CN111123198B - 一种楼宇内的用户定位导航方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种楼宇内的用户定位导航方法及系统，包括以下步骤：S1、定位用户当前所在的位置；S2、对楼宇建立分层路径网络，基于所得分层路径网络，根据用户当前所在的位置和用户指定的目的地，进行路径搜索，将路径长度总和最短的路径作为用户当前所在的位置到用户指定目的地的路径；S3、采用PDR定位算法，实时计算用户在行走过程中的位置信息，并按照步骤S2所述的方法，实时更新用户当前所在的位置到目的地之间的路径。通过对楼宇建立分层路径网络，并根据用户当前所在的位置和用户指定的目的地，分情况进行路径搜索，并分层规划路径，实现了多楼层下的路径导航，导航的准确性较高。

Description

一种楼宇内的用户定位导航方法及系统
技术领域
本发明属于基于移动设备的室内定位导航技术领域，更具体地，涉及一种楼宇内的用户定位导航方法及系统。
背景技术
据统计，大部分人每天花费超过70％的时间在楼宇内部，而楼宇内部消费占据了更高比例的总体消费。同时互联网企业的兴起，基于位置的服务和应用飞速发展，如美团、饿了么和滴滴出行等安卓应用，用户感受到室外基于位置的服务和应用的便利，对于楼宇内基于位置的服务的需求也日益增长。
楼宇内导航可以用于大型建筑物的用户指引。在火车站、商场、教学楼和会议中心等大型建筑物内，由于当其复杂的室内布局和模糊的指示牌指向，用户通常不能确定自身所处位置，需要利用楼宇内定位技术来精确定位当前位置，并帮助用户寻找周边服务，如火车站进站口，教学楼里某个教室，商场内的厕所或者导购台，会议中心的展台等，通过室内导航系统自动生成规划路线，导引用户达到指定目的地。同时楼宇内导航还可以用于寻找走失的伙伴，如在火车站和超市经常发生小孩丢失，朋友走散等，用户此时可以通过楼宇内定位功能，实时获取小孩或者朋友的实时位置，继而通过导航指引迅速会合。同时其所用的定位技术也可用于资产追踪，广告投放，精准救援等领域。
在现有的定位导航方法中，室内定位技术主要分为广域室内定位和局域室内定位两类，广域室内定位需要花费大量的时间和成本设计与之配套的硬件设备，并不具有实用性，而在局域室内定位中目前常用的定位技术有蓝牙、Wi-Fi、传感器和UWB等。对于蓝牙和UWB定位技术，由于需要额外布置接收设备，其成本较高。而基于Wi-Fi的室内定位技术由于易受到墙壁遮挡和人为干扰等因素的影响，导致信号强度不稳定，影响定位结果。基于惯性传感器的技术虽然比较稳定，但其只能确定相对位置，对初始位置的精确性有很强的依赖。现有的室内导航方法在路径规划时，在当前节点周围搜索所有邻近节点，需要搜索的节点数量较多，搜索速度慢，搜索效率低。另外当用户所在位置与目的地之间不在同一楼层时，现有的室内导航方法默认楼宇中楼层间是可以直接到达的，但是当楼宇环境比较复杂，某些楼层间无法直接到达，需要跨越多个楼层才能抵达目的地时，采用现有的导航方法进行导航容易造成“此路不通”的情况，导航的准确性较低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种楼宇内的用户定位导航系统及方法，其目的在于解决现有技术由于默认楼宇中楼层间是可以直接到达的，导致当楼宇环境比较复杂时导航的准确性较低的问题。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种楼宇内用户定位导航方法，包括以下步骤：
S1、定位用户当前所在的位置；
S2、对楼宇建立分层路径网络，基于所得分层路径网络，根据用户当前所在的位置和用户指定的目的地，结合楼宇环境，进行路径规划，将路径长度总和最短的路径作为用户当前所在的位置到用户指定目的地的路径；
S3、采用PDR定位算法，实时计算用户在行走过程中的位置信息，并按照步骤S2所述的方法，实时更新用户当前所在的位置到目的地之间的路径。
进一步优选地，上述楼宇内用户定位导航方法，还包括：在用户的行走过程中，每间隔预设时间段，记录用户当前所在的位置信息，并按照步骤S1所述的方法对用户进行定位，得到新的定位信息，将所得新的定位信息与用户当前所在的位置进行比较，若位置发生改变，则将新的定位信息作为用户当前所在的位置信息，继续后续步骤。
进一步优选地，所述S1包括：基于预处理的Wi-Fi数据，采用模板匹配算法定位用户当前所在的位置，或者采用二维码定位算法定位用户当前所在的位置。
进一步优选地，上述基于预处理的Wi-Fi数据，采用模板匹配算法定位用户当前所在的位置的方法，包括以下步骤：
S11、在楼宇中各预设位置处采集多次Wi-Fi数据，得到各预设位置处的多组Wi-Fi数据向量；分别对每一个预设位置所对应的多组Wi-Fi数据向量中的Wi-Fi数据进行筛选，得到Wi-Fi特征数据向量；其中，该Wi-Fi特征数据向量中的各Wi-Fi的出现频次等于采样次数，并且其信号强度方差小于预设方差；
