CN113899368B - 一种基于室内指纹点拓扑关系的行人航向校正方法 - Google Patents

一种基于室内指纹点拓扑关系的行人航向校正方法 Download PDF

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Abstract

行人航位推算(PDR)面临的一个突出难题就是行人航向估计，其中用于计算航向的陀螺仪、磁力计数据往往不是带有较大的干扰噪声，就是受环境影响严重，另外由于终端与行人间存在一个安装角，使得估计的行人航向存在偏差。因此，本发明提供了一种基于室内指纹点拓扑关系的行人航向校正方法，通过综合使用历史无线信号定位信息、指纹点拓扑关系以及计算的概略航向对行人航向进行判断，使用匹配指纹点连线方位角校正计算的概略航向，利用纠正的航向进行PDR位置推估，以减轻航向偏差对位置推估的影响。

Description

一种基于室内指纹点拓扑关系的行人航向校正方法
技术领域
本发明涉及室内定位中行人航位推算技术领域，尤其涉及一种基于室内指纹点拓扑关系的行人航向校正方法。
背景技术
现有技术中，在进行行人航位推算时，主要采用两种方法，第一种是借助加速度、磁场强度来进行计算航向角的计算，第二种是使用室内路网进行航向纠偏。
本申请发明人在实施本发明的过程中，现有技术中至少存在如下技术问题：
对于第一种方法，由于磁场强度受外界环境影响较为严重，特别是钢结构、电子设备等的影响；另外，此方法计算的终端设备的朝向，而终端设备朝向和行人实际行走方向往往也存在一个夹角，也称安装角，实际应用中，安装角估计十分困难。这也就导致行人航向计算结果往往是不准确的。而对于第二种方法，实际室内路网中包含的信息没有指纹点连接起来组成的网络那么丰富，覆盖区域也不及指纹点连接起来组成的网络，因此导致最终的航向估计结果也不准确。
发明内容
本发明提出了一种基于室内指纹点拓扑关系的行人航向校正方法，用于解决或者至少部分解决现有技术中的方法存在的航向估计结果不准确的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于室内指纹点拓扑关系的行人航向校正方法，包括：
S1：如果为首次计算，则基于磁场强度和加速度计算航向角，如果不为首次计算，则采用基于经验的短时磁场准静态识别方法计算航向角，包括使用加速度判断行人是否处于静止或加速度极小状态，如果处于静止或加速度极小状态，则结合磁场强度、加速度和角速度综合计算航向角；
S2：基于路网中指纹点的拓扑关系对航向角进行纠正，实现对行人航向的校正，其中，进行指纹点采集后构建路网，路网包括指纹点以及由指纹点构成的路径，每一条路径都能够计算得到相差180度的两个方位角，代表两个相反的走向，两个指纹点在同一条采集轨迹上表示它们之间存在连接关系，所有的连接关系构成拓扑关系。
在一种实施方式中，采用基于经验的短时磁场准静态识别方法计算航向角，包括：
S1.1：将加速度、陀螺仪、磁强数据添加至滑动窗口，窗口大小为L，窗口数据添加结束后，使用加速度判断行人是否处于静止或加速度极小状态，判断公式为：
Figure GDA0004197493750000021
其中，N为窗口内数据个数，
Figure GDA0004197493750000022
为窗口内加速度均值，acck为窗口内的第k个总加速度，通过三轴加速度的平方和开根号后得到，gyok为窗口内的第k个三轴总角速度，通过三轴角速度的平方和开根号得到，accstd为窗口内加速度和的方差，gyostd为窗口内角速度和的方差，threshold_1为第一阈值；
S1.2：当窗口内数据判别为静止或加速度极小状态时，首先计算窗口首部磁场强度与尾部磁场强度的差值Mdiffer、窗口内磁场强度的方差Mvar；
S1.3：分别计算窗口首部的翻滚角、俯仰角以及窗口尾部的翻滚角、俯仰角；
S1.4：根据磁场强度、窗口首部的翻滚角、俯仰角以及窗口尾部的翻滚角、俯仰角，计算窗口首部的航向角和窗口尾部的航向角；
S1.5：基于磁力计和加速度计算的角度变化量，包括翻滚角变化量、俯仰角变化量以及航向角变化量；
S1.6：利用陀螺仪的角速度积分数据计算三轴角度变化量；
