CN109764865B - 一种基于mems和uwb的室内定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS和UWB的室内定位方法，本发明公开的方法通过获取连续的UWB数据从而得到移动终端的移动轨迹，然后利用移动终端上的MEMS测量模块测量得到的加速度值的振荡规律确定移动终端的运动状态。然后基于确定得到的运动状态对移动终端的移动轨迹进行修正得到移动终端当前的真实位置，从而可以获得移动终端室内环境中的正确移动轨迹，通过本发明提供的方法，可以减少移动终端的抖动，并能显著提高室内移动终端的定位以及移动轨迹的准确度。

Description

一种基于MEMS和UWB的室内定位方法

技术领域

本发明涉及室内定位技术领域，更具体地说，涉及一种基于MEMS和UWB的室内定位方法。

背景技术

随着互联网的兴起，无线通信技术的蓬勃发展，基于BLS(位置信息服务，baselocation service)也得到了广泛的应用。用户通过互联网和移动通信的相互作用得到各种位置信息，从而产生某种特定的服务，即基于位置信息服务。基于位置服务信息是指基于移动终端(移动手机、掌上电脑)通过各种定位技术来获得当前的位置信息，并在通信网络上通过位置得到相应的服务。常见位置信息服务有：美国E911系统和欧洲E112系统。当前LBS已应用于军事、交通民生等各个领域中，比如游客可以GPS定位，自主确定出行路线，并且可以搜索出周围的美食，ATM机等便民服务。

定位技术根据环境封闭性分为室外技术和室内技术。室外技术主要包括卫星定位技术以及基站定位技术。然而，室外技术适用于宽敞无遮挡环境中，如果环境有物品遮挡，定位精准度可能不高。

对于室内这种较封闭，室内各种遮挡物的情况下，并且室内环境本身比较小，室外的定位精确度不足以满足定位的定位需求。目前室内定位技术主要基于无线传感技术应用。

由于芯片方案的成熟和成本下降，国内研究UWB技术及时定位的人和公司慢慢涌现，能达到30cm甚至10cm的系统定位精度。高定位精度的应用范围比较特殊，因此也决定了其当前只能用在对确保生命财产有较高要求的行业上，如：矿下人员定位、养老院人员看护、大型仓储货物定位等。由于室内环境比较复杂，UWB技术在进行室内定位的时候可能会遇到吸收或者遮挡信号的情况，定位过程中可能会出现抖动或者偏差，所以容易造成定位结果不准确的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于MEMS和UWB的室内定位方法。

为实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种基于MEMS和UWB的室内定位方法，应用于移动终端，所述移动终端包括MEMS测量模块和UWB定位模块，所述方法包括：

所述UWB定位模块获取所述移动终端在历史时刻T₀至当前时刻T_k之间的UWB数据，并根据所述UWB数据确定所述移动终端在该时间段内的移动轨迹；

所述MEMS测量模块获取所述移动终端在该时间段内的加速度值；

根据所述加速度值以及所述移动轨迹确定所述移动终端在该时间段内的状态；

基于所述状态对所述UWB定位模块确定出的所述移动终端的移动轨迹进行修正得到所述移动终端在当前时刻下的真实位置。

进一步地，所述基于所述状态对所述UWB定位模块确定出的所述移动终端的移动轨迹进行修正得到所述移动终端在当前时刻下的真实位置包括：

在确定所述移动终端在该时间段内处于静止状态时，将所述移动终端在T₀时刻时对应的位置坐标作为所述移动终端当前时刻对应的位置坐标；

或，

在确定所述移动终端在该时间段内处于非静止状态时，利用所述MEMS测量模块获取的所述移动终端在该时间段内的真实航向角对所述移动终端在当前时刻下的位置进行修正得到所述移动终端在当前时刻下的真实位置。