S12、采集用户当前所在位置处的Wi-Fi数据，得到用户当前位置处的Wi-Fi数据向量；
S13、将用户当前位置处的Wi-Fi数据向量与各预设位置处的Wi-Fi特征数据向量进行模板匹配，得到用户当前位置处的Wi-Fi数据向量与各预设位置处的Wi-Fi特征数据向量之间的距离；
S14、从上述所得距离中选取距离最小的两个距离，分别记为D1和D2；
S15、若D1小于或等于预设距离，则D1所对应的预设位置即为用户当前所在的位置，完成定位；否则，转至步骤S16；
S16、计算D1与D2之间的欧式距离D12，若D1、D2均小于D12，则根据所得D1、D2和D12，采用线性插值法得到用户当前所在的位置，完成定位；否则，采用二维码定位算法定位用户当前所在的位置，完成定位。
进一步优选地，上述Wi-Fi数据包括：Wi-Fi的MAC地址和Wi-Fi的接收信号强度。
进一步优选地，所述S2包括以下步骤：
S21、将楼层之间的楼梯和电梯作为连接节点，建立分层路径网络N＝{N1,N2,…,Ni,…,Nn}，其中，Ni为第i个楼层的路径网络，该路径网络以第i个楼层中每个房间为节点，n为楼层总数；
S22、判断用户当前所在位置与目的地是否处于同一楼层，若处于同一楼层，则转至步骤S23；否则，转至步骤S24；
S23、基于用户所在楼层i的路径网络，以用户所在位置为起点，目的地为终点，以起始路径集中离目的地节点最近的路径为初始搜索路径，进行单楼层路径搜索，得到从起点到终点的路径，搜索结束；其中，起始路径集是以楼层i的路径网络中离起点最近的节点为起始点的路径线段构成的集合；
S24、判断用户所在楼层i与目的地所在楼层j是否能够直接连通，若能直接连通，则转至步骤S25；否则，转至步骤S26；
S25、基于楼层i和楼层j的路径网络，以用户所在位置为起点，目的地为终点，进行跨楼层搜索，得到从起点到终点的路径，搜索结束；
S26、基于楼层i和楼层j的路径网络，以用户所在位置为起点，目的地为终点，进行多楼层搜索，得到从起点到终点的路径，搜索结束。
进一步优选地，步骤S23包括以下步骤：
S231、将用户所在楼层的路径网络中离用户所在位置最近的节点，作为起始节点，搜索以该节点为起点的路径线段以及以目的地为终点的路径线段，分别记为起始路径集和终止路径集；
S232、采用待考虑路径表存储所有待考虑的路径，采用已得路径表存储最终搜寻到的路径，且待考虑路径表和已得路径表分别初始化为空；搜索与起始路径集中各路径相连接的其他路径，存入待考虑路径表中，并将起始路径集中的距离目的地节点最短的路径存入已得路径表中，对其进行搜索；
S233、判断已得路径表中是否包含终止路径集中的任意一条路径，若不包含，则计算待考虑路径表中每条路径的中点到目的地的距离，将距离最小的路径加入到已得路径表中；
S234、重复步骤S233进行迭代，直至已得路径表中包含终止路径集中的任意一条；
S235、剔除已得路径表中未连通的路径，若已得路径表不为空且已得路径表中的连通路径的两端分别为起始节点和目的地节点，则将已得路径表中距离总和最短的路径，作为用户当前所在的位置到用户指定目的地的路径，结束搜索；否则，清空已得路径表，将起始路径集中的距离目的地节点最短的未搜索路径存入已得路径表中，重复步骤S233-S235进行迭代，直至起始路径集中的所有路径均完成搜索。
进一步优选地，步骤S25包括以下步骤：
S251、基于楼层i的路径网络，以用户当前所在位置为起点，楼层i与楼层j的各连接点为终点，分别按照步骤S23所述的方法，对楼层i进行单楼层路径搜索，得到楼层i每个连接点下的最优路径集合Ri；
S252、基于楼层j的路径网络，以楼层i与楼层j的各连接点为起点，以目的地为终点，分别按照步骤S23所述的方法，对楼层j进行单楼层路径搜索，得到楼层j每个连接点下的最优路径集合Rj；
S253、将所得楼层i每个连接点下的最优路径集合Ri和楼层j每个连接点下的最优路径集合Rj按照连接点对应合并，得到跨楼层下每个连接点对应的全局最优路径集合Rij；
S254、选取所得跨楼层下每个连接点对应的全局最优路径集合Rij中路径长度最短的路径，即为从起点到终点的路径；
其中，
Figure BDA0002346550860000061
Figure BDA0002346550860000062
为楼层i和楼层j以Ck为连接点时所对应的从起点B到终点E的全局最优路径。
进一步优选地，步骤S26包括以下步骤：
S261、确定使楼层i和楼层j连接的中间楼层，得到中间楼层集合F＝{F1,F2,…,Fp,…,Fu}，其中u为中间楼层的个数；
S262、对中间楼层Fp，基于楼层j的路径网络，以中间楼层Fp与楼层j的各连接点为起点，目的地为终点，分别按照步骤S23所述的方法，对楼层j进行单楼层搜索，得到楼层j每个连接点下的最优路径集合Rj；并基于楼层i和中间楼层Fp的路径网络，以用户当前所在位置为起点，中间楼层Fp与楼层j的各连接点为终点，进行跨楼层搜索，得到每一个连接点对应的全局最优路径，选取其中路径长度最短的路径，即为中间楼层Fp的全局最优路径；