S1.7：将基于磁力计和加速度计算的角度变化量和角速度积分数据求得的三轴角度变化量做差，得到翻滚角差值、俯仰角差值以及航向角差值；
S1.8：当窗口首部磁场强度与尾部磁场强度的差值不超过第二阈值且窗口内磁场强度的方差不超过第三阈值、翻滚角差值不超过第四阈值、俯仰角差值不超过第五阈值、航向角差值不超过第六阈值时，则将基于磁场强度和加速度均值计算的角度作为当前航向角；否则，将基于上一次航向角与陀螺仪计算的变化量作为当前航向角。
在一种实施方式中，步骤S2在构建路网时，将方向角的差值小于角度阈值且有共同点的短线段延伸整理为长线段，删除长度小于长度阈值的线段。
在一种实施方式中，步骤S2包括：
如果上一次选择路径的方向角与当前航向角的差值小于第一航向角阈值，则输出上一次选择路径的方向角为目标航向角；
如果上一次选择路径的方向角与当前航向角的差值大于或等于第一航向角阈值，则获取前两次信号定位结果，并计算前两次信号定位结果连线的第一方向角，如果第一方向角与当前航向角的差值小于第二航向角阈值，则输出第一方向角为目标航向角；
如果第一方向角与当前航向角的差值大于或等于第二航向角阈值，则根据当前航向角选择候选路径，其中，候选路径为与上一次选择路径存在交点，并且交点到上一次定位结果距离小于距离阈值的路径，并从候选路径中选择与上一次定位结果距离的距离最近最小的目标候选路径，将目标候选路径的方向角作为目标航向角；
如果不存在候选路径，则使用上一次选择路径的方向角作为目标航向角。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
本发明提供的一种基于室内指纹点拓扑关系的行人航向校正方法，采用基于经验的短时磁场准静态识别方法计算航向角，可以提高计算的准确性，并进一步利用指纹点间的拓扑关系，而指纹采集过程绝大多数情况下采集轨迹是按照室内路网进行的，采用预先构建的路网中的指纹点构成的路径的方向角来纠正行人航向，既符合行人行走往往以主干道路为主的实际情况，正确的纠正也能较大程度上减小方向角误差带来的定位误差，因此提高了行人航向估计的准确性。
进一步地，公开了基于经验的短时磁场准静态识别方法计算航向角的具体步骤，联合多变量进行磁场准静态的识别(即根据加速度、陀螺仪、磁强数据判断行人是否处于静止或加速度极小状态)，可以保证状态识别的准确率，在这种准静态状态下进一步计算航向，提高了使用价值和计算准确性。
进一步地，公开了利用室内指纹点拓扑关系进行行人航向校正的具体步骤，减轻了航向偏差对位置推估的影响，改善了校正效果，进一步提高了航向估计的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于多变量联合进行磁场准静态识别的流程图；
图2为本发明实施例基于室内指纹点拓扑关系的行人航向校正方法的流程图；
图3为本发明实施例中构建的用于纠正航向的由指纹点连接而成的路网。
具体实施方式
本申请发明人通过大量的研究与实践发现，行人航位推算(PDR)面临的一个突出难题就是行人航向估计，其中用于计算航向的陀螺仪、磁力计数据往往不是带有较大的干扰噪声，就是受环境影响严重，另外由于终端与行人间存在一个安装角，使得估计的行人航向存在偏差。
基于此，本发明提供了一种基于室内指纹点拓扑关系的行人航向校正方法，创新点包括两个方面，一个是基于经验的短时磁场准静态判断方法，一个在指纹定位和PDR融合定位过程中使用指纹点间的拓扑关系纠正航向。
本发明的主要构思如下：
通过综合使用历史无线信号定位信息、指纹点拓扑关系以及计算的概略航向对行人航向进行判断，使用匹配指纹点连线方位角校正计算的概略航向，利用纠正的航向进行PDR位置推估，以减轻航向偏差对位置推估的影响。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种基于室内指纹点拓扑关系的行人航向校正方法，包括：
S1：如果为首次计算，则基于磁场强度和加速度计算航向角，如果不为首次计算，则采用基于经验的短时磁场准静态识别方法计算航向角，包括使用加速度判断行人是否处于静止或加速度极小状态，如果处于静止或加速度极小状态，则结合磁场强度、加速度和角速度综合计算航向角；
