CN109143299B - 基于gps的室内高精度经纬线映射定位方法及系统 - Google Patents

基于gps的室内高精度经纬线映射定位方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法及系统，通过建立初始的第一映射层；对建立初始的第一映射层采用室内高精度经纬线重新划分方法增加更高精度的经纬线，建立起最终的第一映射层；基于室内高精度经纬线重新划分方法得到的第一映射层，建立第二映射层，构建第一映射层与第二映射层之间的映射关系，在输入量对应到第二映射层中某一栅格时，在第一映射层中映射得到对应的GPS信息；本发明能够将距离转换为GPS信号，当室内GPS信号减弱甚至消失时，依然可以给以GPS作为定位信息的设备提供GPS定位服务，保证设备的稳定性与安全性。在提高实时定位精度的同时大大减小设备维护及布置的工作量。

Description

基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法及系统。
背景技术
室内定位技术可应用于停车场反向寻车、家人防走散、人流监控和分析、智能制造、紧急救援和人员资产管理等相当多的场景。因此，室内定位方法在近年来一直是人们关心和研究的热点问题，而实时性和准确性则是室内定位方法中的关键问题。当前的主流室内定位方法主要有磁电光声，WIFI、iBeacon、地磁、超声波，还有超宽带，可见光、激光定位技术以及目前慢慢出现的惯导技术。但大多存在着定位精度不高，维护工作量巨大等不足。
相较而言，基于GPS的室内定位方法可以借助现有技术，大大减小应用室内定位方法时工作量。目前，基于GPS的室内定位技术主要有GPS信号转发方案、室内应用高灵敏度GPS模块方案、伪卫星技术方案。但前两种方案定位精度不高，很难满足在室内中的应用要求，最后一种方案又存在对设备及信号的高水平要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法及系统，解决现有技术中存在的定位精度不高，很难满足在室内中的应用要求，对设备及信号的高水平要求的问题。
本发明的技术解决方案是：
一种基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法，包括以下步骤，
S1、在待定位的室内范围的外围一周选取若干参考点，利用GPS接收设备接收GPS信号，获取各参考点的GPS信息，利用所得GPS信息中的经纬度信息画出经纬线，并将各参考点的GPS信息导入数据库，即建立初始的第一映射层；
S2、对步骤S1建立初始的第一映射层采用室内高精度经纬线重新划分方法增加更高精度的经纬线，建立起最终的第一映射层，具体为，利用经纬度的不同精度在步骤S1所得的第一映射层的相邻两条经纬线之间，根据对精度的不同需求进行第一映射层的高精度经纬线重新划分，即在步骤S1中相邻两条经纬线中划分出若干条更高精度的经纬线，建立起最终的第一映射层；
S3、基于室内高精度经纬线重新划分方法，用若干规定大小的栅格构建第二映射层，将第二映射层的第二栅格与第一映射层中由经纬线组成的第一栅格对应，构建第二映射层与第一映射层之间的映射关系，在输入量对应到第二映射层中某一第二栅格时，通过上述映射在第一映射层中获得对应的GPS信息。进一步地，步骤S2中，在由GPS接收设备得到的相邻两条经纬线之间，根据精度需要进行更高精度的经纬线重新划分，该经纬线与实际地理上相同精度的经纬线具有相同的作用，和实际经纬度线排列顺序一致，划分的经线必须与通过格林尼治天文台的经线平行，划分的纬线必须与赤道平行。
进一步地，步骤S3中，在GPS接收设备接收的经纬度信息的基础上，引入划分出的更高精度的经纬线，对平面进行高精度经纬线的重新划分，通过不同层面栅格之间的对应关系建立第一映射层与第二映射层两映射层面的映射关系，其中第二栅格的大小不超过第一映射层中由经纬线构成的第一栅格的大小，最终实现高精度室内定位。
进一步地，步骤S1中，GPS接收设备接收的GPS信号中的经纬度精度约为2米，即小数点后5位，第一映射层为一包含GPS信息的数据库。
一种基于GPS的室内高精度经纬线映射定位系统，通过测距模块传回待定位设备的室内位置信息，由单片机映射出待定位设备所在位置的GPS信息，最终通过数据收发模块发送给待定位设备，实现GPS信号缺失情况下室内定位，具体包括测距模块、数据收发模块和单片机，
