CN109297491A - 一种室内定位导航方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内定位导航方法包括接收用户客户端的定位导航请求，对用户请求的信号强度值(RSSI)信息先进行预处理，将用户当前的请求数据与其历史数据对比，检查是否存在信号缺失，若存在缺失，使用其历史数据进行非线性拟合，并填补当前数据，通过对比指纹库识别易发生跳层区域并进行楼层矫正。加载蓝牙设备的坐标数据，通过定位算法计算位置坐标及所在的楼层信息生成定位结果，对定位结果进行Kalman滤波，然后加载路网数据，依据设定的寻路算法获取最优路径信息并对路径按楼层分割并识别出通行设施后发送至用户客户端。

Description

一种室内定位导航方法及系统

技术领域

本发明涉及室内定位技术，尤其是一种室内定位导航方法及系统。

背景技术

当前室内定位领域的解决方案多种多样，各有优缺点，但都存在精度差，不稳定，实施成本高的问题。尤其是在环境复杂，人流量大的场景下，问题更为明显。同时，单一的定位算法在没有相应高质量的地图情况下，很难得到应用和实施，且现有利用的室内导航技术容易发生跳层，且跳层无法处理。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种室内定位导航方法及系统。

其具体的方案如下：

本发明的公开了一种室内定位导航方法，包括接收用户客户端的定位导航请求，对用户请求的信号强度值(RSSI)信息先进行预处理，将用户当前的请求数据与其历史数据对比，检查是否存在信号缺失，若存在缺失，使用其历史数据进行非线性拟合，并填补当前数据，通过对比指纹库识别易发生跳层区域并进行楼层矫正。加载蓝牙设备的坐标数据，通过定位算法计算位置坐标及所在的楼层信息生成定位结果，对定位结果进行Kalman滤波，然后加载路网数据，依据设定的寻路算法获取最优路径信息并对路径按楼层分割并识别出通行设施后发送至用户客户端。

优选的，还包括用户客户端对地图数据的查询，其具体的步骤包括，接收用户客户端的请求，加载所有预先设定的workers,依据用户客户端的请求查找用户调用的worker是否存在，若存在，执行worker查询数据，查询成功后对查询的结果进行一致化序列化显示，若不存在用户调用的worker，则结束。

优选的，还包括查找是否存在数据缺失，若缺失，通过信号衰减公式填补空缺值或通过二项式拟合方式进行填补空缺值。

优选的，还包括在定位导航时，若出现跳层，采用预先采集指纹的方式矫正Z轴，使用加权KNN计算当前的RSSI信息与指纹库中RSSI信息匹配，距离最短且距离小于阈值30的，匹配成功，将Z矫正，其中Z为楼层标识。

优选的，跳层区域判断方法如下：至少有3个蓝牙设备同时出现在指纹库中的某一条指纹中，且用其计算的加权欧氏距离d小于阈值30。

优选的，对所述定位结果进行Kalman滤波之前，先获取历史滤波数据(历史数据会保存10-30秒)，查看历史滤波数据是否存在，若存在，使用历史滤波数据(坐标值和坐标协方差)，新的坐标，更新预先设置的滤波器，获取滤波结果并更新历史数据，若不存在，则需新建滤波器，然后根据设置好的滤波参数计算结果。

优选的，所述加载路网数据的具体步骤如下：获取路网数据，检查是否存在孤立的子路网，若不存在，格式化数据并发送至寻路算法模块，若存在孤立的子路网，则进行异常处理。

优选的，所述生成连通图的具体步骤如下：查看是否存在室外数据，如果存在，将室外门链入对应的室内地图中，将室内地图过通行设施合并使得室内外路网合并，然后在查看是否存在连廊，若存在，则将连廊连通，最后将整理后的路网信息存入内存数据库；若不存在室外数据，将室内地图通过通行设施合并；若不存在连廊，将整理后的路网信息存入内存数据库。

优选的，所述寻路算法包括直梯优先算法和楼梯及扶梯优先算法两种，其具体的步骤如下：检查用户客户端的定位导航请求参数是否正确，然后检查导航类别参数是否是直梯优先，若是，则使用直梯优先的导航插件初始化导航算法，若不存在直梯优先，则通过楼梯扶梯优先的导航插件初始化导航算法，计算最优路径，若存在最优路径，按楼层切割最优路径数据并提取经过的通行设施信息，然后返回，若不存在最佳路径，则结束。