S2：基于路网中指纹点的拓扑关系对航向角进行纠正，实现对行人航向的校正，其中，路网通过采用连续采集方式进行指纹点采集后构建，路网包括路径，每一条路径都能够计算得到相差180度的两个方位角，代表两个相反的走向，两个指纹点在同一条采集轨迹上表示它们之间存在连接关系，所有的连接关系构成拓扑关系。
具体来说，如果是首次计算，则使用磁强和加速度计算航向角，如果不是首次计算，即有历史航向角信息，则采用基于经验的短时磁场准静态识别方法计算航向角。
步骤S2在校正之前，首先进行数据准备：指纹数据为单点采集时，必须先确定指纹点的联通关系；指纹点为连续采集时，当前指纹采集为保证采集效率，大多开始尝试采用连续采集方式，连续采集意味着指纹点间被加上一层关联，两个指纹点在同一条采集轨迹上意味着它们之间存在连接关系。
在一种实施方式中，采用基于经验的短时磁场准静态识别方法计算航向角，包括：
S1.1：将加速度、陀螺仪、磁强数据添加至滑动窗口，窗口大小为L，窗口数据添加结束后，使用加速度判断行人是否处于静止或加速度极小状态，判断公式为：
Figure GDA0004197493750000051
其中，N为窗口内数据个数，
Figure GDA0004197493750000052
为窗口内加速度均值，acck为窗口内的第k个总加速度，通过三轴加速度的平方和开根号后得到，gyok为窗口内的第k个三轴总角速度，通过三轴角速度的平方和开根号得到，accstd为窗口内加速度和的方差，gyostd为窗口内角速度和的方差，threshold_1为第一阈值；
S1.2：当窗口内数据判别为静止或加速度极小状态时，首先计算窗口首部磁场强度与尾部磁场强度的差值Mdiffer、窗口内磁场强度的方差Mvar；
S1.3：分别计算窗口首部的翻滚角、俯仰角以及窗口尾部的翻滚角、俯仰角；
S1.4：根据磁场强度、窗口首部的翻滚角、俯仰角以及窗口尾部的翻滚角、俯仰角，计算窗口首部的航向角和窗口尾部的航向角；
S1.5：基于磁力计和加速度计算的角度变化量，包括翻滚角变化量、俯仰角变化量以及航向角变化量；
S1.6：利用陀螺仪的角速度积分数据计算三轴角度变化量；
S1.7：将基于磁力计和加速度计算的角度变化量和角速度积分数据求得的三轴角度变化量做差，得到翻滚角差值、俯仰角差值以及航向角差值；
S1.8：当窗口首部磁场强度与尾部磁场强度的差值不超过第二阈值且窗口内磁场强度的方差不超过第三阈值、翻滚角差值不超过第四阈值、俯仰角差值不超过第五阈值、航向角差值不超过第六阈值时，则将基于磁场强度和加速度均值计算的角度作为当前航向角；否则，将基于上一次航向角与陀螺仪计算的变化量作为当前航向角。
请参见图1，本发明实施例提供的基于多变量联合进行磁场准静态识别的流程图。
具体实施过程中，由于PDR计算航向较为依赖磁场强度的稳定性，但是实际场景下的磁场强度受环境干扰较大，如何挑选出受外界干扰较小的磁场强度来进行航向计算十分有必要。这其中的挑选过程又称磁场准静态(磁场变化很小或不变)识别。
S1.1中，窗口大小L一般小于行人一步周期的60％，第一阈值可以根据实际情况进行设置。
S1.3中，计算公式如下：
Figure GDA0004197493750000053
其中，θ、γ分别表示翻滚角、俯仰角，accx,accy,accz,accsum分别为三轴(x轴，y轴，z轴)加速度和总加速度(三轴加速度模值)。在具体计算过程中，加上对应的下角标得到对应的首部和尾部的角度，例如窗口首部的翻滚角和尾部的翻滚角分别为θf,θl、窗口首部的俯仰角、尾部的俯仰角为γf,γl。举例来说，在计算窗口首部的翻滚角时，则利用θ的计算公式，根据窗口首部的y轴加速度、窗口首部的z轴加速度进行计算。窗口尾部的翻滚角计算也类似，分别利用窗口尾部的加速度数据进行计算。同理，俯仰角也类似进行计算，在此不再赘述。
S1.4中，计算公式如下：
Figure GDA0004197493750000061
其中，magx,magy,magz分别为三轴磁场强度，D表示磁偏角(磁北方向和地理北方向之间的夹角)，Magx,Magy分别表示投影到水平面上的两个磁力分量大小。需要说明的是，如果是计算窗口首部的航向角，则利用窗口首部的加速度数据和磁强数据，如果是计算窗口尾部的航向角，则利用尾部的加速度数据和磁强数据。
