CN110631591A - 一种基于室内地图与虚拟路标辅助的行人室内导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于室内地图与虚拟路标辅助的行人室内导航方法，所述导航方法引入了虚拟路标的概念，虚拟路标可以在不增加任何硬件的情况下实现室内行人位置的准确修正；另外，不再利用传统的PF架构进行行人信息与地图信息的融合，而是通过“行人航迹的可行性分析+霍夫变换+基于地图拓扑关系的加权投影”的方式，将不可行的行人航迹转换至可行区域，从而达到修正导航误差的目的。本发明在保证导航精度的同时，有效降低了算法的计算量。

Description

一种基于室内地图与虚拟路标辅助的行人室内导航方法

技术领域

本发明涉及行人室内导航定位领域，具体涉及一种基于室内地图与虚拟路标辅助的行人室内导航方法。

背景技术

随着城市化进程的发展，室内定位与导航潜藏着巨大的社会功能和经济效益，鉴于GNSS导航在室内环境中的弱点，需要针对室内定位与导航提出新的解决方案。民用上，室内物体和个人的定位与导航，尤其对于警察、消防员、医生等这类涉及人身安全与生命的工作人员而言，在各种危机事件应急反应与处理中具有十分重要的作用。军事上可以开发一种可以供士兵穿戴的定位系统，用于建立城区的地面作战训练系统。商业领域中，目前已有用于大型商场的室内导购系统，相信未来会应用于更多领域。同样，室内定位技术也能应用在医院、养老院等服务型行业当中，为用户提供更优质的服务，也可以应用在监狱，实现对重要人员的监控定位。

随着无线网络技术的发展，基于WiFi、超宽带(UWB，Ultra Wide Band)、蓝牙等无线网络定位技术迅速在室内环境中普及应用。但是，行人活动和周边环境容易对室内环境造成影响，而且室内环境具有复杂性，基于无线网络的室内定位技术目前还不能保证在所有的场景中都有稳定可靠的定位效果，并且无线网络定位方式需要提前在室内部署，不适用于应急场所。同时，这类方案需要相应的采集工具软件以及测量设备完成对室内电磁信息的采集。这种方案成本较高，同时操作流程较为复杂。因此需要其它定位系统，能在短时间内提供准确的位置信息，不需要预先布设基站且不受外界干扰，而基于微机电(MicroElectro Mechanical System，MEMS)传感器(MEMS陀螺仪，MEMS加速度计)的室内行人导航技术具备这些特性，但是基于MEMS传感器的室内行人导航技术长时间定位效果差，误差会逐渐累积。该技术方案长时间精度较差的原因在于受制造工艺的限制，低成本的MEMS传感器存在精度不高、随机误差大等缺点。因此国内外许多研究者研究的侧重点在于如何充分挖掘室内环境中的潜在信息以提高基于MEMS传感器的室内行人导航技术的导航精度。

室内地图信息是一种性价比极高的室内辅助信息，室内地图信息已经作为一种辅助信息源而被广泛应用于室内导航定位方案中。目前主流的方案为利用粒子滤波(Particle filter，PF)的方式实现室内地图对于行人导航信息的修正，其核心思想为将经过不可通行区域的粒子的权重设置为0，抑制不可行粒子，但是该方法相对复杂，且粒子数目与导航精度正相关，在较小的粒子数目下难以取得良好的导航定位精度，甚至有可能收敛至错误的导航定位结果，而较大的粒子数目则会导致计算量、计算时间显著增加。此外，PF方案的另一个主要的问题是粒子在行人转弯时发散，发散后需要较长的时间才可以再次收敛，某些情况下甚至无法收敛至真实位置，严重降低了长时间下的行人导航定位精度。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种基于室内地图与虚拟路标辅助的行人室内导航方法，通过引入室内地图与虚拟路标信息的方式在线实现导航位姿修正以提高基于MEMS传感器的室内行人导航技术的导航精度，在保证导航精度的同时，有效降低了算法的计算量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于室内地图与虚拟路标辅助的行人室内导航方法，包括以下方法：

步骤1：根据MEMS陀螺仪和MEMS加速度计进行行人步态推算，得到一段时长下的行人航迹信息，首先判断该航迹是否包含某虚拟路标点的导航特征，如果包含，则利用对应的虚拟路标点对航迹进行修正，同时将修正标识位设置为0；