进一步地，所述确定所述移动终端在该时间段内处于静止状态包括：

当所述移动终端在该时间段内的加速度值小于等于预设加速度阈值，且所述移动轨迹覆盖的范围在预设目标区域范围内时确定所述移动终端在该时间段内处于静止状态。

进一步地，所述确定所述移动终端在该时间段内处于非静止状态包括：

当所述移动终端在该时间段内的加速度值小于等于预设加速度阈值，且所述移动轨迹覆盖的范围大于预设目标区域范围内时确定所述移动终端在该时间段内处于匀速运动状态；

或，

当所述移动终端在该时间段内的加速度值大于预设加速度阈值时，确定所述移动终端在该时间段内处于变速运动状态。

进一步地，所述方法还包括：

当确定所述移动终端在该时间段内处于匀速运动状态时，将所述移动终端在T₀时刻时对应的加速度值作为所述移动终端当前时刻对应的加速度值。

进一步地，所述MEMS测量模块包括陀螺仪计、加速度计以及磁力计，所述移动终端通过所述加速度计获取所述移动终端的加速度值，所述利用所述MEMS测量模块获取的所述移动终端在该时间段内的真实航向角对所述移动终端在当前时刻下的位置进行修正得到所述移动终端在当前时刻下的真实位置包括：

基于所述磁力计的数据计算所述移动终端当前的待调整航向角；

根据预设滤波算法、所述待调整航向角和所述陀螺仪计当前测量得到的角度值计算所述移动终端在该时间段内的真实航向角；

基于所述真实航向角对所述移动轨迹进行修正得到所述移动终端在当前时刻下的真实位置。

进一步地，所述基于所述磁力计的数据计算所述移动终端当前的待调整航向角包括：

根据所述磁力计的测量结果获取地磁场沿x轴的分量m_x和地磁场沿y轴的分量m_y；

根据公式

计算当前的磁航向角；

将所述磁航向角以及正北方向与磁北方向的夹角之和作为所述待调整航向角。

进一步地，所述根据预设滤波算法、所述待调整航向角和所述陀螺仪计当前测量得到的角度值计算所述移动终端在该时间段内的真实航向角包括：

建立第一卡尔曼滤波模型；

将所述待调整航向角和所述角度值作为所述第一卡尔曼滤波模型的输入参数；

将经过所述第一卡尔曼滤波模型滤波后的航向角作为所述移动终端的真实航向角。

进一步地，所述根据预设滤波算法、所述待调整航向角和所述陀螺仪计当前测量得到的角度值计算所述移动终端在该时间段内的真实航向角包括：

建立第一卡尔曼滤波模型；

将所述待调整航向角和所述角度值作为所述第一卡尔曼滤波模型的输入参数；

根据所述UWB数据计算所述UWB定位模块的航向角；

建立第二卡尔曼滤波模型；

将经过所述第一卡尔曼滤波模型滤波后的航向角和所述UWB定位模块的航向角作为所述第二卡尔曼滤波模型的输入参数；

将经过所述第二卡尔曼滤波模型滤波后的航向角作为所述移动终端的真实航向角。

进一步地，所述移动终端为可穿戴式移动终端。

本发明提供的基于MEMS和UWB的室内定位方法通过获取连续的UWB数据从而得到移动终端的移动轨迹，然后利用移动终端上的MEMS测量模块测量得到的加速度值的振荡规律确定移动终端的运动状态。然后基于确定得到的运动状态对移动终端的移动轨迹进行修正得到移动终端当前的真实位置，从而可以获得移动终端室内环境中的正确移动轨迹，通过本发明提供的方法，可以减少移动终端的抖动，并能显著提高室内移动终端的定位以及移动轨迹的准确度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本实施例提供的一种基于MEMS和UWB的室内定位方法的流程示意图；

图2为本实施例提供的MEMS测量模块的结构示意图；

图3为本实施例提供的对移动终端所处的位置进行修正的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种种基于MEMS和UWB的室内定位方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1所示，本实施例提供一种基于MEMS和UWB的室内定位方法，应用于移动终端，该移动终端包括MEMS测量模块和UWB定位模块，本实施例提供的方法包括：

S101：UWB定位模块获取移动终端在历史时刻T₀至当前时刻T_k之间的UWB数据，并根据UWB数据确定移动终端在该时间段内的移动轨迹。

具体而言，UWB定位模块可以获取移动终端从距当前时刻T_k之前的第k个时刻至T_k之间的UWB数据，k的具体取值大小可以由开发人员任意设置，所以在本实施例中，可以通过UWB定位模块实时采集移动终端的UWB数据并存储，以便于后续可以通过现有的定位算法，例如TDOA算法确定出移动终端的移动轨迹。具体的来说，可以得到移动终端在T₀、T₁、T₂······T_k这k个时刻下的每一时刻对应的位移点，假设分别是h₀、h₁、h₂······h_k。