本发明还提供了一种室内定位导航系统，包括

蓝牙设备，依据预设的点位图，在现场安装蓝牙设备后将设备的标识信息回传到数据库；

地图模块，依据现实场景的CAD图提取主要的地图信息并制成SHP图，然后导入数据库中。地图模块包含：地图数据检查，地图数据导入，地图数据查询，地图数据发布；

服务器设备，用于接收用户客户端的定位导航请求，对用户客户端的请求信号进行扫描并通过定位模块进行信号预处理，计算位置坐标及所在的楼层信息，通过导航模块加载路网数据，依据设定的寻路算法获取路径信息数据生成连通图并对路径进行切割获取最佳路径发送至用户客户端。

优选的，所述定位模块包括信号预处理模块、计算位置坐标模块以及定位结果滤波模块；

所述信号预处理模块，根据信号衰减原理对突然无信号的蓝牙设备的标识信息进行填补，对原始信号进行滤波，去除尖峰值以及用指纹匹配算法预先确定楼层信息；

所述计算位置坐标模块，通过获取蓝牙设备的锚点坐标和确定的楼层信息通过信号衰减原理估算坐标；

所述定位结果滤波模块，根据记录的上一次的滤波结果和结果的协方差值，以便对下一次滤波时更新。

优选的，所述导航模块包括路网数据模块、生成连通图模块以及寻路算法模块；

所述路网数据模块，用于查询每栋楼的路网数据以及对应的每层楼的路网数据，查询每个子层的路网数据，并检查所有的路网是否正确；

所述生成连通图模块，用于通过每栋楼的大门将室外和室内数据联通，通过每层楼内的楼梯，电梯，扶梯将所有楼层数据联通生成一张联通路网图；

所述寻路算法模块，用于根据不同栋拆分路径，根据不同楼层拆分路径，并将出入口和通行设施提出形成路径切割，依据寻路算法和路径切割获取最佳路径。

本发明的目的是提供一种用以解决在室内大面积场景下，对人员及物体的定位和导航，该系统不易发生跳层，定位精确。

附图说明

图1为本发明中系统的框架原理图；

图2为本发明中地图绘制的流程图；

图3为本发明中定位逻辑图；

图4为本发明中导航逻辑图；

图5为本发明中导航过程图；

图6为本发明中地图数据维护模块结构图；

图7为本发明中地图数据维护模块流程图；

图8为本发明中地图数据查询模块结构图；

图9为本发明中地图数据查询模块流程图；

图10为本发明中信号预处理模块结构图；

图11为本发明中信号预处理模块流程图；

图12为本发明中计算位置坐标模块结构图；

图13为本发明中计算位置坐标模块流程图；

图14为本发明中定位结果滤波模块结构图；

图15为本发明中定位结果滤波模块流程图；

图16为本发明中加载路网数据模块结构图；

图17为本发明中加载路网数据模块流程图；

图18为本发明中生成连通图模块结构图；

图19为本发明中生成连通图模块流程图；

图20为本发明中寻路算法模块结构图；

图21为本发明中寻路算法模块流程图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

释义：Wokers:地图服务中进行具体查询工作的线程，每个worker的查询规则，查询条件，查询结果都不相同。

shapefile文件:描述空间数据的几何和属性特征的非拓扑实体矢量数据结构的一种格式。

Rssi为Received Signal Strength Indication，指的是接收的信号强度指示，无线发送层的可选部分，用来判定链接质量，以及是否增大广播发送强度。

rssiA、RssiB为Rssi人为设定的区分类型。

参照图1，一种室内定位导航系统，包括

10.一种室内定位导航系统，其特征在于，包括

蓝牙设备，依据预设的点位图，在现场安装蓝牙设备后将设备的标识信息回传到数据库；

地图模块，依据现实场景的CAD图提取主要的地图信息并制成SHP图，然后导入数据库中。地图模块包含：地图数据检查，地图数据导入，地图数据查询，地图数据发布

服务器设备，用于接收用户客户端的定位导航请求，对用户客户端的请求信号进行扫描并通过定位模块进行信号预处理，计算位置坐标及所在的楼层信息，通过导航模块加载路网数据，依据设定的寻路算法获取路径信息数据生成连通图并对路径进行切割获取最佳路径发送至用户客户端。

