CN110691326B - 一种室内混合定位半物理仿真方法及平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内混合定位半物理仿真方法及平台，包括定位信号信息实测数据库、定位信号仿真模块及定位信号输出模块，其中，所述定位信号信息实测数据库存储栅格化真实定位信息；所述定位信号仿真模块用于在已有采集的信号信息基础上对输入仿真路径及自定义规则进行半物理仿真得到定位数据集；所述定位信号输出模块用于对存储的仿真数据整理固定格式后进行输出。本发明融合现有大多数室内定位技术，实现对真实采集数据存储融合、半实物仿真的能力，而且系统方便进行多种室内定位技术的实际验证、仿真测试。

Description

一种室内混合定位半物理仿真方法及平台

技术领域

本发明涉及一种室内混合定位半物理仿真方法及平台，属于室内导航定位技术及半物理仿真领域。

背景技术

定位技术是基于位置服务(Location Based Service,LBS)的关键技术之一。卫星信号由于遮挡等干扰是很难到达室内的，则基于卫星系统的定位与导航并不适用于室内定位。因此，这就需要其它定位解决方案应用于室内定位与导航。目前，常见的室内定位技术主要有基于基站的室内定位技术，基于射频信号的室内定位技术，基于计算机视觉的室内定位技术及基于惯性传感器的室内定位技术等。

目前室内定位信号仿真方式主要通过基于数学模型的数值分析方法，即采用计算机程序来求解数学模型的模拟数值，达到对室内定位信号模拟产生和定位仿真。但实际室内定位场景的环境复杂、干扰因素多变、定位技术数据类型众多、实际系统问题乃至信号感知解算问题未知，导致室内定位信号的数值模拟难以用数学模型描述。因此，采用传统的数学模型或计算机模拟难以达到室内定位信号的模拟，只有合理仿真室内定位信号更有利于对室内定位技术的前期方案设计、基础设施部署、算法方法改进验证和更真实测试评价等。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种室内混合定位半物理仿真方法及平台。利用已采集的室内环境下多个定位相关信号，并通过定位信号仿真模块按照定义的规则自适应生成符合路线仿真数据集，最后使用定位信号输出模块输出半物理仿真产生的数据集，从而实现对室内定位环境定位信号分布的半物理仿真建模，为后续室内定位系统方法提供平台支持，同时可根据实际情况采集并分析不同轨迹信息数据、环境干扰基础布置等因素的影响，为改进定位算法、模拟移动目标逃生提供依据。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种室内混合定位半物理仿真方法，具体步骤如下：

步骤1，通过移动终端在不同采集模式下遍历室内空间，采集室内空间不同实测位置点处的混合定位信号，建立定位信号实测数据库；所述采集模式包括不同运动路径和不同运动速度，所述混合定位信号包括WiFi信号、惯性信号、伪卫星信号、蓝牙信号和超宽带信号；

步骤2，根据仿真需求自定义仿真规则，在步骤1建立的定位信号实测数据库中搜索是否存在与仿真位置点重合且满足仿真规则的实测位置点，若存在，则取出实测位置点对应的满足仿真规则的定位信号数据放入仿真数据集；否则采用k近邻算法计算出该仿真位置点的定位信号数据放入仿真数据集，具体如下：

2.1，找出满足仿真规则的该仿真位置点的k个最近邻实测位置点；

2.2，计算该仿真位置点的到最近邻实测位置点之间的欧式距离：

其中，L(p_i)为该仿真位置点的到第i个最近邻实测位置点p_i之间的欧氏距离，i＝1,2,…,k，(x_i,y_i)为p_i的坐标，(x,y)为该仿真位置点的的坐标；

2.3，该仿真位置点的定位信号数据

其中，R_i为p_i对应的满足仿真规则的定位信号数据，LL_i＝μL(p_i)+γL(θ_i)，

θ_i＝{v_i,a_i}为对应p_i的仿真需求信息量，v_i、a_i分别为对应p_i的行走速度大小、加速度大小，θ＝{v,a}为该仿真位置点的仿真需求信息量，v、a分别为对应该仿真位置点的行走速度大小、加速度大小，μ为该仿真位置点的位置信息的权重，μ+γ＝1，LL_j＝μL(p_j)+γL(θ_j)，L(p_j)为该仿真位置点的到第j个最近邻实测位置点p_j之间的欧氏距离，