步骤2：查询修正标识位是否为1，如果为1，则直接执行步骤3；如果为0，则对该段行人航迹信息进行可行性检测，如果检测结果为航迹不可行则将修正标识位设置为1，然后执行步骤3；如果检测结果为航迹可行则结束本轮运算，等待下一段行人航迹，即返回步骤1；

步骤3：对行人航迹信息进行霍夫变换，判断其该航迹是否规则可修正，如果是，则执行步骤4，如果否，则结束本轮运算，等待下一段行人航迹，即返回步骤1；

步骤4：对行人航迹信息进行基于地图拓扑关系的加权投影，将当前不可行的行人航迹投影至可行区域/路段上，完成对当前航迹的修正，同时将修正标识位设置为0，结束本轮运算，等待下一段行人航迹，即返回步骤1。

进一步的，步骤1中所述虚拟路标点具有全地图范围内唯一的导航特征，在检测到该导航特征出现时，可以立刻将行人位置确定至该虚拟路标点。

进一步的，步骤1中所述导航特征的判断时，需要对行人是否沿直线行走进行判断，该判断利用行人航迹信息结合霍夫变换进行。

进一步的，步骤2中所述可行性检测的依据为：如果行人航迹穿过/经过不可通行区域，则认为当前航迹为不可行航迹，否则为可行航迹。

进一步的，步骤4中所述当前航迹的修正包括以下两部分：

首先，基于地图拓扑关系筛选出行人行走的可行道路/区域共n条，n≥1；

然后，分别计算行人航迹与上述n条可行道路/区域之间的相关程度。

进一步的，所述行人航迹与可行道路/区域之间相关程度的计算方法为：

定义可行道路/区域a的方向与行人当前航向的夹角为θ_a(0°≤θ_a≤180°)，行人当前位置至可行道路/区域a的投影距离为r_a，则可行道路/区域a与行人的匹配程度ρ_a为：

ρ_a＝ω_rr_a+ω_θθ_a

其中，ω_r和ω_θ分别为距离和方向夹角的权值。

本发明的原理包含两部分，分别是：1.虚拟路标修正行人位置原理：虚拟路标点指的是在全地图范围内具有唯一导航特征的位置点，利用该位置点的导航特征具有唯一性的特点，可以进行准确位置修正(当检测到该唯一的导航特征出现时，行人必然处在该虚拟路标点处)；2.地图在线修正行人航迹原理：通过在线判别行人当前航迹的可行性(是否经过/穿过地图上的不可通信区域)来判断是否需要对当前航迹进行修正，如果需要修正时，为了确保修正的成功性与准确性，引入了霍夫变换进行行人航迹规则性检测，当行人航迹相对较为规则时进行航迹修正，避免出现误修正情况。在此基础上，行人航迹的修正模式采用了基于地图拓扑关系的加权投影的方式，通过计算当前行人航迹与地图内各路段/区域的匹配程度，将其中匹配程度最高的路段/区域作为行人的正确航迹/路段，按照正确航迹对当前行人的航迹进行准确修正。

本发明相比现有技术的有益效果为：

(1)本发明不再采用传统的PF架构，而是通过“行人航迹的可行性分析+霍夫变换+基于地图拓扑关系的加权投影”实现行人导航信息与地图信息的有效融合，与传统PF架构方案相比，该方案在保证导航精度的同时，有效降低了算法的计算量。此外，该方法还有效解决了传统PF架构下行人转弯时粒子发散的问题，保证了转弯时的行人导航精度；

(2)本发明引入虚拟路标的概念，虚拟路标在本专利中的解释为：该路标具有全地图范围内唯一的导航特征，当检测到该唯一导航特征出现时，可以立刻将行人位置确定至该虚拟路标位置处。虚拟路标可以在充分挖掘室内地图信息的基础上准确获得，其本质上是对地图信息的二次挖掘，利用室内地图的连通性、不可跨越性等性质，界定出一批在地图上具有唯一导航特征的位置点。而当行人在行走时检测到该唯一的导航特征出现时，则可以认为当前行人必然处在对应的虚拟路标处，从而实现行人位置的修正。虚拟路标通过充分挖掘室内地图的有价值信息，在不增加任何硬件的情况下实现室内行人位置的准确修正，可以有效的提升行人导航定位精度，抑制长时间下行人导航误差的发散；