优选的，所述定位模块包括信号预处理模块、计算位置坐标模块以及定位结果滤波模块；

所述信号预处理模块，根据信号衰减原理对突然无信号的蓝牙设备的标识信息进行填补，对原始信号进行滤波，去除尖峰值以及用指纹匹配算法预先确定楼层信息；

所述计算位置坐标模块，通过获取蓝牙设备的锚点坐标和确定的楼层信息通过信号衰减原理估算坐标；

所述定位结果滤波模块，根据记录的上一次的滤波结果和结果协方差值，以便对下一次滤波时更新。

优选的，所述导航模块包括路网数据模块、生成连通图模块以及寻路算法模块；

所述路网数据模块，用于查询每栋楼的路网数据以及对应的每层楼的路网数据，查询每个子层的路网数据，并检查所有的路网是否正确；

所述生成连通图模块，用于通过每栋楼的大门将室外和室内数据联通，通过每层楼内的楼梯，电梯，扶梯将所有楼层数据联通生成一张联通路网图；

所述寻路算法模块，用于根据不同栋拆分路径，根据不同楼层拆分路径，并将出入口和通行设施提出形成路径切割，依据寻路算法和路径切割获取最佳路径。

在本发明实施时，先根据预设的点位图，将蓝牙设备安装好之后通过工具将蓝牙设备标识信息回传到数据库。在将蓝牙设备的发射功率配置为0dbm，发射频率配置为60ms，蓝牙设备间隔为7m左右，依此获取较为稳定的蓝牙信号。

参照图2，依据较为稳定的蓝牙信号绘制现场的CAD图纸，通过现场核验CAD、矢量化CAD图纸以及进行SHP转化完成地图的绘制。

参照图3，由于终端蓝牙芯片多种多样，收集的iBeacon的RSSI数据质量也会参差不齐，需要对其进行预处理。预处理中将遗漏的蓝牙设备数据，以及时间间隔很小RSSI波动范围大于20dbm的数据，使用填补空缺值及二项式拟合方式进行预处理，然后依据如下的算法进行性定位；

定位算法如下：

对于易发生跳层区域，使用指纹定位算法。然后通过kalman滤波，对位置坐标进行平滑处理。

由于三角定位自身缺陷，在Z轴上无法达到很好效果。尤其是在开放的大厅区域及中空区域，蓝牙信号更容易发生反射和衍射。于是采用预先采集指纹的方式矫正Z轴：定点采集RSSI指纹后入库。Z方向矫正：使用加权KNN计算当前的RSSI信息与指纹库中RSSI信息匹配，距离最短且距离小于阈值30的，匹配成功，将Z矫正。

参照图4，将地图中的路网数据编译为联通图。

编译逻辑部分包括：

室内部分:分别编译各楼层路网到双向联通图，

室外部分:编译室外路网数据，

通过通行设施将不同楼层路网连接，包括通行设施如果有门，将门加入路网，通行设施如果是扶梯，将扶梯方向信息加入路网节点。

通过室外路网及室内出入口将不同栋的路网连接，

如果有连廊(连通不同栋)将连廊加入路网，

编译完成后，会生成一张整个项目的路网联通图，将其存储到文件系统。

参照图5，导航起终点处理：将起终点映射到门，有多个门时，寻找路径最近的门，

在导航算法中：利用可扩展的A star寻路算法实现，如下：

f(n)＝g(explored_node，node)+h(node)

寻路算法需要智能化需满足以下条件：

不同的通行设施间切换尽可能少。

如果是走楼梯，上楼w＝e^(n-6)+1 下楼w＝e^(n-6)，

如果是走扶梯，逆向的扶梯不能走。

参照图6至图21，一种室内定位导航方法，包括接收用户客户端的定位导航请求，对用户请求的信号强度值(RSSI)信息先进行预处理，将用户当前的请求数据与其历史数据对比，检查是否存在信号缺失，若存在缺失，使用其历史数据进行非线性拟合，并填补当前数据，通过对比指纹库识别易发生跳层区域并进行楼层矫正。加载蓝牙设备的坐标数据，通过定位算法计算位置坐标及所在的楼层信息生成定位结果，对定位结果进行Kalman滤波，然后加载路网数据，依据设定的寻路算法获取最优路径信息并对路径按楼层分割并识别出通行设施后发送至用户客户端。

还包括对地图的维护更新，参照图6和图7，其包括定时更新室内数据、新增室内数据以及发布室内数据，

若是新增数据，系统先查找是否存在该部分新增数据的原始数据，若存在，则删除原始数据，将shapefile文件转化为psql,新建并导入数据，若系统不存在该部分新增数据的原始数据，则直接将shapefile文件转化为psql,新建并导入数据。

若是更新数据，系统先查找是否存在该部分更新数据的原始数据，若存在，则删除原始数据，将shapefile文件转化为psql,新建并导入数据，若系统不存在该部分更新数据的原始数据，则直接将shapefile文件转化为psql,新建并导入数据。

