克风，扬声器用于发射声波信号，麦克风用于捕获声波信号，同时信标节点将接收到的声波信号传送至数据处理中心；

所述的数据处理中心，用于接收信标节点传送的声波信号和智能手机传送的GPS信息，根据声波信号和GPS信息确定智能手机当前的位置坐标，并将确定好的位置信息发送至智能手机。

所述的数据处理中心还内置有神经网络，用于系统上线前对室内外定位切换阈值的训练，并用于判断系统上线后是否进行室内外定位的切换。

所述的神经网络，通过采集室内外定位切换的数据作为输入得到是否切换的输出，通过大量的数据训练出一个判断模型。系统上线后如果有新的输入，训练模型就会依据之前的训练数据得出此次的输出结果，并将这对输入和输出结果重新加入训练模型进行训练，得出一个全新的训练模型，使得神经网络有更大的健壮性，能够实时根据数据进行判断模型的更新。

所述的若干个信标节点设置在室内建筑顶棚，每个信标节点通过网线串联；其中室内建筑的出入口交界处设置一个特殊的信标节点，用于测量智能手机用户室内外交界的室内环境时用户与此信标节点的距离，并连续记录用户与此节点距离的三组数据，用作判断是否正处于向室外环境行进的判断输入。

所述的数据处理中心的数据库中在保存每个室内外交界处特殊信标节点的GPS信息，用于测量用于处于室内外交界的室外环境时用户与此节点的距离，并连续记录用户与此节点距离的三组数据，用作判断是否正处于向室内环境行进的判断输入。

所述的智能手机，内置定位APP，与数据处理中心通信。

所述的定位APP为自主开发的APP，用于显示智能手机用户当前位置和发送FSM线性调制声波信号。

一种室内外无缝定位方法，具体包括如下步骤：

1)定位系统上线前，根据室内外定位覆盖及切换区域的特点，采集该区域室内外定位切换数据，将数据输入神经网络训练，得到该区域室内外定位切换的训练模型；

2)数据处理中心根据智能手机自带的GPS模块或发送的声波信息，确定智能手机当前的位置坐标，并计算智能手机与出入口交界处信标节点的距离值；

3)数据处理中心根据步骤2)得到的距离值的变化趋势，判断智能手机用户是否正在从室外向室内或从室内向室外行进；当确定智能手机正在从室外向室内运行时，把当前用户与出入口节点的距离输入到神经网络判断该距离值是否是从室外到室内切换时的距离阈值，如果是，则判断用户即将从室外到室内或室内到室外，则进行室外到室内或室内到室外定位的自动切换，从而确定智能手机用户的当前位置信息。

步骤2)中，所述的根据智能手机自带的GPS模块，确定智能手机当前的位置坐标，是通过调用智能手机内GPS模块获得的用户的经纬度信息进行定位；

步骤2)中，根据智能手机发送的声波信息，确定智能手机当前的位置坐标，具体是智能手机和各信标节点顺序发送FSM线性调制信号，各信标节点和智能手机将接收到的声波信号信息传输到数据处理中心，数据处理中将接收到的各节点和智能手机的声波信号信息进行延时估计和声速估计，然后通过TPSN进行距离计算，最后通过至少三个信标节点与智能手机的距离确定出智能手机的位置。

所述的延时估计，是采用信号互相关的方法，假设麦克风采集的信号无多径影响，采集到的信号与原始广播信号做互相关后，则互相关最大值对应的时刻即为广播声信号到达麦克风的时间，设广播信号为x(t)，接收信号为y(t)，则互相关的运算为当r_xy(τ)取得最大值时，τ即为时延估计的值。

所述的声速估计，是通过已知的两两信标节点的实际距离，与相应的两两节点直接收到智能手机声波信号的时间差来计算一个声速，并通过取所有的计算值平均值，得到声波的估计速度。