(3)本发明所设计的室内地图信息与行人导航信息的融合方案，不再依赖于PF架构，而是“行人航迹的可行性分析+霍夫变换+基于地图拓扑关系的加权投影”的组合模式，其中，行人的航迹的可行性分析主要是判别行人的当前航迹是否合理，是否与地图相匹配；霍夫变换的应用主要是对行人的航迹的规则性进行判断，避免出现在行人航迹不规则的情况下进行航迹修正可能导致的误匹配问题；基于地图拓扑关系的加权投影则是对行人不可行航迹的一种修正方法，通过计算当前行人航迹与地图内各路段/区域的匹配程度，将其中匹配程度最高的路段/区域作为行人的正确航迹/路段，按照正确航迹对当前行人的航迹进行准确修正。这种架构可以在保证导航精度的前提下有效缩减算法的计算量，同时避免出现传统PF架构在转弯时发散的问题。

附图说明

图1为本发明所述的基于室内地图与虚拟路标辅助的行人室内导航方法的流程框图；

图2为包含虚拟路标点的室内地图；

图3为利用霍夫变换进行直线检测的运行实例结果图；

图4为基于虚拟路标点检测的行人航迹修正方案流程图；

图5为行人可行航迹与不可行航迹示意图；

图6为待修正(不可行)行人航迹示意图；

图7为基于地图拓扑关系的加权投影方法所取得的航迹修正结果示意图；

图8为基于地图拓扑关系的加权投影方法运行实例结果图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示的算法整体流程框图，本实施例提供了一种基于室内地图与虚拟路标辅助的行人室内导航方法，包括以下方法：

步骤1：根据MEMS陀螺仪和MEMS加速度计进行行人步态推算(Pedestrian DeadReckoning，PDR)，得到一段时长下的行人航迹信息，首先判断该航迹是否包含某虚拟路标点的导航特征，如果包含，则利用对应的虚拟路标点对航迹进行修正，同时将修正标识位设置为0。

值得说明的是，本发明中所涉及的PDR算法，并不在本发明的范畴中，本发明中只是利用PDR算法所提供的结果并对PDR的结果进行修正，以实现提高PDR算法精度的目的，PDR算法相当于为本发明的具体实施提供原始数据。PDR的核心功能是将MEMS陀螺仪和MEMS加速度计转换为行人的航向信息与行人的步长信息，此处不再对PDR算法进行详细说明。

在获取行人一段时长下的航迹信息的基础上，首先检测该段航迹中的行人行走特征是否与地图中某虚拟路标点的导航特征相一致，如果一致，则利用该虚拟路标点对航迹进行修正。对虚拟路标点的选取与修正方式以图2所示的室内地图为例进行介绍。从图2中可以看出，如果行人继续按照图中所示箭头沿着道路a行走的话，那么就必须按照图中所示左侧方向进行转向至道路b或者掉头沿着道路a反向行走，否则将无法继续行走。也就是说，道路a与道路b交汇点处的行走模式具有较强的特征性，行人只能做出两种选择：转向90度至道路b继续行走，或者转向180度沿道路a反向行走，而在这两种选择中，由于道路约束的存在，只有转向90度至道路b继续行走这一行走选择是在道路a与道路b交汇点处才能完成的，综合上述分析，可以得出如下结论：如果行人位于道路a上，并沿着道路a向下直线行走，然后转向90度，继续沿直线行走一段时间，那么行人转向90度的位置，一定是道路a与道路b交汇点。即如果出现上述的导航特征，那么在行人转向90度的时刻，行人的位置一定处于道路a与道路b交汇点处，也就是说，道路a与道路b交汇点为一个虚拟路标点，该虚拟路标点的唯一导航特征为：行人首先位于道路a上，并沿着道路a向下直线行走，然后转向90度，继续沿直线行走一段时间。如果行人的行走方式符合上述导航特征，则认为在行人转向90度的时刻，行人的位置应处于道路a与道路b交汇点的虚拟路标处，此时可以利用该虚拟路标点的位置信息对行人航迹信息进行修正，同时将修正标识位设置为0(认为行人航迹不再需要修正)。

其中，在该处导航特征的判断中，需要对行人是否沿直线行走进行判断，考虑到行人行走具有一定的任意性，例如：虽然有时行人转弯了(陀螺仪敏感到了角度变化信息)，但是行人并没有行走，只是原地转圈。因此仅利用陀螺仪的信息去判断行人行走是否为直线不再可靠。此处利用行人的航迹信息结合霍夫变换进行行人直线行走检测。霍夫变换是一种特征检测方法，被广泛应用在图像分析、电脑视觉以及数位影像处理。霍夫变换是用来辨别找出物件中的特征，例如：线条。其具体算法流程此处不再详细描述。霍夫变换的主要功能是从图像中检测直线。而在本发明中，则利用霍夫变换可以检测直线的性质，即：对于输入的一组二维位置变量(行人的航迹信息)，霍夫变换可以识别该组数据是不是为直线。霍夫变换检测直线的运行实例结果图如图3所示。图3中，黑色圆点为行人每一步的航迹位置，从图中可以看到，左侧的行走航迹1中的行人行走轨迹被霍夫变换识别为直线(黑色的线段)，而右侧的行走航迹2中的行人行走轨迹则未被霍夫变换识别为直线，霍夫变换识别结果与行人航迹相吻合。