(x_j,y_j)为p_j的坐标，

θ_j＝{v_j,a_j}为对应p_j的仿真需求信息量，v_j、a_j分别为对应p_j的行走速度大小、加速度大小，j＝1,2,…,k；

步骤3，根据步骤2的仿真数据集，对定位算法进行仿真，以验证定位算法在不同仿真规则的精确度。

作为本发明的进一步技术方案，所述定位信号实测数据库中的数据以栅格化形式存储，每一行数据代表某一实测位置点所能采集到的时间信息、运动速度信息、蓝牙信号强度信息、惯导信息、WiFi信号强度信息、伪卫星伪距信息及超宽带测距信息。

作为本发明的进一步技术方案，所述仿真规则包括运动路径、运动速度以及仿真所需定位信号。

另一方面，本发明还提供一种室内混合定位半物理仿真平台，包括：定位信号实测数据库、定位信号仿真模块以及所述定位信号输出模块，其中：

所述定位信号信息实测数据库内存储根据如权利要求1中步骤1所述的方法采集到的定位信息；

所述定位信号仿真模块用于根据如权利要求中步骤2所述的方法进行半物理仿真得到仿真数据集；

所述定位信号输出模块用于输出仿真数据集以进行定位算法的仿真。

作为本发明的进一步技术方案，所述定位信息包括时间信息、运动速度信息、蓝牙信号强度信息、惯导信息、WiFi信号强度信息、伪卫星伪距信息及超宽带测距信息。

作为本发明的进一步技术方案，所述定位信号输出模块将仿真数据集按照固定格式整理后输出，其中，输出格式包括WiFi数据格式、惯性数据格式、伪卫星数据格式、蓝牙数据格式及超宽带数据格式；所述WiFi数据格式为文件第一列为时间信息，其余列为每个WiFi节点的信号强度值；所述惯性数据格式第一列为时间信息，其余列分别为九轴传感器输出的三轴的加速度计输出值、三轴的陀螺仪输出值及三轴的磁力计输出值；所述伪卫星数据格式包括第一列为时间信息，其余各列分别为卫星号、伪距、载波、多普勒值、载噪比；所述蓝牙数据格式包括第一列为时间信息，其余各列为各个蓝牙信号强度值；所述超宽带数据格式包括第一列为时间信息，其余各列为定位节点到各个定位锚点的距离值。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明利用采集的真实定位信号，并通过定位信号输出模块将采集到的数据按照一定格式进行输出，从而实现对室内定位环境定位信号分布的半物理仿真建模，为后续室内定位系统方法提供平台支持，同时可根据实际情况分析不同轨迹信息数据、环境干扰基础布置等因素的影响，为改进定位算法、模拟移动目标逃生提供依据。

附图说明

图1是本发明的一种室内定位系统的半物理仿真平台的示意图；

图2是本发明几种遍历路径示意图，其中，(a)是逆时针遍历示意图，(b)是顺时针遍历示意图，(c)是横向遍历示意图，(d)是纵向遍历示意图；

图3是本发明的半物理仿真流程示意图；

图4是本发明的定位信号输出模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，一种室内混合定位半物理仿真平台，包括定位信号实测数据库、定位信号仿真模块以及所述定位信号输出模块。

所述定位信号实测数据库存储栅格化定位信息，包括在定位环境中对应实测位置点所采集到的时间信息、运动速度信息、蓝牙信号强度信息、惯导信息、WiFi信号强度信息、伪卫星伪距信息及超宽带测距信息。这些信息存储在关系型数据库中，每一行数据代表某一实测位置点所能采集到的时间信息、运动速度信息、蓝牙信号强度信息、惯导信息、WiFi信号强度信息、伪卫星伪距信息及超宽带测距信息。其中，蓝牙信号强度信息[bt₁,bt₂,…,bt_m]表示m个蓝牙节点在给该测量点所形成的强度向量；惯导信息