所述的信标节点与智能手机的距离，通过TPSN同步算法得到，首先由手机发送FSM线性调制信号，各节点接收到信号的时间为T₂＝T₁+d+Δ，然后各节点在收到手机发送的FSM线性调制信号后发送FSM线性调制信号，则智能手机接收到声波信号的时间为T₄＝T₃+d-Δ，通过将这两个公式相加得智能手机与各信标节点之间的距离为通过将两个公式相加得智能手机与各信标节点之间的时间偏差为

所述对智能手机的定位，通过至少三个信标节点与智能手机的距离，采用三边定位计算出智能手机的位置。

实施例1：GPS室外定位

当携带智能手机的用户处于室外环境时，智能手机的GPS模块接收卫星阵列定位观测数据，通过伪距单点定位计算出智能手机的经纬度信息。手机APP通过调用手机提供的API获取GPS模块计算出的经纬度信息，并把这个经纬度信息发送给百度地图API，实现对室外环境用户的定位和地图展示。

实施例2：声波室内定位

当携带智能手机的用户处于室内环境时，由于建筑物遮挡等原因卫星信号差，GPS定位不准，精度不高，无法发挥作用，且wifi、蓝牙定位等采用指纹库定位的技术需要采集大量的指纹数据，另外用户还需要额外携带特制的定位标签，无法满足用户对便捷性和快速定时的需求。所以采用基于智能手机声波的定位技术，声波定位技术精度高，实时性强。

在室内顶棚上安装信标节点，通过智能手机和信标节点顺序发送声波信号，智能手机和各信标节点各接收到的声波信号信息转发到数据处理中心进行处理，通过得到两两节点之间与智能手机的时间差与实际两两信标接点之间的距离进行声速估计，并通过互相关方法进行时延估计，再通过TPSN协议对各信标节点与智能手机的距离进行计算，并通过至少三个信标节点与智能手机的距离使用三边定位法计算出智能手机用户在室内的位置。

另外室内外接口处安装一个专用信标节点，用户判断用户与出口或入口的距离，并判断用户的行进方法，依此作为室内外定位切换的依据。

实施例3：室内外无缝定位

室内外组合定位切换：

对于室内和室外定位系统而言，不同的定位信号覆盖范围区域及信号强弱决定了各自的定位范围及定位的精度。定位切换通过分别开启和关闭相应的定位技术来实现室内与室外定位的无缝过渡。系统根据当前的定位信号情况决定采用何种定位技术并关闭另一种定位技术。

根据室内外定位覆盖及切换区域特点，设置定位切换过程中的出入口特殊信标节点。

通过室内外定位模块，判断当前在室内或者室外，并且获取携带智能手机用户的实时位置信息，计算用户位置与出入口交界信标节点的距离，并将此距离当作神经网络的输入，得到神经网络的输出结果作为切换定位方法的根据，实现室内外组合定位的双向自适应切换。

(1)室外到室内定位切换

如图2所示，系统获取当前GPS信息，判断当前位置与室内外界面信标节点空间位置的空间关系，并连续记录三组数据，通过这三组数据与信标节点的距离变化趋势判断用户是否正在向室内环境行进。如果系统判断得出用户正在向室内环境行进，则将计算出的距离值放入神经网络进行是否进行切换的判断，根据神经网络返回的切换标志进行是否进行切换的操作。如判断用户已进入室内环境，则系统开启声波定位模式关闭GPS定位模式，并将手机APP地图换为当前室内环境地图，完成室外到室内定位的自动切换。

(2)室内到室外定位切换

如图3所示，系统获取当前声波位置坐标，判断当前位置与室内外界面信标节点空间位置的空间关系，记录三组数据，通过这三组数据与信标节点的距离变化趋势判断用户是否正在向室外环境行进，如判断用于正在向室外环境行进，则将计算出的距离值放入神经网络进行是否进行切换的判断，根据神经网络返回的切换标志进行是否进行切换的操作。如判断用户已进入室外环境，则系统开启GPS定位模式关闭声波定位模式，并将手机APP地图换为当前室外环境地图，完成室内到室外定位的自动切换。

Claims (10)

1.一种室内外无缝定位系统，其特征在于，包括数据处理中心、若干个信标节点和智能手机，数据处理中心分别与若干个信标节点和智能手机，智能手机还分别每个与信标节点连接；

