CN115134911A - 一种手机用室内外无缝定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种手机用室内外无缝定位系统及方法，包括数据采集系统、数据预处理系统和定位解算系统，其中，数据采集系统将数据采集、存储至数据集中；所述数据预处理系统是一个健忘系统，所述健忘系统表示为只能存储一段时间的数据，同时，所述数据预处理系统包括IMU数据预处理系统、WIFI数据预处理系统、图像数据预处理系统和GNSS数据预处理系统；数据集中的数据经过数据预处理系统，获得有约束条件的状态方程；最后由定位解算系统获得定位结果并进行可视化处理。本发明通过室外GNSS和惯导器件进行紧组合定位，在室内选择使用WIFI和惯性器件进行紧组合实现室内外无缝定位，同时，为了提高对环境的适应性，无论室内还是室外都选择相机进行辅助增强。
Description
技术领域
本发明涉及室内定位技术领域，具体来说，涉及一种手机用室内外无缝定位系统及方法。
背景技术
基于位置服务的应用使得定位技术受到越来越多的关注，同时对定位结果的精度提出了更高的要求。随着智能手机的普及和应用，提供多种基于位置服务的手机会成为未来大众高精度定位的主要载体。由于基于全球导航卫星系统(GNSS)的导航信号在室内很难被接收到，因此不能被用于室内定位。为解决室内定位问题，已经提出了多种技术方案，如基于WiFi、超宽带、蓝牙、惯性传感器等，与其它技术相比，WiFi因庞大的受众和低廉的价格受到更多的关注。ToA、TDoA等测距方式因时钟误差使得测距结果偏差严重，以此用来定位是极度不合理的。RTT测距方式因消除钟差带来的影响可以提供更精确的测距结果，又因存在半系统误差不能获得很好的定位结果，因此，针对高精度室内外无缝定位问题，目前尚未对此提出合理的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种手机用室内外无缝定位系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种手机用室内外无缝定位系统，其中，包括数据采集系统、数据预处理系统和定位解算系统；
其中，所述数据采集系统将数据采集、存储至数据集中；
所述数据预处理系统设计为一个健忘系统，所述健忘系统能存储一段预定长度时间的数据；所述数据预处理系统包括四个分系统：IMU数据预处理系统、WIFI数据预处理系统、图像数据预处理系统和GNSS数据预处理系统；
所述定位解算系统用于对来自所述数据预处理系统的结果进行处理，获得有约束条件的状态方程，解算得到定位结果并进行可视化处理。
根据本发明的另一方面，提出一种手机用室内外无缝定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、所述数据采集系统将数据采集、存储至数据集中，同时所述数据采集系统能够调取数据库信息并加入所述数据集中；
步骤2、所述数据采集系统将所述数据集传递给所述数据预处理系统，所述数据预处理系统包括IMU数据预处理系统、WIFI数据预处理系统、图像数据预处理系统和GNSS数据预处理系统；各个系统对应数据在数据预处理系统中获得处理，所述数据预处理系统输出结果包括健忘时间下的各个分系统下的对数据的IMU积分转化结果、WIFI信号的误差消除及反射投影结果、GNSS信号的电离层、对流层、轨道校正结果、图像的重投影结果等可被所述定位解算系统计算用的所有数据结果；
步骤3、最后所述数据预处理系统将所述数据结果全部传递给所述定位解算系统，所述定位解算系统对所述结果进行处理，获得定位结果并进行可视化处理，随后将定位结果及相关信息发送给数据集。