上述中，无论是新增还是更新数据，在完成后，系统自动启动数据的发布，在发布之前，先检查是否存在发布数据的历史数据，若存在则删除后将现有的数据标记为最新进行发布。

参照图8和图9，本发明提供高并发支持的查询接口，可根据不同的维度查询。如:按整栋楼查询地图，按整层查询地图。提供每层楼内所有图层数据的查询。轮廓层，房间层，路网层，通行设施层，公共设施层，蓝牙设备数据层。

本发明中的地图查询主要包括室内地图查询、室外地图查询以及一致性查询结果。其具体的步骤包括，接收用户客户端的请求，加载所有预先设定的workers,依据用户客户端的请求查找用户调用的worker是否存在，若存在，执行worker查询数据，查询成功后对查询的结果进行一致化序列化显示，若不存在用户调用的worker，则结束。

还包括查找是否存在数据缺失，若缺失，通过信号衰减公式填补空缺值或通过二项式拟合方式进行填补空缺值。

例如：d＝10^(abs(rssiA‐59)/10)，

d为距离，rssiA为信号强度值，上一秒RSSI值为rssiA，当前秒没有值，需要补个rssiB，

假设人在室内环境中的行进速度为1.2m/s，

dB–dA＝1.2，

10^(abs(rssiB‐59)/10)–10^(rssiA‐59)/10)＝1.2，

即可计算出rssiB，

还包括在定位导航时，若出现跳层，采用预先采集指纹的方式矫正Z轴，使用加权KNN计算当前的RSSI信息与指纹库中RSSI信息匹配，距离最短且距离小于阈值30的，匹配成功，将Z矫正，其中Z为楼层标识。

跳层区域判断方法如下：至少有3个蓝牙设备同时出现在指纹库中的某一条指纹中，且用其计算的加权欧氏距离d小于阈值30。

由于人的行走是连续的，并且前后两次的定位结果差距不应大于人的行走速度。所以，再出现此类现象时，可用kalman滤波进行校正，使前后的定位结果相对平滑。对所述定位结果进行Kalman滤波之前，先获取历史滤波数据(历史数据会保存10-30秒)，查看历史滤波数据是否存在，若存在，使用历史滤波数据(坐标值和坐标协方差)，新的坐标，更新预先设置的滤波器，获取滤波结果并更新历史数据，若不存在，则需新建滤波器，然后根据设置好的滤波参数计算结果。Kalman滤波时，需要记录上一次的滤波结果和结果协方差，以便对下一次滤波时更新，这里使用内存数据库Redis记录。

在查询路网数据时，查询每栋楼的路网数据，查询每层楼的路网数据，查询每个子层的路网数据，并检查所有的路网是否正确。所述加载路网数据的具体步骤如下：获取路网数据，检查是否存在孤立的子路网，若不存在，格式化数据并发送至寻路算法模块，若存在孤立的子路网，则进行异常处理。

所述生成连通图的具体步骤如下：查看是否存在室外数据，如果存在，将室外门链入对应的室内地图中，将室内地图通过通行设施合并使得室内外路网合并，然后在查看是否存在连廊，若存在，则将连廊连通，最后将整理后的路网信息存入内存数据库；若不存在室外数据，将室内地图过通行设施合并；若不存在连廊，将整理后的路网信息存入内存数据库。

所述寻路算法包括直梯优先算法和楼梯扶梯优先算法两种，其具体的步骤如下：检查用户客户端的定位导航请求参数是否正确，然后检查导航类别参数是否是直梯优先，若是，则使用直梯优先的导航插件初始化导航算法，若不存在直梯优先，则通过楼梯扶梯优先的导航插件初始化导航算法，计算最优路径，若存在最优路径，按楼层切割最优路径数据并提取经过的通行设施信息，然后返回，若不存在最佳路径，则结束。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种室内定位导航方法，其特征在于，包括接收用户客户端的定位导航请求，对用户请求的信号强度值信息先进行预处理，将用户当前的请求数据与其历史数据对比，检查是否存在信号缺失，若存在缺失，使用其历史数据进行非线性拟合，并填补当前数据，通过对比指纹库识别易发生跳层区域并进行楼层矫正。加载蓝牙设备的坐标数据，通过定位算法计算位置坐标及所在的楼层信息生成定位结果，对定位结果进行Kalman滤波，然后加载路网数据，依据设定的寻路算法获取最优路径信息并对路径按楼层分割并识别出通行设施后发送至用户客户端。

2.根据权利要求1所述的室内定位导航方法，其特征在于，还包括用户客户端对地图数据的查询，其具体的步骤包括，接收用户客户端的请求，加载所有预先设定的workers,依据用户客户端的请求查找用户调用的worker是否存在，若存在，执行worker查询数据，查询成功后对查询的结果进行一致化序列化显示，若不存在用户调用的worker，则结束。