S1.5中，计算公式如下：
Figure GDA0004197493750000062
其中，θf,θl分别为窗口首部的翻滚角、窗口尾部的翻滚角，γf,γl分别为窗口首部的俯仰角、窗口尾部的俯仰角，
Figure GDA0004197493750000063
分别为窗口首部的航向角、窗口尾部的航向角。Δθ，Δγ，/>
Figure GDA0004197493750000064
分别为翻滚角变化量、俯仰角变化量以及航向角变化量。
S1.6中，计算公式如下：
Figure GDA0004197493750000065
其中，Δx,Δy,Δz为三轴角度变化量(即x轴角度变化量、y轴角度变化量以及z轴角度变化量)，gyox,gyoy,gyoz为三轴角速度(即x轴角速度、y轴角速度以及z轴角速度)。
S1.7中，计算公式如下：
Figure GDA0004197493750000071
Δ1为翻滚角差值，Δ2为俯仰角差值，Δ3为航向角差值。
S1.8中，判断公式如下：
Figure GDA0004197493750000072
threshold_2、threshold_3、threshold_4、threshold_5、threshold_6分别为第二阈值、第三阈值、第四阈值、第五阈值、第六阈值，都为经验阈值，根据实际情况数据来确定。
具体实施时，是将S1.8中的式子的结果做与运算(例如，Mdiffer≤threshold_2，如果成立，则结果为1，否则结果为0，其他几个式子也类似)，与运算的结果如果为1，则输出磁强和加速度均值计算的航向角(将基于磁场强度和加速度均值计算的角度作为当前航向角)，如果为0，则输出上一次角度加陀螺仪计算的变化量(将基于上一次航向角与陀螺仪计算的变化量作为当前航向角)。
在一种实施方式中，步骤S2在构建路网时，将方向角的差值小于角度阈值且有共同点的短线段延伸整理为长线段，删除长度小于长度阈值的线段。
具体来说，两两连接会造成短线段过多，加重筛选负担，在使用之前会将方向角相差较小(差值小于角度阈值)且有共同点的短线段逐步延伸整理成长线段，删除长度过小(长度小于长度阈值)的线段，较长的线段往往对应的就是室内的主干道路，如此就可整理出用于后续航向纠正的“路网”(由指纹点组成)。“路网”内的每一条“路径”均可以计算得到相差180的两个方位角，代表两个相反的走向。
请参见图3，为本发明实施例中构建的用于纠正航向的由指纹点连接而成的路网。
在一种实施方式中，步骤S2包括：
如果上一次选择路径的方向角与当前航向角的差值小于第一航向角阈值，则输出上一次选择路径的方向角为目标航向角；
如果上一次选择路径的方向角与当前航向角的差值大于或等于第一航向角阈值，则获取前两次信号定位结果，并计算前两次信号定位结果连线的第一方向角，如果第一方向角与当前航向角的差值小于第二航向角阈值，则输出第一方向角为目标航向角；
如果第一方向角与当前航向角的差值大于或等于第二航向角阈值，则根据当前航向角选择候选路径，其中，候选路径为与上一次选择路径存在交点，并且交点到上一次定位结果距离小于距离阈值的路径，并从候选路径中选择与上一次定位结果距离的距离最近最小的目标候选路径，将目标候选路径的方向角作为目标航向角；
如果不存在候选路径，则使用上一次选择路径的方向角作为目标航向角。
请参见图2，为本发明实施例基于室内指纹点拓扑关系的行人航向校正方法的流程图。经过磁场准静态识别后计算的概略航向为当前航向角，即为步骤S1计算得到的航向角。第一个菱形框的阈值为第一航向角阈值，第二个菱形框的阈值为第二航向角阈值。
如果上一次选择路径的方向角与当前航向角angleacc+mag的差值小于第一航向角阈值anglethreshold_1，选择两个方向角(上一次选择路径的两个方向角)中与当前航向角相近的一个，作为目标航向角。除了首次，后续都会使用某一路径的方向角来替代航向。
前两次信号定位结果是指与当前时刻最近的两次信号定位结果。第一方向角为anglefp，第二航向角阈值为anglethreshold_2。
相对于现有技术，本发明的有点和有益效果是：