S263、按照步骤S262所述的方法，遍历中间楼层集合中的每一个中间楼层，得到各中间楼层的全局最优路径；
S264、将所得楼层j每个连接点下的最优路径集合Rj与各中间楼层的全局最优路径按照连接点对应合并，选取合并后路径长度最短的路径，即为从起点到终点的路径。
第二方面，本发明提供了一种楼宇内的用户定位导航系统，包括：界面交互模块、地图渲染模块、数据存储模块、定位导航模块；
其中，界面交互模块的输出端分别与地图渲染模块、数据存储模块以及定位导航模块的输入端相连，数据存储模块的输出端分别与界面交互模块、地图渲染模块以及定位导航模块的输入端相连，定位导航模块的输出端分别与地图渲染模块和数据存储模块相连；
界面交互模块用于接收用户输入的目的地信息或者通过地图监听确定用户点击位置的目的地信息，并且当用户触发定位导航时，将目的地信息输出到定位导航模块中；
定位导航模块用于接收界面交互模块输入的目的地信息，并执行本发明第一方面所提出的楼宇内用户定位导航方法，并将所得的用户的位置信息以及用户位置到目的地之间的路径输出到地图渲染模块中；
地图渲染模块用于对定位导航模块输入的用户的位置信息以及用户位置到目的地之间的路径进行绘制，并显示。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供了一种楼宇内用户定位导航方法，通过根据用户当前所在的位置和用户指定的目的地，结合楼宇环境，在用户当前所在的位置和用户指定的目的地处于同一楼层、用户当前所在的位置和用户指定的目的地处于不同楼层且能直接连通、以及用户当前所在的位置和用户指定的目的地处于不同楼层且不能直接连通三种场景下，通过对楼宇建立分层路径网络，并根据用户当前所在的位置和用户指定的目的地，分情况进行路径搜索，并分层规划路径，将路径长度总和最短的路径作为用户当前所在的位置到用户指定目的地的路径，实现了多楼层下的路径导航，导航的准确性较高。
2、在本发明所提供的楼宇内用户定位导航方法中，基于Wi-Fi数据进行定位时，对各预设位置处的Wi-Fi数据进行采样，并对采样数据进行预处理，得到比较鲁棒的Wi-Fi数据，避免干扰信息造成影响，降低了Wi-Fi信号不稳定对结果造成的干扰，提高了定位精准性；并且基于二维码的便利性，采用二维码定位算法进行辅助定位，可在Wi-Fi定位发生明显偏差时，用户进行主动修正，进一步提高了定位的精准性。
3、由于楼宇中道路宽度窄，道路两侧相对的房间在该楼层路径网络中仅映射为一个节点，使得距离目的地节点最近的起始路径集中的路径极有可能是用户当前所在的位置到用户指定目的地的路径的一部分，在本发明所提供的楼宇内用户定位导航方法，充分考虑楼宇环境的特有因素，优先搜索距离目的地最近的起始路径集中的路径，需要搜索的节点数量较少，搜索效率较高。
4、本发明所提供的楼宇内用户定位导航方法可以应用在移动智能终端，使用到的硬件设备例如采集Wi-Fi信号所需的无线网卡、PDR定位所需的运动传感器、扫描二维码所需的摄像头等，都集成在一个移动智能终端上。相比于其他需要额外硬件设备的定位导航方法例如蓝牙定位和UWB定位技术等，本发明所提供的楼宇内用户定位导航方法的实现成本较低。
5、本发明提供了一种楼宇内用户定位导航系统，其中，界面交互模块负责处理用户的触摸输入，实现了目的地选择与搜索功能，提高了用户的需求满意度；定位导航模块可以精确定位用户所在位置，并提供起点到终点的最优路径；地图渲染模块清晰地为用户展示室内地图的结构和当前所在的位置，为用户提供缩放地图等更加人性化的功能，用户友好性较高。
附图说明
图1是本发明所提供的一种楼宇内用户定位导航方法流程图；
图2是本发明实施例所提供的一种楼宇内的Wi-Fi定位工作框架示意图；
图3是本发明所提供的一种楼宇内用户定位导航系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种楼宇内用户定位导航方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、定位用户当前所在的位置；
具体的，定位用户当前所在位置的方法，包括基于预处理的Wi-Fi数据，采用模板匹配算法定位用户当前所在的位置，或者采用二维码定位算法定位用户当前所在的位置。
在一个可选实施例中，基于预处理的Wi-Fi数据，采用模板匹配算法定位用户当前所在的位置的方法，如图2所示，分为采样阶段和定位阶段。在采样阶段，预先确定多个采样点，在每个采样点位置采集3-5次Wi-Fi数据，并对数据进行清洗和筛选，避免干扰信息造成影响。在定位阶段，采样确定性匹配算法和额概率匹配算法相融合的模板匹配算法，通过KNN找到最接近当前位置的两个模板向量，以概率匹配的方法确定当前位置在两个模板对应的采样点之间的相对位置信息。具体的，包括以下步骤：
采样阶段：