分别表示九轴惯性传感器的加速度计、陀螺仪、磁传感器的输出；WiFi信息[RSSI₁,RSSI₂,…,RSSI_p]表示p个WiFi节点在给该测量点所形成的强度向量；伪卫星伪距信息[ρ₁,ρ₂,...,ρ_n]表示在测量点所测量的距n个伪卫星的伪距；超宽带测距信息[d₁,d₂,...,d_q]表示在测量点通过超宽带信号所测量的距q个超宽带节点的距离。

所述定位信号仿真模块用于在定位信号实测数据库的基础上对输入仿真路径及自定义规则进行半物理仿真得到仿真数据集。

所述定位信号输出模块如图4所示，用于对仿真数据集整理固定格式后进行输出，其中，输出格式包括WiFi数据格式、惯性数据格式、伪卫星数据格式、蓝牙数据格式及超宽带数据格式；所述WiFi数据格式为文件第一列为时间信息，其余列为每个WiFi节点的信号强度值；所述惯性数据格式第一列为时间信息，其余列分别为九轴传感器输出的三轴的加速度计输出值、三轴的陀螺仪输出值及三轴的磁力计输出值；所述伪卫星数据格式包括第一列为时间信息，其余各列分别为卫星号、伪距、载波、多普勒值、载噪比；所述蓝牙数据格式包括第一列为时间信息，其余各列为各个蓝牙信号强度值；所述超宽带数据格式包括第一列为时间信息，其余各列为定位节点到各个定位锚点的距离值。

本发明的一种室内混合定位半物理仿真方法，具体步骤如下：

步骤1，通过移动终端在不同采集模式下以不同遍历路径遍历室内空间，图2显示了几种遍历路径，采集室内空间不同实测位置点处的混合定位信号，建立定位信号实测数据库；所述采集模式包括不同运动路径和不同运动速度，所述混合定位信号包括WiFi信号、惯性信号、伪卫星信号、蓝牙信号和超宽带信号；

步骤2，根据仿真需求自定义仿真规则，在步骤1建立的定位信号实测数据库中搜索是否存在与仿真位置点重合且满足仿真规则的实测位置点，若存在，则取出实测位置点对应的满足仿真规则的定位信号数据放入仿真数据集；否则采用k近邻算法找出满足仿真规则的k个最相似实测位置点，取出对应的满足仿真规则的定位信号数据做平均后作为该仿真位置点的定位信号数据放入仿真数据集；

步骤3，根据步骤2的仿真数据集，对定位算法进行仿真，以验证定位算法在不同仿真规则的精确度。

定位信号实测数据通过以下方式建立：

步骤S1：室内多源定位信号设置生成：建立室内定位系统基础设施，部署WiFi定位节点，蓝牙定位节点，超宽带定位节点及伪卫星定位节点；打开及设置多源定位信号硬件装置，设置信号格式与参数，产生所需的多源室内定位信号。例如信号生成模块对每个定位信号按照设定的采样频率进行采集工作，按一定频率，如WiFi采集频率设为5Hz，惯性模块采集频率设为50Hz，伪卫星模块采集频率设为2Hz，蓝牙模块采集频率设为2Hz，超宽带定位频率设为10Hz。

步骤S2：室内混合定位信号感知采集：规划移动终端采集模式，如运动路线、运动速度，使其在室内环境下按照所需模式遍历室内空间，采集终端能采集到室内所有位置点的混合定位信号。如图2所示，显示了几种遍历采集路径，但不包含所有路径。

步骤S3：室内定位信号存储关联：由遍历路径与遍历时间可得到每一时刻采集终端所在的真实位置，从而可将定位信号数据与所采集时的真实位置相关联，并存入定位信号信息实测数据库中。