所述的智能手机用于室内定位模式下发送声波信号，室外环境下提供自带的GPS模块获取智能手机的经纬度信息，并接收数据中心计算得到当前位置信息进行显示；

所述的信标节点包括扬声器和麦克风，扬声器用于发射声波信号，麦克风用于捕获声波信号，同时信标节点将接收到的声波信号传送至数据处理中心；

所述的数据处理中心，用于接收信标节点传送的声波信号和智能手机传送的GPS信息，根据声波信号和GPS信息确定智能手机当前的位置坐标，并将确定好的位置信息发送至智能手机；

所述的数据处理中心还内置有神经网络，用于系统上线前对室内外定位切换阈值的训练，并用于判断系统上线后是否进行室内外定位的切换。

2.根据权利要求1所述的一种室内外无缝定位系统，其特征在于，所述的若干个信标节点设置在室内建筑顶棚，每个信标节点通过网线串联；其中室内建筑的出入口交界处设置一个特殊的信标节点，用于测量智能手机用户室内外交界的室内环境时用户与此信标节点的距离，并连续记录用户与此节点距离的三组数据，用作判断是否正处于向室外环境行进的判断输入。

3.根据权利要求1所述的一种室内外无缝定位系统，其特征在于，所述的数据处理中心的数据库中在保存每个室内外交界处特殊信标节点的GPS信息，用于测量用于处于室内外交界的室外环境时用户与此节点的距离，并连续记录用户与此节点距离的三组数据，用作判断是否正处于向室内环境行进的判断输入。

4.根据权利要求1所述的一种室内外无缝定位系统，其特征在于，所述的智能手机，内置定位APP，与数据处理中心通信。

5.根据权利要求4所述的一种室内外无缝定位系统，其特征在于，所述的定位APP为自主开发的APP，用于显示智能手机用户当前位置和发送FSM线性调制声波信号。

6.一种室内外无缝定位方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）定位系统上线前，根据室内外定位覆盖及切换区域的特点，采集该区域室内外定位切换数据，将数据输入神经网络训练，得到该区域室内外定位切换的训练模型；

2）数据处理中心根据智能手机自带的GPS模块或发送的声波信息，确定智能手机当前的位置坐标，并计算智能手机与出入口交界处信标节点的距离值；

3）数据处理中心根据步骤2）得到的距离值的变化趋势，判断智能手机用户是否正在从室外向室内或从室内向室外行进；当确定智能手机正在从室外向室内运行时，把当前用户与出入口节点的距离输入到神经网络判断该距离值是否是从室外到室内切换时的距离阈值，如果是，则判断用户即将从室外到室内或室内到室外，则进行室外到室内或室内到室外定位的自动切换，从而确定智能手机用户的当前位置信息。

7.根据权利要求6所述的一种室内外无缝定位方法，其特征在于，步骤2）中，所述的根据智能手机自带的GPS模块，确定智能手机当前的位置坐标，是通过调用智能手机内GPS模块获得的用户的经纬度信息进行定位。

8.根据权利要求6所述的一种室内外无缝定位方法，其特征在于，步骤2）中，根据智能手机发送的声波信息，确定智能手机当前的位置坐标，具体是智能手机发送FSM线性调制信号，各信标节点将接收到的声波信号传输到数据处理中心，数据处理中将接受到的各节点的声波信号进行延时估计和声速估计，然后进行距离计算，最后通过至少三个信标节点与智能手机的距离确定出智能手机的位置。

9.根据权利要求6所述的一种室内外无缝定位方法，其特征在于，所述的延时估计，是采用信号互相关的方法；

所述的声速估计，是通过已知的两两信标节点的实际距离，与相应的两两节点直接收到智能手机声波信号的时间差来计算一个声速，并通过取所有的计算值平均值，得到声波的估计速度。

10.根据权利要求8所述的一种室内外无缝定位方法，其特征在于，所述的信标节点与智能手机的距离，通过三边法求得。