S11、在楼宇中各预设位置处采集多次Wi-Fi数据，得到各预设位置处的多组Wi-Fi数据向量；分别对每一个预设位置所对应的多组Wi-Fi数据向量中的Wi-Fi数据进行筛选，得到Wi-Fi特征数据向量；其中，该Wi-Fi特征数据向量中的各Wi-Fi的出现频次等于采样次数，并且其信号强度方差小于预设方差；本实施中，预设方差取值为25，单位为毫瓦分贝的平方。
具体的，将楼宇中每个房间入口处设置为预设位置，在每个预设位置处采集5次当前位置所能扫描到的全部Wi-Fi数据，包括Wi-Fi的MAC地址和接收信号强度，得到各预设位置处的多组Wi-Fi数据向量。在每个预设位置处，对采集到的多组Wi-Fi数据向量中的Wi-Fi数据进行筛选进行预处理，保留每次都能采集到的Wi-Fi数据；再次清洗Wi-Fi数据，保留接收信号强度稳定，即每次接收信号强度相差不超过5毫瓦分贝的Wi-Fi数据，得到Wi-Fi特征数据向量；将采样得到的Wi-Fi特征数据向量及其对应位置存储至数据库。
定位阶段：
S12、采集用户当前所在位置处的Wi-Fi数据，得到用户当前位置处的Wi-Fi数据向量；
S13、将用户当前位置处的Wi-Fi数据向量与各预设位置处的Wi-Fi特征数据向量进行模板匹配，得到用户当前位置处的Wi-Fi数据向量与各预设位置处的Wi-Fi特征数据向量之间的距离；
具体的，计算数据库中的Wi-Fi特征数据向量与用户当前位置处Wi-Fi数据向量的距离，公式如下：
Figure BDA0002346550860000101
Figure BDA0002346550860000102
其中，M为用户当前位置的Wi-Fi数据，model为数据库中存储的Wi-Fi特征数据，mac为Wi-Fi的MAC地址，rss为Wi-Fi的接收信号强度，d为Wi-Fi信号的强度差，m为Wi-Fi数据个数，i,j∈{1,2,…,n}，i≠j，n为采样点个数。
S14、从上述所得距离中选取距离最小的两个距离，分别记为D1和D2；
S15、若D1小于或等于预设距离Dth，则D1所对应的预设位置即为用户当前所在的位置，完成定位；否则，转至步骤S16；本实施例中预设距离Dth取值为10，单位为毫瓦分贝的平方。
S16、计算D1与D2之间的欧式距离D12，若D1、D2均小于D12，则根据所得D1、D2和D12，采用线性插值法得到用户当前所在的位置，完成定位；否则，采用二维码定位算法定位用户当前所在的位置，完成定位。
具体的，根据所得D1、D2和D12，采用线性插值法得到用户当前所在的位置为：
Figure BDA0002346550860000111
其中，L1和L2分别为D1和D2所对应的预设位置的坐标，x为横坐标即经度，y为纵坐标即纬度。
上述Wi-Fi定位方法在一定程度减少了Wi-Fi信号不稳定带来的干扰，但若出现大面积的Wi-Fi接入点离线，当前可采集到的Wi-FiAP数量会急剧下降，严重影响Wi-Fi定位结果。因此，当Wi-Fi定位失败时，采用二维码定位算法定位用户当前所在的位置，可在Wi-Fi定位发生明显偏差时，用户进行主动修正。具体的，本实施例中，在客户端调用相机功能，扫描二维码，返回二维码中存储数据；解析二维码中的定位信息，得到定位经纬度和所处楼层，匹配该楼层的室内地图，并显示定位坐标；并且在后台进行Wi-Fi定位，得到Wi-Fi定位结果，将结果与二维码定位信息比较，检查一致性；并且当定位信息不一致时，则重新采集当前Wi-Fi数据，上传到数据库中。
S2、对楼宇建立分层路径网络，基于所得分层路径网络，根据用户当前所在的位置和用户指定的目的地，结合楼宇环境，进行路径规划，将路径长度总和最短的路径作为用户当前所在的位置到用户指定目的地的路径；
具体的，在一个可选实施例中，S2包括以下步骤：
S21、将楼层之间的楼梯和电梯作为连接节点，建立分层路径网络N＝{N1,N2,…,Ni,…,Nn}，其中，Ni为第i个楼层的路径网络，该路径网络以第i个楼层中每个房间为节点，n为楼层总数；
具体的，楼宇内环境下需要考虑起始点和终点的层次信息，不同楼层只能通过楼梯和电梯相连接。因此，可以将建筑物内的每个楼层看作是二维平面上的路径规划，以楼梯和电梯作为中间连接点，得到多楼层下的全局最优路径。考虑三维路径规划的需要，对楼宇内地图建立分层路径网络。
S22、判断用户当前所在位置与目的地是否处于同一楼层，若处于同一楼层，则转至步骤S23；否则，转至步骤S24；
S23、基于用户所在楼层i的路径网络，以用户所在位置为起点，目的地为终点，以起始路径集中离目的地节点最近的路径为初始搜索路径，进行单楼层路径搜索，得到从起点到终点的路径，搜索结束；其中，起始路径集是以楼层i的路径网络中离起点最近的节点为起始点的路径线段构成的集合；
由于楼宇中道路宽度窄，道路两侧相对的预设位置在该楼层路径网络中仅映射为一个节点，使得距离目的地节点最近的起始路径集中的路径极有可能是用户当前所在的位置到用户指定目的地的路径的一部分，在本方法中，优先搜索距离目的地最近的起始路径集中的路径，搜索效率较高。
具体的，包括以下步骤：