由于UWB信号具有穿透能力，信号易被金属材料吸收，所以步骤S101中的定位过程会出现抖动或者偏差，所以需要通过本实施例提供的下述步骤进行修正，以得到移动终端真实正确的移动轨迹。

S102：MEMS测量模块获取移动终端在该时间段内的加速度值。

请参见图2所示，本实施例中的MEMS测量模块包括加速度计21、陀螺仪计22以及磁力计23，加速度计21可以测量载体受到外界的压力，一般可以测得移动终端的运动状态，在不受外力下的数据较为精确，陀螺仪计22具有测量精度高，但是存在漂移，长时间工作下会产生较大的偏差，磁力计23可用于测得移动终端的航向角，但是易受环境中磁场的方向，所以本实施例中分别利用加速度计21、陀螺仪计22以及磁力计23，根据数据融合的思想以准确确定移动终端的前进方向。

对于步骤S102，对于T₀至T_k这个时间段内的每一时刻，都可以通过加速度计测量得到对应的加速度值。

S103：根据加速度值以及移动轨迹确定移动终端在该时间段内的状态。

在步骤S103中，可以确定移动终端在该时间段内是处于静止状态还是非静止状态，是处于匀速运动状态还是变速运动状态，具体的：

当MEMS测量模块测量得到的移动终端在该时间段内的加速度值都小于等于预设加速度阈值，且步骤S101中的移动轨迹覆盖的范围在预设目标区域范围内时确定移动终端在该时间段内处于静止状态。

本实施例中的预设目标区域范围可以是半径为r的圆所覆盖的范围，若|h₁-h₀|＜r，|h₂-h₁|＜r，|h_i-h_i-1|＜r，|h_k-h_k-1|＜r，其中1≤i≤k，则确定移动终端在该时间段内处于静止状态，此时可以调整移动终端当前所处位置的坐标点(x_k,y_k)等于T₀时刻的坐标(x₀,y₀)。

本实施例中的预设加速度阈值可以为1g，当然，也可以是开发人员设置的其他值。

当MEMS测量模块测量得到的移动终端在该时间段内的加速度值都小于等于预设加速度阈值，且移动轨迹覆盖的范围大于预设目标区域范围内时确定该移动终端在该时间段内处于匀速运动状态，比如h₀、h₁、h₂······h_k之间的差值波动范围较大时，比如存在|h_i-h_i-1|＞r时，则确定移动终端在该时间段内处于匀速运动状态。

当移动终端处于静止或者匀速运动状态时，加速度的值并不归零，而是在零点处附近震荡，由牛顿第二定律可得，物体在较小时间范围内Δt内，加速度近似为定值，由s＝a²t可得位移也会有较大的漂移，所以为了减少漂移，当确定移动终端在该时间段内处于匀速运动状态时，可以将移动终端在T₀时刻时对应的加速度值作为移动终端当前时刻对应的加速度值。

当移动终端在该时间段内的加速度值大于预设加速度阈值时，确定移动终端在该时间段内处于变速运动状态。

需要说明的是，在移动终端启动时，可以对移动终端中的加速度计进行校正，具体的，可以将待校准的轴沿水平方向静止放置，测得加速度计在0g时的输出值，并将该值乘以-1写入寄存器。此时加速度计输出的就是校正后的加速度值。

S104：基于确定出的状态对UWB定位模块确定出的移动终端的移动轨迹进行修正得到移动终端在当前时刻下的真实位置。

对于步骤S104，可以包括以下情形中的任意一种：

(一)、在确定移动终端在该时间段内处于静止状态时，将移动终端在T₀时刻时对应的位置坐标作为移动终端当前时刻对应的位置坐标；

(二)、在确定移动终端在该时间段内处于非静止状态时，利用MEMS测量模块获取的移动终端在该时间段内的真实航向角对移动终端在当前时刻下的位置进行修正得到移动终端在当前时刻下的真实位置，具体而言，可以包括图3所示的子步骤：