综合上述分析，可得到基于虚拟路标点检测的行人航迹修正方案，方案流程图如图4所示。

步骤2：查询修正标识位是否为1，如果为1，则直接执行步骤3；如果为0，则对该段行人航迹信息进行可行性检测，如果检测结果为航迹不可行则将修正标识位设置为1，然后执行步骤3；如果检测结果为航迹可行则结束本轮运算，等待下一段行人航迹(返回步骤1)。

本步骤中，首先查询行人航迹是否需要修正(通过查询修正标识位来实现)，如果需要修正，则直接执行步骤3；如果不需要修正，则对当前行人航迹的可行性进行检测，检测依据为：如果行人航迹穿过/经过不可通行区域，则认为当前航迹为不可行航迹，否则为可行航迹。可行航迹与不可行航迹示意图如图5所示。如果检测结果为不可行航迹，则将修正标识位设置为1(表明行人航迹需要修正)，然后执行步骤3；如果检测结果为可行航迹，则表明当前航迹正确(航迹信息与地图信息无冲突)，无需进一步的操作，则可结束本轮运算，等待下一段行人航迹(返回步骤1)。

步骤3：对行人航迹信息进行霍夫变换，判断该航迹是否规则可修正(可以近似为直线)，如果是，则执行步骤4，如果否，则结束本轮运算，等待下一段行人航迹(返回步骤1)。

步骤3中主要对行人进行航迹直线检测(规则性检测)。此时，行人的航迹已经为错误航迹(修正标识位为1)，需要对行人航迹进行修正，但为了保证修正的准确性与成功率，需要行人的航迹相对较为规则时再进行航迹修正。此处采用的规则性检测方式为检测行人航迹是否为直线，采用的方法为利用霍夫变换检测行人航迹是否为直线，霍夫变换的介绍同步骤1，此处不再详细说明。如果当前检测结果为行人航迹并不规则(不为直线)时，并不进行航迹修正，而是维持修正标识位为1，同时结束本轮运算，等待满足要求的行人航迹出现时再进行行人航迹修正(返回步骤1)；如果当前检测结果为行人航迹规则(为直线)时，则进一步执行步骤4。

步骤4：对行人航迹信息进行基于地图拓扑关系的加权投影，将当前需要修正的行人航迹投影至可行区域/路段上，完成对当前航迹的修正，同时将修正标识位设置为0。结束本轮运算，等待下一段行人航迹(返回步骤1)。

此时行人的航迹状态为需要修正(修正标识位为1)，而且此时航迹较为规则(通过了航迹规则性检验)，则利用基于地图拓扑关系的加权投影的方式，对当前行人航迹进行修正。具体操作方法如下，为了方便介绍，假设行人的待修正航迹与室内地图如图6所示。

该修正算法包含以下两部分：1.基于地图拓扑关系的道路/区域筛选；2.加权投影修正算法。首先介绍第一部分：

考虑如图6所示的室内地图。行人当前处于道路a，那么考虑到行人行走速度有限，在下一段时间内，行人只可能出现在道路a，b或者c上，不可能出现在其余道路上，这种道路拓扑结构可以由如下道路拓扑矩阵表达：

矩阵G中，G(1,2)＝1代表道路a和道路b直接相连，G(1,4)＝0代表道路a与道路d之间无法直接到达，利用上述道路拓扑关系，我们可以对行人航迹的修正范围进行筛选，如图6所示，此时行人已经进入不可行区域，需要进行修正，且行人行走路线较为规则，就可以修正，而由道路拓扑关系可知，行人行走的可行区域只能为道路a，道路b和道路c，其余道路由于道路拓扑的限制而被排除了。

在道路拓扑筛选结果的基础上，进一步介绍加权投影算法：

针对于图6所示的行人航迹情况，经过上一步的分析，只可能将行人航迹投影至道路a，道路b或者道路c中的一条。下面分别计算行人航迹与道路a，b，c之间的相关程度，以道路a为例：