S231、将用户所在楼层的路径网络中离用户所在位置最近的节点，作为起始节点，搜索以该节点为起点的路径线段以及以目的地为终点的路径线段，分别记为起始路径集和终止路径集；
S232、采用待考虑路径表存储所有待考虑的路径，采用已得路径表存储最终搜寻到的路径，且待考虑路径表和已得路径表分别初始化为空；搜索与起始路径集中各路径相连接的其他路径，存入待考虑路径表中，并将起始路径集中的距离目的地节点最短的路径存入已得路径表中，对其进行搜索；
S233、判断已得路径表中是否包含终止路径集中的任意一条路径，若不包含，则计算待考虑路径表中每条路径的中点到目的地的距离，将距离最小的路径加入到已得路径表中；
S234、重复步骤S233进行迭代，直至已得路径表中包含终止路径集中的任意一条；
S235、剔除已得路径表中未连通的路径，若已得路径表不为空且已得路径表中的连通路径的两端分别为起始节点和目的地节点，则将已得路径表中距离总和最短的路径，作为用户当前所在的位置到用户指定目的地的路径，结束搜索；否则，清空已得路径表，将起始路径集中的距离目的地节点最短的未搜索路径存入已得路径表中，重复步骤S233-S235进行迭代，直至起始路径集中的所有路径均完成搜索。
S24、判断用户所在楼层i与目的地所在楼层j是否能够直接连通，若能直接连通，则转至步骤S25；否则，转至步骤S26；
S25、基于楼层i和楼层j的路径网络，以用户所在位置为起点，目的地为终点，进行跨楼层搜索，得到从起点到终点的路径，搜索结束；
具体的，包括以下步骤：
S251、基于楼层i的路径网络Ni，以用户当前所在位置为起点，楼层i与楼层j的各连接点为终点，分别按照步骤S23所述的方法，对楼层i进行单楼层路径搜索，得到楼层i每个连接点下的最优路径集合Ri＝{R(B,C1),R(B,C2),…,R(B,Ck),…,R(B,Cm)}，其中B表示楼层i上的路径起点，R(B,Ck)为起始节点B到终止节点Ck的最优路径。具体的，选取楼层i和楼层j进行路径规划，其中楼层i和楼层j可以通过楼层之间的楼梯和电梯互相连接。设连接点为C＝{C1,C2,…,Cm}，其中，m表示连接点的个数，C是楼层i和楼层j之间相互连接的连接点集合。
S252、基于楼层j的路径网络Nj，以楼层i与楼层j的各连接点为起点，以目的地为终点，分别按照步骤S23所述的方法，对楼层j进行单楼层路径搜索，得到楼层j每个连接点下的最优路径集合Rj；
S253、将所得楼层i每个连接点下的最优路径集合Ri和楼层j每个连接点下的最优路径集合Rj按照连接点对应合并，得到跨楼层下每个连接点对应的全局最优路径集合Rij；
S254、选取所得跨楼层下每个连接点对应的全局最优路径集合Rij中路径长度最短的路径，即为从起点到终点的路径；
其中，
Figure BDA0002346550860000141
Figure BDA0002346550860000142
为楼层i和楼层j以Ck为连接点时所对应的从起点B到终点E的全局最优路径。
S26、基于楼层i和楼层j的路径网络，以用户所在位置为起点，目的地为终点，进行多楼层搜索，得到从起点到终点的路径，搜索结束。
具体的，包括以下步骤：
S261、确定使楼层i和楼层j连接的中间楼层，得到中间楼层集合F＝{F1,F2,…,Fp,…,Fu}，其中u为中间楼层的个数；
S262、对中间楼层Fp，基于楼层j的路径网络，以中间楼层Fp与楼层j的各连接点为起点，目的地为终点，分别按照步骤S23所述的方法，对楼层j进行单楼层搜索，得到楼层j每个连接点下的最优路径集合Rj；并基于楼层i和中间楼层Fp的路径网络，以用户当前所在位置为起点，中间楼层Fp与楼层j的各连接点为终点，进行跨楼层搜索，得到每一个连接点对应的全局最优路径，选取其中路径长度最短的路径，即为中间楼层Fp的全局最优路径；
具体的，对中间楼层Fp，
①若中间楼层Fp与楼层j的连接点的个数等于1，以中间楼层Fp和楼层j的连接点
Figure BDA0002346550860000143
为起点，目的地E为终点，对楼层j进行单层路径搜索得到楼层j上的最优路径
Figure BDA0002346550860000144
以用户当前所在位置B为起点，连接点
Figure BDA0002346550860000145
作为中间楼层的终点，对中间楼层Fp和楼层i进行跨楼层路径规划，得到起点B到连接点
Figure BDA0002346550860000146
的最短路径
Figure BDA0002346550860000147
与楼层j的最优路径合并得到中间楼层Fp全局最优路径
Figure BDA0002346550860000148
②若中间楼层Fp与楼层j的连接点的个数大于1，则以每一个连接点作为楼层j的起点和中间楼层Fp的终点，以中间楼层Fp与楼层j的各连接点为起点，目的地E为终点，对目的楼层j进行单层路径搜索；以用户当前所在位置B为起点，中间楼层Fp与楼层j的各连接点为终点，对楼层i和中间楼层Fp进行跨楼层搜索，得到每一个连接点对应的全局最优路径，选取其中距离最短的即为中间楼层Fp全局最优路径