S31：基于磁力计的数据计算所述移动终端当前的待调整航向角。

磁力计获取得到的数据包括地磁场沿x轴的分量m_x和地磁场沿y轴的分量m_y，由此可以计算得到磁航向角：

由

为正北与磁北的夹角，则得到移动终端的待调整航向角为

在行人运动中，航向在不断的变化中，需要不断地对系统进行航向的修正，可以通过以下方式对待调整航向角进行修正：

m'_x＝m_x cosθ+m_ysinγ-m_zcosγsinθ；

m'_y＝m_ycosγ+m_zsinγ；

这里的θ表示的是在地磁场X轴方向上的偏角，这里的γ表示的是在地磁场y轴方向上的偏角。

S32：根据预设滤波算法、所待调整航向角和陀螺仪计当前测量得到的角度值计算移动终端在该时间段内的真实航向角。

S33：基于真实航向角对移动轨迹进行修正得到移动终端在当前时刻下的真实位置。

在一种实施例中，对于步骤S32，则可以包括如下子步骤：

建立第一卡尔曼滤波模型；

将待调整航向角和陀螺仪计测量得到的角度值作为该第一卡尔曼滤波模型的输入参数；

将经过第一卡尔曼滤波模型滤波后的航向角作为移动终端的真实航向角。

这里建立的第一卡尔曼滤波模型可以如下所示：

其中，

为陀螺仪计测量得到的角度值，

为控制量，随机信号w_k-1和v_k分别表示过程激励噪声和观测噪声。假设两者相互独立，正态分布的噪声：p(w)～N(0，Q)，P(V)～N(0，R)，其中Q为过程激励噪声协方差矩阵，R为观测噪声协方差矩阵。

上述公式中的A表示的是状态转移矩阵或者过程增益矩阵，是n×n阶方阵，它将k-1时刻状态和当前的k时刻状态联系起来。B是可选的控制输入的增益，在大多数实际情况下并没有控制增益，所以这一项一般为零。

在另外一种实施例中，对于步骤S32，则可以包括如下子步骤：

建立第一卡尔曼滤波模型。

这里建立的第一卡尔曼滤波模型与上面提及的第一卡尔曼滤波模型可以相同，这里不再赘述。

将待调整航向角和陀螺仪计测量得到的角度值作为第一卡尔曼滤波模型的输入参数。

根据UWB数据计算UWB定位模块的航向角。

本实施例中可以根据UWB定位模块采集的连续的UWB数据计算出UWB定位模块的航向角，具体的，UWB定位模块采集的第k时刻的坐标为(x_k，y_k),则可以通过以下公式计算UWB定位模块的航向角：

则UWB定位模块的航向角为

建立第二卡尔曼滤波模型。

这里建立的第二卡尔曼滤波模型可以如下所示：

z_k＝Hφ_k+v_k。

将经过第一卡尔曼滤波模型滤波后的航向角和UWB定位模块的航向角作为第二卡尔曼滤波模型的输入参数。

将经过第二卡尔曼滤波模型滤波后的航向角作为移动终端的真实航向角。

最后需要说明的是，本实施例中的移动终端可以是可穿戴式移动终端，用户在使用该移动终端进行定位时，可以将该移动终端佩戴于人体行走摆动较小的部位，比如头顶或者颈脖处，由于人体在运动过程中，头部的运动规律几乎与行走规律相似，所以通过MEMS测量模块可以完成辅助定位，修正移动轨迹，得到更加准确的移动路线。

为便于理解，这里以一个示例进行具体说明，请参见图4所示，包括：

S401：获取目标时间段内连续的UWB数据，并通过加速度计获取该目标时间段内的加速度值。

S402：根据该UWB数据以及加速度值判断移动终端是否处于静止状态，如是，转至S403，否则，转至S404。

S403：修正移动终端当前的位置坐标。

S404：获取陀螺仪采集的角度值以及磁力计采集的磁场值。

S405：利用卡尔曼滤波将角度值与磁场值进行融合得到真实的航向角。

S406：利用真实的航向角修正移动终端当前的航向角。

本实施例提供的基于MEMS和UWB的室内定位方法通过获取连续的UWB数据从而得到移动终端的移动轨迹，然后利用移动终端上的MEMS测量模块测量得到的加速度值的振荡规律确定移动终端的运动状态。然后基于确定得到的运动状态对移动终端的移动轨迹进行修正得到移动终端当前的真实位置，从而可以获得移动终端室内环境中的正确移动轨迹，通过本发明提供的方法，可以减少移动终端的抖动，并能显著提高室内移动终端的定位以及移动轨迹的准确度。

要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种基于MEMS和UWB的室内定位方法，其特征在于，应用于移动终端，所述移动终端包括MEMS测量模块和UWB定位模块，所述方法包括：