定义道路a的方向与行人当前航向(行人当前航向为行人航迹经过霍夫变换所得到的最佳拟合角度)的夹角为θ_a(0°≤θ_a≤180°)，行人当前位置至道路a的投影距离为r_a，则道路a与行人的匹配程度ρ_a为(ρ_a与匹配程度为负相关)：

ρ_a＝ω_rr_a+ω_θθ_a

其中，ω_r和ω_θ分别为距离和方向夹角的权值。

当依次计算完行人当前航迹与道路a，b，c之间的相关程度后，挑选其中最小的ρ_a所对应的道路，针对于图6所示的行人航迹情况，计算结果为道路a的匹配程度最高，则将行人当前航迹投影至道路a上，从而实现行人航迹修正。针对于图6所示的行人航迹情况，利用上述基于地图拓扑关系的加权投影方法所取得的航迹修正结果示意图如图7所示。基于地图拓扑关系的加权投影方法运行实例结果如图8所示。图中，黑色部分为墙壁(不可通行区域)；白色部分为可通行区域；圆圈点代表行人PDR航迹；方框代表经过投影修正的行人航迹；虚线箭头代表行人的真实航迹。圆圈所代表的行人航迹在导航过程中进入了不可通行区域(黑色部分)，而通过所述的基于室内地图的修正算法，则将错误的行人航迹以投影的方式修正至正确航迹位置(方框点代表该点处进行了投影修正)，通过该运行实例有效的说明了本发明算法可以对错误航迹进行准确的修正。

当完成行人航迹修正时，将修正标识位重置为0，代表行人航迹不需要修正，结束本轮运算，等待下一段行人航迹(返回步骤1)。

Claims (6)

1.一种基于室内地图与虚拟路标辅助的行人室内导航方法，其特征在于，所述导航方法包括以下方法：

步骤1：根据MEMS陀螺仪和MEMS加速度计进行行人步态推算，得到一段时长下的行人航迹信息，首先判断该航迹是否包含某虚拟路标点的导航特征，如果包含，则利用对应的虚拟路标点对航迹进行修正，同时将修正标识位设置为0；

步骤2：查询修正标识位是否为1，如果为1，则直接执行步骤3；如果为0，则对该段行人航迹信息进行可行性检测，如果检测结果为航迹不可行则将修正标识位设置为1，然后执行步骤3；如果检测结果为航迹可行则结束本轮运算，等待下一段行人航迹，即返回步骤1；

步骤3：对行人航迹信息进行霍夫变换，判断其该航迹是否规则可修正，如果是，则执行步骤4，如果否，则结束本轮运算，等待下一段行人航迹，即返回步骤1；

步骤4：对行人航迹信息进行基于地图拓扑关系的加权投影，将当前不可行的行人航迹投影至可行区域/路段上，完成对当前航迹的修正，同时将修正标识位设置为0，结束本轮运算，等待下一段行人航迹，即返回步骤1。

2.根据权利要求1所述的导航方法，其特征在于，步骤1中所述虚拟路标点具有全地图范围内唯一的导航特征，在检测到该导航特征出现时，可以立刻将行人位置确定至该虚拟路标点。

3.根据权利要求1或2所述的导航方法，其特征在于，步骤1中所述导航特征的判断时，需要对行人是否沿直线行走进行判断，该判断利用行人航迹信息结合霍夫变换进行。

4.根据权利要求1所述的导航方法，其特征在于，步骤2中所述可行性检测的依据为：如果行人航迹穿过/经过不可通行区域，则认为当前航迹为不可行航迹，否则为可行航迹。

5.根据权利要求1所述的导航方法，其特征在于，步骤4中所述当前航迹的修正包括以下两部分：

首先，基于地图拓扑关系筛选出行人行走的可行道路/区域共n条，n≥1；

然后，分别计算行人航迹与上述n条可行道路/区域之间的相关程度。

6.根据权利要求5所述的导航方法，其特征在于，所述行人航迹与可行道路/区域之间相关程度的计算方法为：

定义可行道路/区域a的方向与行人当前航向的夹角为θ_a(0°≤θ_a≤180°)，行人当前位置至可行道路/区域a的投影距离为r_a，则可行道路/区域a与行人的匹配程度ρ_a为：

ρ_a＝ω_rr_a+ω_θθ_a

其中，ω_r和ω_θ分别为距离和方向夹角的权值。

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