在实测数据基础上进行半物理仿真输出所需仿真数据集，如图3所示，包括如下步骤：

步骤E1：输入仿真需求，包括行走路径、行走速度、运动模式、行走加速度、定位方式规则要求；

步骤E2：半物理仿真可根据自定义规则要求自适应的生成仿真数据集：分割仿真所需行走路径得出路径上的各个仿真位置点，根据步骤1中的自定义规则如所需运动速度、运动模式等，若在实测数据库中检索是否存在与仿真位置点重合且满足仿真规则的实测位置点，若存在则使用实测数据库中实测位置点对应的实测定位信息；若在实测数据库中检索不到，则使用k近邻算法(k-Nearest Neighbor,k-NN)在最接近该要求的k(k＝3～5)个数据中生成该仿真位置点的定位信号数据。从而仿真出所需数据集，由于是在真实数据条件下仿真得到，达到半物理仿真效果。

上述技术方案中，步骤E2中使用k-NN生成要求数据具体步骤如下：

1)自定义距离函数：

LL＝μL(p)+γL(θ)

其中，μ+γ＝1，μ为所需仿真位置点的位置信息的权重，取值范围为0～1；γ为其它输入仿真需求的权重，取值范围为0～1。

其中，L(p_i)为该仿真位置点的到第i个最近邻实测位置点p_i之间的欧氏距离，i＝1,2,…,k，(x_i,y_i)为p_i的坐标，(x,y)为该仿真位置点的坐标。

其中，θ_i＝{v_i,a_i}为对应p_i的仿真需求信息量，v_i、a_i分别为对应p_i的行走速度大小、加速度大小，θ＝{v,a}为该仿真位置点的仿真需求信息量，v、a分别为对应该仿真位置点的行走速度大小、加速度大小。

2)该仿真位置点的定位信号数据：

其中，R_i为p_i对应的满足仿真规则的定位信号数据，LL_i＝μL(p_i)+γL(θ_i)，LL_j＝μL(p_j)+γL(θ_j)。

仿真定位信号信息数据格式分别为：WiFi数据格式为文件第一列为时间信息，其余列为每个WiFi节点的信号强度值；惯性数据格式第一列为时间信息，其余列分别为九轴传感器输出的三轴的加速度计输出值、三轴的陀螺仪输出值及三轴的磁力计输出值；伪卫星数据格式包括第一列为时间信息，其余各列分别为卫星号、伪距、载波、多普勒值、载噪比；蓝牙数据格式包括第一列为时间信息，其余各列为各个蓝牙信号强度值；所述超宽带数据格式包括第一列为时间信息，其余各列为定位节点到各个定位锚点的距离值。

下面进行举例说明：

输入仿真所需路径L，行走速度为v，定位方式为蓝牙定位，则针对路径L上的各仿真位置点在实测数据库中搜索，若实测数据库中存在与该点重合且在该点的运动速度满足所定义的v的实测位置点，则取出该实测位置点对应的蓝牙信息作为该点的仿真结果；若实测数据库中不存在与该点重合或不满足所自定义的要求如速度要求，则在给定的门限距离ε内，找出速度门限在u(u＝-0.1～0.1；即速度为v±u)内的所有最近邻点，通过这些满足要求的最近邻点对应的蓝牙信息得到该仿真位置点的仿真结果。最后输出整个半物理仿真路径上的蓝牙定位信息。

同理，可通过该半物理仿真方法生成其它定位信号信息，如惯导信息、WiFi信息、伪卫星信息、超宽带定位信息或这些定位信息的相互组合。

为验证定位目标运动的不同速度对定位算法的影响，可通过本发明的半物理仿真生成同一条路径但目标以不同速度运动的定位信息数据集，通过该数据集可验证定位算法对移动速度的适应程度。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种室内混合定位半物理仿真方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，通过移动终端在不同采集模式下遍历室内空间，采集室内空间不同实测位置点处的混合定位信号，建立定位信号实测数据库；所述采集模式包括不同运动路径和不同运动速度，所述混合定位信号包括WiFi信号、惯性信号、伪卫星信号、蓝牙信号和超宽带信号；