Figure BDA0002346550860000151
S263、按照步骤S262所述的方法，遍历中间楼层集合中的每一个中间楼层，得到各中间楼层的全局最优路径；
S264、将所得楼层j每个连接点下的最优路径集合Rj与各中间楼层的全局最优路径按照连接点对应合并，选取合并后路径长度最短的路径，即为从起点到终点的路径。
S3、采用PDR定位算法，实时计算用户在行走过程中的位置信息，并按照步骤S2所述的方法，实时更新用户当前所在的位置到目的地之间的路径。
采集加速度数据利用双门限法计算行走步长，采用非线性模型计算每步行走距离，结合磁力计数据计算行走方向；具体的，利用手机的加速度传感器估算人的行走步数以及步长，结合磁力计估计人的行走方向，再根据前一时刻行人的位置推算出当前时刻行人所处的相对位置，进行PDR定位。根据PDR定位结果不断更新剩余路线。
以上方法通过根据用户当前所在的位置和用户指定的目的地，结合楼宇环境，在用户当前所在的位置和用户指定的目的地处于同一楼层、用户当前所在的位置和用户指定的目的地处于不同楼层且能直接连通、以及用户当前所在的位置和用户指定的目的地处于不同楼层且不能直接连通三种场景下，通过对楼宇建立分层路径网络，并根据用户当前所在的位置和用户指定的目的地，分情况进行路径搜索，并分层规划路径，将路径长度总和最短的路径作为用户当前所在的位置到用户指定目的地的路径，实现了多楼层下的路径导航，导航的准确性较高。
优选地，上述楼宇内用户定位导航方法，还包括：在用户的行走过程中，每间隔预设时间段，记录用户当前所在的位置信息，并按照步骤S1所述的方法对用户进行定位，得到新的定位信息，将所得新的定位信息与用户当前所在的位置进行比较，若位置发生改变，则将新的定位信息作为用户当前所在的位置信息，继续后续步骤。通过以上方法能够进一步保证在用户行走的过程中，定位用户所在位置的准确性，从而保证了导航路径的准确性。
另外，本发明所提供的楼宇内的用户定位导航方法，可以应用在移动智能终端，使用到的硬件设备例如采集Wi-Fi信号所需的无线网卡、PDR定位所需的运动传感器、扫描二维码所需的摄像头等，都集成在一个移动智能终端中。相比于其他需要额外硬件设备的定位导航方法例如蓝牙定位和UWB定位技术等，本发明所提供的楼宇内用户定位导航方法的实现成本较低。
第二方面，本发明提供了一种楼宇内的用户定位导航系统，如图3所示，包括：界面交互模块、地图渲染模块、数据存储模块、定位导航模块；
其中，界面交互模块的输出端分别与地图渲染模块、数据存储模块以及定位导航模块的输入端相连，数据存储模块的输出端分别与界面交互模块、地图渲染模块以及定位导航模块的输入端相连，定位导航模块的输出端分别与地图渲染模块和数据存储模块相连；
界面交互模块用于接收用户输入的目的地信息或者通过地图监听确定用户点击位置的目的地信息，并且当用户触发定位导航时，将目的地信息输出到定位导航模块中；
定位导航模块用于接收界面交互模块输入的目的地信息，并执行本发明第一方面所提出的楼宇内用户定位导航方法，并将所得的用户的位置信息以及用户位置到目的地之间的路径输出到地图渲染模块中；
地图渲染模块用于对定位导航模块输入的用户的位置信息以及用户位置到目的地之间的路径进行绘制，并显示。
在一个可选实施例中，界面交互模块用于与用户进行交互，获取用户输入信息。包括兴趣点(Point OfInterest，POI)查询、用户输入和地图点击。POI数据是室内地图上每个房间的描述信息和定位信息，包括每个房间的房间号、房间名、负责人和房间描述信息。POI查询需要用户输入指定的POI信息，在数据存储模块中查询此POI，若存在，则输出至地图渲染模块中与地图匹配展示。用户输入用于查询POI相关的模糊信息，将该模糊信息输入至数据存储模块中进行模糊查询，如查询所有与此负责人相关的房间数据。地图点击是用户在点击某块区域时触发点击事件，弹出此区域描述信息，也可以生成到此区域的路线图；并且当用户触发定位导航时，将用户输入或者点击地图得到的目的地信息输出到定位导航模块中；界面交互模块实现了目的地选择与搜索功能，提高了用户的需求满意度。
定位导航模块用于接收界面交互模块输入的目的地信息，并执行本发明第一方面所提出的楼宇内用户定位导航方法，并将所得的用户的位置信息以及用户位置到目的地之间的路径输出到地图渲染模块中。具体的，定位导航模块包括定位单元和导航单元，其中，定位单元，为用户提供室内定位功能,包含三个组成部分：Wi-Fi定位、二维码定位和PDR定位。Wi-Fi定位需要预先采集Wi-Fi数据存储到数据存储模块中，定位时从数据存储模块中获取Wi-Fi数据与当前采集到的Wi-Fi信息进行模板匹配确定当前位置。当Wi-Fi定位失败时，可进行二维码定位，通过扫描指定二维码获取存储信息，对信息进行解析和检索并与地图匹配，可确定用户准确定位。在用户移动时，采用PDR定位，推算行人的相对位置，生成行走轨迹。导航单元为用户生成起点和终点的导航路线，并指引用户步行至终点，导航单元含有路径规划、路径导航两个功能。路径规划为用户提供指定起点和终点的规划路径，判断起点和终点所在楼层以及楼层之间的连接信息，确定采用单楼层或者跨楼层或者多楼层的路径规划策略，生成最优路径。路径导航是在路径规划的PDR的基础上，在用户行走的过程中不断更新路径图。定位导航模块可以精确定位用户所在位置，并提供起点到终点的最优路径。