1、联合多变量进行磁场准静态的识别保证识别的准确率，合理情况下(磁场准静态)计算的航向才具备使用价值。
2、使用了指纹点间的拓扑关系，指纹采集过程绝大多数情况下采集轨迹是按照室内路网进行的，使用整理出来的指纹点构成的“路网”中的“路径”的方向角来纠正行人航向，既符合行人行走往往以主干道路为主的实际情况，正确的纠正也能较大程度上减小方向角误差带来的定位误差。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种基于室内指纹点拓扑关系的行人航向校正方法，其特征在于，包括：
S1：如果为首次计算，则基于磁场强度和加速度计算航向角，如果不为首次计算，则采用基于经验的短时磁场准静态识别方法计算航向角，包括使用加速度判断行人是否处于静止或加速度极小状态，如果处于静止或加速度极小状态，则结合磁场强度、加速度和角速度综合计算航向角；
S2：基于路网中指纹点的拓扑关系对航向角进行纠正，实现对行人航向的校正，其中，进行指纹点采集后构建路网，路网包括指纹点以及由指纹点构成的路径，每一条路径都能够计算得到相差180度的两个方位角，代表两个相反的走向，两个指纹点在同一条采集轨迹上表示它们之间存在连接关系，所有的连接关系构成拓扑关系；
其中，采用基于经验的短时磁场准静态识别方法计算航向角，包括：
S1.1：将加速度、陀螺仪、磁强数据添加至滑动窗口，窗口大小为L，窗口数据添加结束后，使用加速度判断行人是否处于静止或加速度极小状态，判断公式为：
Figure FDA0004197493740000011
其中，N为窗口内数据个数，
Figure FDA0004197493740000012
为窗口内加速度均值，acck为窗口内的第k个总加速度，通过三轴加速度的平方和开根号后得到，gyok为窗口内的第k个三轴总角速度，通过三轴角速度的平方和开根号得到，accstd为窗口内加速度和的方差，gyostd为窗口内角速度和的方差，threshold_1为第一阈值；
S1.2：当窗口内数据判别为静止或加速度极小状态时，首先计算窗口首部磁场强度与尾部磁场强度的差值Mdiffer、窗口内磁场强度的方差Mvar；
S1.3：分别计算窗口首部的翻滚角、俯仰角以及窗口尾部的翻滚角、俯仰角；
S1.4：根据磁场强度、窗口首部的翻滚角、俯仰角以及窗口尾部的翻滚角、俯仰角，计算窗口首部的航向角和窗口尾部的航向角；
S1.5：基于磁力计和加速度计算的角度变化量，包括翻滚角变化量、俯仰角变化量以及航向角变化量；
S1.6：利用陀螺仪的角速度积分数据计算三轴角度变化量；
S1.7：将基于磁力计和加速度计算的角度变化量和角速度积分数据求得的三轴角度变化量做差，得到翻滚角差值、俯仰角差值以及航向角差值；
S1.8：当窗口首部磁场强度与尾部磁场强度的差值不超过第二阈值且窗口内磁场强度的方差不超过第三阈值、翻滚角差值不超过第四阈值、俯仰角差值不超过第五阈值、航向角差值不超过第六阈值时，则将基于磁场强度和加速度均值计算的角度作为当前航向角；否则，将基于上一次航向角与陀螺仪计算的变化量作为当前航向角；
步骤S2包括：
如果上一次选择路径的方向角与当前航向角的差值小于第一航向角阈值，则输出上一次选择路径的方向角为目标航向角；
如果上一次选择路径的方向角与当前航向角的差值大于或等于第一航向角阈值，则获取前两次信号定位结果，并计算前两次信号定位结果连线的第一方向角，如果第一方向角与当前航向角的差值小于第二航向角阈值，则输出第一方向角为目标航向角；
如果第一方向角与当前航向角的差值大于或等于第二航向角阈值，则根据当前航向角选择候选路径，其中，候选路径为与上一次选择路径存在交点，并且交点到上一次定位结果距离小于距离阈值的路径，并从候选路径中选择与上一次定位结果距离的距离最近最小的目标候选路径，将目标候选路径的方向角作为目标航向角；
如果不存在候选路径，则使用上一次选择路径的方向角作为目标航向角。
2.如权利要求1所述的行人航向校正方法，其特征在于，步骤S2在构建路网时，将方向角的差值小于角度阈值且有共同点的短线段延伸整理为长线段，删除长度小于长度阈值的线段。
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