测距模块：用以测得待定位设备与室内相邻两面墙壁之间的距离，即相对位置的二维坐标，该模块主要包括三轴云台和超声波传感器组；
数据收发模块：实现测距模块与单片机间的数据收发，包括第一全双工无线串口和第二全双工无线串口，第一全双工无线串口采用UART接口方式与超声波传感器组连接，第一全双工无线串口采用UART接口方式与以GPS作为定位信息的设备连接，第二全双工无线串口采用UART接口方式与单片机连接；
单片机：采用上述任一项基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法来实现室内定位，实现在已知输入量时对应输出GPS信息；其中输入量是指超声波传感器组回传的一组距离值，输出GPS信息是指第一映射层中对应的GPS信息；最后将第一映射层中对应的GPS信息发送给以GPS作为定位信息的设备即可实现室内定位。
进一步地，该基于GPS的室内高精度经纬线映射定位系统，实现室内定位具体为：
超声波传感器组测得当前位置分别距离室内相邻两面墙壁的距离，得到当前位置信息，即一组二维坐标，并以UART方式发送给第一全双工无线串口，第一全双工无线串口通过无线通信方式发送给第二全双工无线串口；
第二全双工无线串口将当前位置信息发送到单片机，即单片机得到一组二维坐标，此时单片机采用上述 任一项基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法得到映射到对应的GPS信息，第二全双工无线串口以无线通信方式发送给第一全双工无线串口；
第一全双工无线串口接收到GPS信息，并将GPS信息发送给以GPS作为定位信息的设备，实现室内定位。
进一步地，测距模块中，超声波传感器组包括第一超声波传感器、第二超声波传感器、上面包板和下面包板，第一超声波传感器的探测端与第二超声波传感器的探测端在平面内互成90度角，上面包板、下面包板分别固定在互成 90度的第一超声波传感器和第二超声波传感器的共同外侧的两端，超声波传感器组安装在三轴云台最下端的轴臂上。
进一步地，第一全双工无线串口与超声波传感器组的UART接口方式中只连接RX，TX暂时悬空，第二全双工无线串口与以GPS作为定位信息的设备的 UART接口方式中只连接TX。
进一步地，单片机中的GPS信息为离线GPS信息，在室内GPS信号减弱甚至消失时，给以GPS作为定位信息的设备提供GPS定位信息。
进一步地，三轴云台将保持超声波传感器组的两个探测头横截面始终与两面互相垂直的墙壁分别保持平行。
本发明的有益效果是：与现有室内定位方法相比，该种基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法及系统，能够将距离即实时室内位置信息转换为GPS 信号，当室内GPS信号减弱甚至消失时，依然可以给以GPS作为定位手段的设备提供GPS定位服务，保证设备的稳定性与安全性。在提高实时定位精度的同时大大减小设备维护及布置的工作量。本发明针对室内GPS信号减弱甚至消失且定位精度不高的情况，无需实时GPS定位设备，借助重新划分的经纬线信息即离线GPS信息即可完成高精度室内定位。该种基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法能满足以GPS作为定位途径设备的高精度室内定位。
附图说明
图1是本发明实施例基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法的流程示意图。
图2是实施例基于GPS的室内高精度经纬线映射定位系统的定位说明示意图。
图3是实施例中第一映射层划分的说明示意图。
图4是实施例中第一映射层与第二映射层映射关系示意图。
图5是三轴云台与第一超声波传感器、第二超声波传感器、上面包板和下面包板的结构示意图。
图6是三轴云台与上面包板、下面包板的结构示意图。
其中，1-三轴云台，2-第一超声波传感器，3-第二超声波传感器，4-上面包板，5-下面包板。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例
一种基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法，如图1，包括以下步骤，