步骤2，根据仿真需求自定义仿真规则，在步骤1建立的定位信号实测数据库中搜索是否存在与仿真位置点重合且满足仿真规则的实测位置点，若存在，则取出实测位置点对应的满足仿真规则的定位信号数据放入仿真数据集；否则采用k近邻算法计算出该仿真位置点的定位信号数据放入仿真数据集，具体如下：

2.1，找出满足仿真规则的该仿真位置点的k个最近邻实测位置点；

2.2，计算该仿真位置点的到最近邻实测位置点之间的欧式距离：

其中，L(p_i)为该仿真位置点的到第i个最近邻实测位置点p_i之间的欧氏距离，i＝1,2,…,k，(x_i,y_i)为p_i的坐标，(x,y)为该仿真位置点的的坐标；

2.3，该仿真位置点的定位信号数据

其中，R_i为p_i对应的满足仿真规则的定位信号数据，LL_i＝μL(p_i)+γL(θ_i)，

θ_i＝{v_i,a_i}为对应p_i的仿真需求信息量，v_i、a_i分别为对应p_i的行走速度大小、加速度大小，θ＝{v,a}为该仿真位置点的仿真需求信息量，v、a分别为对应该仿真位置点的行走速度大小、加速度大小，μ为该仿真位置点的位置信息的权重，γ＝1-μ，LL_j＝μL(p_j)+γL(θ_j)，L(p_j)为该仿真位置点的到第j个最近邻实测位置点p_j之间的欧氏距离，

(x_j,y_j)为p_j的坐标，

θ_j＝{v_j,a_j}为对应p_j的仿真需求信息量，v_j、a_j分别为对应p_j的行走速度大小、加速度大小，j＝1,2,…,k；

步骤3，根据步骤2的仿真数据集，对定位算法进行仿真，以验证定位算法在不同仿真规则的精确度。

2.如权利要求1所述的一种室内混合定位半物理仿真方法，其特征在于，所述定位信号实测数据库中的数据以栅格化形式存储，每一行数据代表某一实测位置点所能采集到的时间信息、运动速度信息、蓝牙信号强度信息、惯导信息、WiFi信号强度信息、伪卫星伪距信息及超宽带测距信息。

3.如权利要求1所述的一种室内混合定位半物理仿真方法，其特征在于，所述仿真规则包括运动路径、运动速度以及仿真所需定位信号。

4.一种室内混合定位半物理仿真平台，其特征在于，包括：定位信号实测数据库、定位信号仿真模块以及所述定位信号输出模块，其中：

所述定位信号信息实测数据库内存储根据如权利要求1中步骤1所述的方法采集到的定位信息；

所述定位信号仿真模块用于根据如权利要求中步骤2所述的方法进行半物理仿真得到仿真数据集；

所述定位信号输出模块用于输出仿真数据集以进行定位算法的仿真。

5.如权利要求4所述的一种室内混合定位半物理仿真平台，其特征在于，所述定位信息包括时间信息、运动速度信息、蓝牙信号强度信息、惯导信息、WiFi信号强度信息、伪卫星伪距信息及超宽带测距信息。

6.如权利要求4所述的一种室内混合定位半物理仿真平台，其特征在于，所述定位信号输出模块将仿真数据集按照固定格式整理后输出，其中，输出格式包括WiFi数据格式、惯性数据格式、伪卫星数据格式、蓝牙数据格式及超宽带数据格式；所述WiFi数据格式为文件第一列为时间信息，其余列为每个WiFi节点的信号强度值；所述惯性数据格式第一列为时间信息，其余列分别为九轴传感器输出的三轴的加速度计输出值、三轴的陀螺仪输出值及三轴的磁力计输出值；所述伪卫星数据格式包括第一列为时间信息，其余各列分别为卫星号、伪距、载波、多普勒值、载噪比；所述蓝牙数据格式包括第一列为时间信息，其余各列为各个蓝牙信号强度值；所述超宽带数据格式包括第一列为时间信息，其余各列为定位节点到各个定位锚点的距离值。

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