所述UWB定位模块获取所述移动终端在历史时刻T₀至当前时刻T_k之间的UWB数据，并根据所述UWB数据确定所述移动终端在该时间段内的移动轨迹；

所述MEMS测量模块获取所述移动终端在该时间段内的加速度值；

根据所述加速度值以及所述移动轨迹确定所述移动终端在该时间段内的状态；

基于所述状态对所述UWB定位模块确定出的所述移动终端的移动轨迹进行修正得到所述移动终端在当前时刻下的真实位置，包括：

在确定所述移动终端在该时间段内处于静止状态时，将所述移动终端在T₀时刻时对应的位置坐标作为所述移动终端当前时刻对应的位置坐标；

或，

在确定所述移动终端在该时间段内处于非静止状态时，利用所述MEMS测量模块获取的所述移动终端在该时间段内的真实航向角对所述移动终端在当前时刻下的位置进行修正得到所述移动终端在当前时刻下的真实位置；

所述MEMS测量模块包括陀螺仪计、加速度计以及磁力计，所述移动终端通过所述加速度计获取所述移动终端的加速度值，所述利用所述MEMS测量模块获取的所述移动终端在该时间段内的真实航向角对所述移动终端在当前时刻下的位置进行修正得到所述移动终端在当前时刻下的真实位置包括：

基于所述磁力计的数据计算所述移动终端当前的待调整航向角；

根据预设滤波算法、所述待调整航向角和所述陀螺仪计当前测量得到的角度值计算所述移动终端在该时间段内的真实航向角；

基于所述真实航向角对所述移动轨迹进行修正得到所述移动终端在当前时刻下的真实位置；

所述根据预设滤波算法、所述待调整航向角和所述陀螺仪计当前测量得到的角度值计算所述移动终端在该时间段内的真实航向角包括：

建立第一卡尔曼滤波模型；

将所述待调整航向角和所述角度值作为所述第一卡尔曼滤波模型的输入参数；

根据所述UWB数据计算所述UWB定位模块的航向角；

建立第二卡尔曼滤波模型；

将经过所述第一卡尔曼滤波模型滤波后的航向角和所述UWB定位模块的航向角作为所述第二卡尔曼滤波模型的输入参数；

将经过所述第二卡尔曼滤波模型滤波后的航向角作为所述移动终端的真实航向角；

所述确定所述移动终端在该时间段内处于静止状态包括：

当所述移动终端在该时间段内的加速度值小于等于预设加速度阈值，且所述移动轨迹覆盖的范围在预设目标区域范围内时确定所述移动终端在该时间段内处于静止状态；

所述确定所述移动终端在该时间段内处于非静止状态包括：

当所述移动终端在该时间段内的加速度值小于等于预设加速度阈值，且所述移动轨迹覆盖的范围大于预设目标区域范围内时确定所述移动终端在该时间段内处于匀速运动状态；

或，

当所述移动终端在该时间段内的加速度值大于预设加速度阈值时，确定所述移动终端在该时间段内处于变速运动状态。

2.如权利要求1所述的基于MEMS和UWB的室内定位方法，其特征在于，所述方法还包括：

当确定所述移动终端在该时间段内处于匀速运动状态时，将所述移动终端在T₀时刻时对应的加速度值作为所述移动终端当前时刻对应的加速度值。

3.如权利要求1所述的基于MEMS和UWB的室内定位方法，其特征在于，所述基于所述磁力计的数据计算所述移动终端当前的待调整航向角包括：

根据所述磁力计的测量结果获取地磁场沿x轴的分量m_x和地磁场沿y轴的分量m_y；

根据公式

计算当前的磁航向角；

将所述磁航向角以及正北方向与磁北方向的夹角之和作为所述待调整航向角。

4.如权利要求1所述的基于MEMS和UWB的室内定位方法，其特征在于，所述根据预设滤波算法、所述待调整航向角和所述陀螺仪计当前测量得到的角度值计算所述移动终端在该时间段内的真实航向角包括：

建立第一卡尔曼滤波模型；

将所述待调整航向角和所述角度值作为所述第一卡尔曼滤波模型的输入参数；

将经过所述第一卡尔曼滤波模型滤波后的航向角作为所述移动终端的真实航向角。

5.如权利要求1-4任一项所述的基于MEMS和UWB的室内定位方法，其特征在于，所述移动终端为可穿戴式移动终端。

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