3.根据权利要求1所述的室内定位导航方法，其特征在于，还包括查找是否存在数据缺失，若缺失，通过信号衰减公式填补空缺值或通过二项式拟合方式进行填补空缺值。

4.根据权利要求1所述的室内定位导航方法，其特征在于，还包括在定位导航时，若出现跳层，采用预先采集指纹的方式矫正Z轴，使用加权KNN计算当前的RSSI信息与指纹库中RSSI信息匹配，距离最短且距离小于阈值30的，匹配成功，将Z矫正，其中Z为楼层标识。

5.根据权利要求4所述的室内定位导航方法，其特征在于，跳层区域判断方法如下：至少有3个蓝牙设备同时出现在指纹库中的某一条指纹中，且用其计算的加权欧氏距离d小于阈值30。

6.根据权利要求1所述的室内定位导航方法，其特征在于，对所述定位结果进行Kalman滤波之前，先获取历史滤波数据(历史数据会保存10-30秒)，查看历史滤波数据是否存在，若存在，使用历史滤波数据(坐标值和坐标协方差)，新的坐标，更新预先设置的滤波器，获取滤波结果并更新历史数据，若不存在，则需新建滤波器，然后根据设置好的滤波参数计算结果。

7.根据权利要求1所述的室内定位导航方法，其特征在于，所述加载路网数据的具体步骤如下：获取路网数据，检查是否存在孤立的子路网，若不存在，格式化数据并发送至寻路算法模块，若存在孤立的子路网，则进行异常处理；

所述生成连通图的具体步骤如下：查看是否存在室外数据，如果存在，将室外门链入对应的室内地图中，将室内地图过通行设施合并使得室内外路网合并，然后在查看是否存在连廊，若存在，则将连廊连通，最后将整理后的路网信息存入内存数据库；若不存在室外数据，将室内地图通过通行设施合并；若不存在连廊，将整理后的路网信息存入内存数据库；

所述寻路算法包括直梯优先算法和楼梯及扶梯优先算法两种，其具体的步骤如下：检查用户客户端的定位导航请求参数是否正确，然后检查导航类别参数是否是直梯优先，若是，则使用直梯优先的导航插件初始化导航算法，若不存在直梯优先，则通过楼梯扶梯优先的导航插件初始化导航算法，计算最优路径，若存在最优路径，按楼层切割最优路径数据并提取经过的通行设施信息，然后返回，若不存在最佳路径，则结束。

8.一种室内定位导航系统，其特征在于，包括

蓝牙设备，依据预设的点位图，在现场安装蓝牙设备后将设备的标识信息回传到数据库；

地图模块，依据现实场景的CAD图提取主要的地图信息并制成SHP图，然后导入数据库中。地图模块包含：地图数据检查，地图数据导入，地图数据查询，地图数据发布；

服务器设备，用于接收用户客户端的定位导航请求，对用户客户端的请求信号进行扫描并通过定位模块进行信号预处理，计算位置坐标及所在的楼层信息，通过导航模块加载路网数据，依据设定的寻路算法获取路径信息数据生成连通图并对路径进行切割获取最佳路径发送至用户客户端。

9.根据权利要求8所述的室内定位导航系统，其特征在于，所述定位模块包括信号预处理模块、计算位置坐标模块以及定位结果滤波模块；

所述信号预处理模块，根据信号衰减原理对突然无信号的蓝牙设备的标识信息进行填补，对原始信号进行滤波，去除尖峰值以及用指纹匹配算法预先确定楼层信息；

所述计算位置坐标模块，通过获取蓝牙设备的锚点坐标和确定的楼层信息通过信号衰减原理估算坐标；

所述定位结果滤波模块，根据记录的上一次的滤波结果和结果的协方差值，以便对下一次滤波时更新。

10.根据权利要求8所述的室内定位导航系统，其特征在于，所述导航模块包括路网数据模块、生成连通图模块以及寻路算法模块；

所述路网数据模块，用于查询每栋楼的路网数据以及对应的每层楼的路网数据，查询每个子层的路网数据，并检查所有的路网是否正确；

所述生成连通图模块，用于通过每栋楼的大门将室外和室内数据联通，通过每层楼内的楼梯，电梯，扶梯将所有楼层数据联通生成一张联通路网图；

所述寻路算法模块，用于根据不同栋拆分路径，根据不同楼层拆分路径，并将出入口和通行设施提出形成路径切割，依据寻路算法和路径切割获取最佳路径。