地图渲染模块包括地图下载单元和地图显示单元。地图下载单元主要用于从数据存储模块下载建筑数据，并对数据进行解析，最后交由地图显示单元绘制地图信息。具体的，地图显示单元采用Osmdroid框架加载地图，包括多边形绘制、线段绘制、标记点绘制。多边形绘制负责绘制建筑物外围以及房间外围信息，而线段绘制负责绘制已规划路径、已行走路径和待行走路径；标记点绘制则是在用户点击地图或输入搜索相关POI时触发，在指定位置绘制标记点，可点击弹出详细信息。地图渲染模块清晰地为用户展示室内地图的结构和当前所在的位置，为用户提供缩放地图等更加人性化的功能，用户友好性较高。
数据存储模块在最底层，为其他部分提供数据基础，主要存储建筑数据、Wi-Fi数据、路径数据和POI数据，其中，建筑数据包括建筑物外围墙壁数据和房间墙壁数据，是楼宇内地图的基础组成部分，此数据可交由地图渲染模块展示楼宇内地图信息；Wi-Fi数据是在楼宇中预设位置处采集的Wi-Fi数据信息，包括采样点的三维坐标信息、扫描得到的Wi-Fi接入点的MAC地址和对应的RSS，是Wi-Fi定位功能必须的基础数据；路径数据是楼宇每个楼层的路径网络，包含每个楼层的连通路径图，路径规划功能即是在此数据上进行路径搜索。POI数据是室内地图上每个房间的描述信息和定位信息，包括每个房间的房间号、房间名、负责人和房间描述信息，是地图点击监听事件和用户搜索事件的基础数据。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种楼宇内用户定位导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于预处理的Wi-Fi数据，采用模板匹配算法定位用户当前所在的位置；具体包括以下步骤：
S11、在楼宇中各预设位置处采集多次Wi-Fi数据，得到各预设位置处的多组Wi-Fi数据向量；分别对每一个预设位置所对应的多组Wi-Fi数据向量中的Wi-Fi数据进行筛选，得到Wi-Fi特征数据向量；其中，所述Wi-Fi特征数据向量中的各Wi-Fi的出现频次等于采样次数，并且其信号强度方差小于预设方差；
S12、采集用户当前所在位置处的Wi-Fi数据，得到用户当前位置处的Wi-Fi数据向量；
S13、将用户当前位置处的Wi-Fi数据向量与各预设位置处的Wi-Fi特征数据向量进行模板匹配，得到用户当前位置处的Wi-Fi数据向量与各预设位置处的Wi-Fi特征数据向量之间的距离；
S14、从上述所得距离中选取距离最小的两个距离，分别记为D1和D2；
S15、若D1小于或等于预设距离，则D1所对应的预设位置即为用户当前所在的位置，完成定位；否则，转至步骤S16；
S16、计算D1与D2之间的欧式距离D12，若D1、D2均小于D12，则根据所得D1、D2和D12，采用线性插值法得到用户当前所在的位置，完成定位；否则，采用二维码定位算法定位用户当前所在的位置，完成定位；
S2、对楼宇建立分层路径网络，基于所得分层路径网络，根据用户当前所在的位置和用户指定的目的地，结合楼宇环境，进行路径规划，将路径长度总和最短的路径作为用户当前所在的位置到用户指定目的地的路径；
S3、采用PDR定位算法，实时计算用户在行走过程中的位置信息，并按照步骤S2所述的方法，实时更新用户当前所在的位置到目的地之间的路径。
2.根据权利要求1所述的楼宇内用户定位导航方法，其特征在于，还包括：在用户的行走过程中，每间隔预设时间段，记录用户当前所在的位置信息，并按照步骤S1所述的方法对用户进行定位，得到新的定位信息，将所得新的定位信息与用户当前所在的位置进行比较，若位置发生改变，则将新的定位信息作为用户当前所在的位置信息，继续后续步骤。
3.根据权利要求1所述的楼宇内用户定位导航方法，其特征在于，所述Wi-Fi数据包括：Wi-Fi的MAC地址和Wi-Fi的接收信号强度。
4.根据权利要求1所述的楼宇内用户定位导航方法，其特征在于，所述S2包括以下步骤：
S21、将楼层之间的楼梯和电梯作为连接节点，建立分层路径网络N＝{N1,N2,…,Ni,…,Nn}，其中，Ni为第i个楼层的路径网络，该路径网络以第i个楼层中每个房间为节点，n为楼层总数；
S22、判断用户当前所在位置与目的地是否处于同一楼层，若处于同一楼层，则转至步骤S23；否则，转至步骤S24；
S23、基于用户所在楼层i的路径网络，以用户所在位置为起点，目的地为终点，以起始路径集中离目的地节点最近的路径为初始搜索路径，进行单楼层路径搜索，得到从起点到终点的路径，搜索结束；其中，起始路径集是以楼层i的路径网络中离起点最近的节点为起始点的路径线段构成的集合；