S1、在待定位的室内范围的外围一周选取若干参考点，利用GPS接收设备接收GPS信号，获取各参考点的GPS信息，利用所得GPS信息中的经纬度信息画出经纬线，并将各参考点的GPS信息导入数据库，即建立初始的第一映射层；步骤S1中，GPS接收设备接收的GPS信号中的经纬度精度约为2米，即小数点后5位，第一映射层为一包含GPS信息的数据库。
S2、对步骤S1建立初始的第一映射层采用室内高精度经纬线重新划分方法增加更高精度的经纬线，建立起最终的第一映射层，具体为，利用经纬度的不同精度在步骤S1所得的第一映射层的相邻两条经纬线之间，根据对精度的不同需求进行第一映射层的高精度经纬线重新划分，即在步骤S1中相邻两条经纬线中划分出若干条更高精度的经纬线，建立起最终的第一映射层；
步骤S2中，在由GPS接收设备得到的相邻两条经纬线之间，根据精度需要进行更高精度的经纬线重新划分，该经纬线与实际地理上相同精度的经纬线具有相同的作用，和实际经纬度线排列顺序一致，划分的经线必须与通过格林尼治天文台的经线平行，划分的纬线必须与赤道平行。
S3、基于室内高精度经纬线重新划分方法，用若干规定大小的栅格建立第二映射层，将第二映射层的第二栅格与第一映射层中由经纬线组成的第一栅格对应，构建第一映射层与第二映射层之间的映射关系，在输入量对应到第二映射层中某一第二栅格时，在第一映射层中映射得到对应的GPS信息。
步骤S3中，在GPS接收设备接收的经纬度信息的基础上，引入划分出的更高精度的经纬线，对平面进行高精度经纬线的重新划分，由第一栅格与第二栅格建立第一映射层与第二映射层两映射层面的映射关系，其中第二栅格的大小不超过第一映射层中由经纬线构成的第一栅格的大小，最终实现高精度室内定位。
该种基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法，利用现已较为成熟的 GPS定位技术，不受实时信号质量限制，完成室内的高精度定位，相比于其它方式而言，本发明操作简单，执行难度较低，有着更好的适应性，可以适用于更多种产品，具有广泛应用的价值。
与现有室内定位方法相比，该种基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法及系统，能够将距离即实时室内位置信息转换为GPS信号，当室内GPS信号减弱甚至消失时，依然可以给以GPS作为定位信息的设备提供GPS定位服务，保证设备的稳定性与安全性，而且可以在提高实时定位精度的同时大大减小设备维护及布置的工作量。本发明针对室内GPS信号减弱甚至消失且定位精度不高的情况，无需实时GPS定位设备，借助重新划分的经纬线信息即离线GPS信息即可完成高精度室内定位。该种基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法能满足以GPS作为定位信息的设备的高精度室内定位。
该方法首先在建筑物外围利用GPS接收设备获取GPS信息，并根据室内所需精度要求用一定的高精度经纬线对室内区域进行重新划分，得到第一映射层。如图3所示第一映射层划分示意图，建筑物以长方形表示，外围数字分别表示建筑物外围经纬度线(左侧为纬度，上方为经度)，起止点在建筑物外围的线段是根据GPS接收设备获取的GPS信息画出的，而建筑物内部的线段为依照需要的重新划分，在建筑物内部某一区域需要的精度越高重新划分出的经纬线越密集。
其次，对应第一映射层进行第二映射层即栅格层的划分，如图4所示，第二映射层的第二栅格与第一映射层由经纬线构成的第一栅格对应，其中第二栅格的大小应不超过第一映射层中由经纬线构成的第一栅格的大小，构建第一映射层与第二映射层之间的映射关系，在输入量对应到第二映射层中某一栅格时，映射出第一映射层中相应的GPS坐标信息，即输入量对应到图4中点③(④) 的栅格，映射出第一映射层中的点①(②)的GPS信息。
一种基于GPS的室内高精度经纬线映射定位系统，通过测距模块传回的距离信息即待定位设备的室内位置信息，由单片机映射出待定位设备所在位置的 GPS信息，最终通过数据收发模块发送给待定位设备，实现室内定位，具体包括测距模块、数据收发模块和单片机。
测距模块：用以测得当前位置分别距离室内相邻两面墙壁的距离，即一组二维坐标，包括三轴云台1和超声波传感器组；