S24、判断用户所在楼层i与目的地所在楼层j是否能够直接连通，若能直接连通，则转至步骤S25；否则，转至步骤S26；
S25、基于楼层i和楼层j的路径网络，以用户所在位置为起点，目的地为终点，进行跨楼层搜索，得到从起点到终点的路径，搜索结束；
S26、基于楼层i和楼层j的路径网络，以用户所在位置为起点，目的地为终点，进行多楼层搜索，得到从起点到终点的路径，搜索结束。
5.根据权利要求4所述的楼宇内用户定位导航方法，其特征在于，所述S23包括以下步骤：
S231、将用户所在楼层的路径网络中离用户所在位置最近的节点，作为起始节点，搜索以该节点为起点的路径线段以及以目的地为终点的路径线段，分别记为起始路径集和终止路径集；
S232、采用待考虑路径表存储所有待考虑的路径，采用已得路径表存储最终搜寻到的路径，且待考虑路径表和已得路径表分别初始化为空；搜索与起始路径集中各路径相连接的其他路径，存入待考虑路径表中，并将起始路径集中的距离目的地节点最短的路径存入已得路径表中，对其进行搜索；
S233、判断已得路径表中是否包含终止路径集中的任意一条路径，若不包含，则计算待考虑路径表中每条路径的中点到目的地的距离，将距离最小的路径加入到已得路径表中；
S234、重复步骤S233进行迭代，直至已得路径表中包含终止路径集中的任意一条；
S235、剔除已得路径表中未连通的路径，若已得路径表不为空且已得路径表中的连通路径的两端分别为起始节点和目的地节点，则将已得路径表中距离总和最短的路径，作为用户当前所在的位置到用户指定目的地的路径，结束搜索；否则，清空已得路径表，将起始路径集中的距离目的地节点最短的未搜索路径存入已得路径表中，重复步骤S233-S235进行迭代，直至起始路径集中的所有路径均完成搜索。
6.根据权利要求4所述的楼宇内用户定位导航方法，其特征在于，所述S25包括以下步骤：
S251、基于楼层i的路径网络，以用户当前所在位置为起点，楼层i与楼层j的各连接点为终点，分别按照步骤S23所述的方法，对楼层i进行单楼层路径搜索，得到楼层i每个连接点下的最优路径集合Ri；
S252、基于楼层j的路径网络，以楼层i与楼层j的各连接点为起点，以目的地为终点，分别按照步骤S23所述的方法，对楼层j进行单楼层路径搜索，得到楼层j每个连接点下的最优路径集合Rj；
S253、将所得楼层i每个连接点下的最优路径集合Ri和楼层j每个连接点下的最优路径集合Rj按照连接点对应合并，得到跨楼层下每个连接点对应的全局最优路径集合Rij；
S254、选取所得跨楼层下每个连接点对应的全局最优路径集合Rij中路径长度最短的路径，即为从起点到终点的路径；
其中，
Figure FDA0003369973060000041
Figure FDA0003369973060000042
为楼层i和楼层j以Ck为连接点时所对应的从起点B到终点E的全局最优路径。
7.根据权利要求4所述的楼宇内用户定位导航方法，其特征在于，所述S26包括以下步骤：
S261、确定使楼层i和楼层j连接的中间楼层，得到中间楼层集合F＝{F1,F2,…,Fp,…,Fu}，其中u为中间楼层的个数；
S262、对中间楼层Fp，基于楼层j的路径网络，以中间楼层Fp与楼层j的各连接点为起点，目的地为终点，分别按照步骤S23所述的方法，对楼层j进行单楼层搜索，得到楼层j每个连接点下的最优路径集合Rj；并基于楼层i和中间楼层Fp的路径网络，以用户当前所在位置为起点，中间楼层Fp与楼层j的各连接点为终点，进行跨楼层搜索，得到每一个连接点对应的全局最优路径，选取其中路径长度最短的路径，即为中间楼层Fp的全局最优路径；
S263、按照步骤S262所述的方法，遍历中间楼层集合中的每一个中间楼层，得到各中间楼层的全局最优路径；
S264、将所得楼层j每个连接点下的最优路径集合Rj与各中间楼层的全局最优路径按照连接点对应合并，选取合并后路径长度最短的路径，即为从起点到终点的路径。
8.一种楼宇内的用户定位导航系统，其特征在于，包括：界面交互模块、地图渲染模块、数据存储模块、定位导航模块；
其中，所述界面交互模块的输出端分别与地图渲染模块、数据存储模块以及定位导航模块的输入端相连，数据存储模块的输出端分别与界面交互模块、地图渲染模块以及定位导航模块的输入端相连，定位导航模块的输出端分别与地图渲染模块和数据存储模块相连；
所述界面交互模块用于接收用户输入的目的地信息或者通过地图监听确定用户点击位置的目的地信息，并且当用户触发定位导航时，将目的地信息输出到定位导航模块中；
所述定位导航模块用于接收界面交互模块输入的目的地信息，并执行权利要求1-7任意一项所述的楼宇内用户定位导航方法，并将所得的用户的位置信息以及用户位置到目的地之间的路径输出到所述地图渲染模块中；
所述地图渲染模块用于对定位导航模块输入的用户的位置信息以及用户位置到目的地之间的路径进行绘制，并显示。
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