数据收发模块：实现测距模块与单片机间的数据收发，包括第一全双工无线串口和第二全双工无线串口，第一全双工无线串口采用UART接口方式与超声波传感器组连接，第一全双工无线串口采用UART接口方式与以GPS作为定位信息的设备连接，第二全双工无线串口采用UART接口方式与单片机连接；
单片机：采用上述任一项基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法来实现室内定位，实现在已知输入量时对应输出GPS信息；其中输入量是指超声波传感器组回传的一组距离值，输出GPS信息是指第一映射层中对应的GPS信息；最后将第一映射层中对应的GPS信息发送给以GPS作为定位信息的设备即可实现室内定位。
该基于GPS的室内高精度经纬线映射定位系统，实现室内定位具体为：
超声波传感器组测得当前位置分别距离室内相邻两面墙壁的距离，得到当前位置信息，即一组二维坐标，并以UART方式发送给第一全双工无线串口，第一全双工无线串口通过无线通信方式发送给第二全双工无线串口；
第二全双工无线串口将当前位置信息发送到单片机，即单片机得到一组二维坐标，此时单片机采用上述任一项基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法得到映射到对应的GPS信息，第二全双工无线串口以无线通信方式发送给第一全双工无线串口；
第一全双工无线串口接收到GPS信息，并将GPS信息发送给以GPS作为定位信息的设备，实现室内定位。
测距模块中，超声波传感器组包括第一超声波传感器2、第二超声波传感器3、上面包板4和下面包板5，第一超声波传感器2的探测端与第二超声波传感器3的探测端在平面内互成90度角，上面包板4、下面包板5分别固定在互成90度的第一超声波传感器2和第二超声波传感器3的共同外侧的两端，超声波传感器组安装在三轴云台1最下端的轴臂上，其中三轴云台1与第一超声波传感器2、第二超声波传感器3、上面包板4和下面包板5的结构示意图与侧面结构示意图分别如图5与图6所示。
实施例中，三轴云台1将保持超声波传感器组的两个探测头横截面始终与两面互相垂直的墙壁分别保持平行。三轴云台1的型号优选storm32；第一超声波传感器2、第二超声波传感器3的型号优选为HC-SR04；上面包板4的型号优选为7*9cm玻纤板；下面包板5优选为7*9cm玻纤板；测距模块还包括为超声波传感器组供电的第一电源，第一电源的型号优选为11.1V的电源。
实施例中，第一全双工无线串口与超声波传感器组的UART接口方式中只连接RX，TX暂时悬空，第二全双工无线串口与以GPS作为定位信息的设备的 UART接口方式中只连接TX。单片机中的GPS信息为离线GPS信息，在室内 GPS信号减弱甚至消失时，给以GPS作为定位信息的设备提供GPS定位信息。单片机优选为STC12C5A32S2，第二电源为单片机供电，优选为5V的电源。第一全双工无线串口的型号优选为AS69-T20；第二全双工无线串口优选为AS69-T20。
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内。

Claims (10)

1.一种基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、在待定位的室内范围的外围一周选取若干参考点，利用GPS接收设备接收GPS信号，获取各参考点的GPS信息，利用所得GPS信息中的经纬度信息画出经纬线，并将各参考点的GPS信息导入数据库，即建立初始的第一映射层；
S2、对步骤S1建立初始的第一映射层采用室内高精度经纬线重新划分方法增加更高精度的经纬线，建立起最终的第一映射层，具体为，利用经纬度的不同精度在步骤S1所得的第一映射层的相邻两条经纬线之间，根据对精度的不同需求进行第一映射层的高精度经纬线重新划分，即在步骤S1中相邻两条经纬线中划分出若干条更高精度的经纬线，建立起最终的第一映射层；
S3、基于室内高精度经纬线重新划分方法，用若干规定大小的栅格构建第二映射层，将第二映射层的第二栅格与第一映射层中由经纬线组成的第一栅格对应，构建第二映射层与第一映射层之间的映射关系，在输入量对应到第二映射层中某一第二栅格时，通过上述映射在第一映射层中获得对应的GPS信息。
2.如权利要求1所述的基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法，其特征在于：步骤S2中，在由GPS接收设备得到的相邻两条经纬线之间，根据精度需要进行更高精度的经纬线重新划分，该经纬线与实际地理上相同精度的经纬线具有相同的作用，和实际经纬度线排列顺序一致，划分的经线必须与通过格林尼治天文台的经线平行，划分的纬线必须与赤道平行。
3.如权利要求2所述的基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法，其特征在于：步骤S3中，在GPS接收设备接收的经纬度信息的基础上，引入划分出的更高精度的经纬线，对平面进行高精度经纬线的重新划分，通过不同层面栅格之间的对应关系建立第一映射层与第二映射层两映射层面的映射关系，其中第二栅格的大小不超过第一映射层中由经纬线构成的第一栅格的大小，最终实现高精度室内定位。
4.如权利要求1-3任一项所述的基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法，其特征在于：步骤S1中，GPS接收设备接收的GPS信号中的经纬度精度约为2米，即小数点后5位，第一映射层为一包含GPS信息的数据库。
5.一种基于GPS的室内高精度经纬线映射定位系统，其特征在于：通过测距模块传回待定位设备的室内位置信息，由单片机映射出待定位设备所在位置的GPS信息，最终通过数据收发模块发送给待定位设备，实现GPS信号缺失情况下室内定位，具体包括测距模块、数据收发模块和单片机，
测距模块：用以测得待定位设备与室内相邻两面墙壁之间的距离，即相对位置的二维坐标，该测距模块主要包括三轴云台和超声波传感器组；
数据收发模块：实现测距模块与单片机间的数据收发，包括第一全双工无线串口和第二全双工无线串口，第一全双工无线串口采用UART接口方式与超声波传感器组连接，第一全双工无线串口采用UART接口方式与以GPS作为定位信息的设备连接，第二全双工无线串口采用UART接口方式与单片机连接；
单片机：采用权利要求1-4任一项基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法来实现室内定位，实现在已知输入量时对应输出GPS信息；其中输入量是指超声波传感器组回传的一组距离值，输出GPS信息是指第一映射层中对应的GPS信息；最后将第一映射层中对应的GPS信息发送给以GPS作为定位信息的设备即可实现室内定位。
6.如权利要求5所述的基于GPS的室内高精度经纬线映射定位系统，其特征在于：该基于GPS的室内高精度经纬线映射定位系统，实现室内定位具体为：
超声波传感器组测得当前位置分别距离室内相邻两面墙壁的距离，得到当前位置信息，即一组二维坐标，并以UART方式发送给第一全双工无线串口，第一全双工无线串口通过无线通信方式发送给第二全双工无线串口；
第二全双工无线串口将当前位置信息发送到单片机，即单片机得到一组二维坐标，此时单片机采用权利要求1-4任一项基于GPS的室内高精度经纬线映射定位方法得到映射到对应的GPS信息，第二全双工无线串口以无线通信方式发送给第一全双工无线串口；
第一全双工无线串口接收到GPS信息，并将GPS信息发送给以GPS作为定位信息的设备，实现室内定位。
7.如权利要求5所述的基于GPS的室内高精度经纬线映射定位系统，其特征在于：测距模块中，超声波传感器组包括第一超声波传感器、第二超声波传感器、上面包板和下面包板，第一超声波传感器的探测端与第二超声波传感器的探测端在平面内互成90度角，上面包板、下面包板分别固定在互成90度的第一超声波传感器和第二超声波传感器的共同外侧的两端，超声波传感器组安装在三轴云台最下端的轴臂上。
8.如权利要求5所述的基于GPS的室内高精度经纬线映射定位系统，其特征在于：第一全双工无线串口与超声波传感器组的UART接口方式中只连接RX，TX暂时悬空，第二全双工无线串口与以GPS作为定位信息的设备的UART接口方式中只连接TX。
9.如权利要求5所述的基于GPS的室内高精度经纬线映射定位系统，其特征在于：单片机中的GPS信息为离线GPS信息，在室内GPS信号减弱甚至消失时，给以GPS作为定位信息的设备提供GPS定位信息。
10.如权利要求5-9任一项所述的基于GPS的室内高精度经纬线映射定位系统，其特征在于：三轴云台将保持超声波传感器组的两个探测头横截面始终与两面互相垂直的墙壁分别保持平行。
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