进一步的，所述步骤1中，所述数据集包括WIFI数据，所述WIFI数据具体包括路由器的BSSID地址、RTT、RTT方差、RSSI、时间戳，惯性导航数据包括惯性导航原始数据、优选的，所述惯性导航原始数据包括磁力计数值、重力计数值、加速度计数值、陀螺仪数值、手机硬件温度数值，同时包括对数据进行温度标定、转台标定、滤波等初步计算得加速度、角速度、角度、时间戳等参量，GNSS的伪矩信息、信号发射时间、接收时间、钟偏、与计算载波相位、积分多普勒相关信息等用于GNSS计算和校正的参量，相机提供的图像信息、时间戳信息、特征子信息、匹配子信息，同时还包括调取所有之前计算得出的任何中间环节的数据中与当前数据相关的数据库数据。
进一步的，所述IMU数据预处理系统将所述数据集提供的数据集中的IMU信息转化为加速度信息、角速度信息、时间信息外，同时还提供所述健忘系统时间下的积分结果、残差结果、协方差矩阵、校正函数雅阁比矩阵、传递函数雅阁比矩阵等信息；
进一步的，所述IMU数据预处理系统是系统触发最多的、同时也是优先级最低的处理系统，所述数据预处理系统会被来自高优先级信号预处理系统的信号打断，每次被打断，所述数据预处理系统会根据被打断前后的临界点信息以时间为尺度，线性等权分配给前后两个进程，同时根据数据计算所述被打断点处惯性信息，所述被打断点处惯性信息进入所述IMU数据预处理系统，以获得完整周期的惯性信息；
进一步的，设置多个时间尺度，最快的是IMU的采样时间，其次是SLAM，然后是WIFI，最慢的是GNSS；所述数据预处理系统优先级排序为：GNSS>WIFI>SLAM>IMU，其中当GNSS信号存在时，所述健忘系统时间由GNSS时间差决定，当GNSS信号不存在时，所述健忘系统时间由WIFI时间差决定，均为线性关系；多个时间尺度，其中对于任意两个，采样时间快的相对于采样时间慢的，相对的称为快尺度和慢尺度；
采用时间对齐，慢时间尺度的维度上对快尺度数据进行预处理；得到慢尺度下的各个传感器数据信息；再在慢尺度下对全部数据进行处理。
所述数据预处理系统优先级排序为：GNSS>WIFI>SLAM>IMU，其中当GNSS信号存在时，所述健忘系统时间由GNSS时间差决定，当GNSS信号不存在时，所述健忘系统时间由WIFI时间差决定，均为线性关系；
进一步的，所述WIFI数据预处理系统包含对WIFI-RTT数据的通讯状态变化监听、白噪声处理、相位畸变噪声处理、多路径效应处理、核化岭回归、反射投影等操作，所述通讯状态变化监听信号传递到所述定位解算系统，定位解算系统增加被估计向量，优选的，此时增加的估计向量是手机与所有路由器的相位畸变噪声，且该估计向量在稳定后会替换掉上一个状态下的相位畸变噪声值，所述WIFI数据预处理系统的输出是经过降噪处理及反射投影的WIFI-RTT观测雅阁比矩阵，残差及监听信号；
进一步的，所述图像数据预处理系统在进行视觉校准、边缘化、局部参数化、图像均衡、FAST特征点提取、剔除、计算，LK光流追踪等过程，获得图像追踪的特征点、复位信号、重投影的匹配点等信息参与所述定位解算系统的位置解算工作；
进一步的，所述GNSS数据预处理系统通过数据信息对伪矩进行校正，随后获得实时PPP定位的雅阁比方程及残差等信息参与所述定位解算系统的位置解算工作；
进一步的，所述定位解算系统带估量包括所有GNSS、WIFI、相机信号出现时刻的速度、位姿、还包括手机与路由器的相位畸变噪声。
有益效果：
本发明通过室外GNSS和惯导器件进行紧组合定位，在室内选择使用WIFI和惯性器件进行紧组合实现室内外无缝定位，同时，为了提高对环境的适应性，无论室内还是室外都选择相机进行辅助增强。本发明要在一个时间窗口下，对这个时间窗口包含的所有的可估计参数进行处理，这样做是因为考虑到数据间误差的平摊，还有待估参数之间较强的相关性，具体而言，克服了单一传感器解算结果不唯一问题，利用数据结果位置的相关性来获得唯一解。本发明可以在一个大的健忘时间维度下进行分段处理，也即一个大的健忘系统可以允许多个小的健忘系统存在，在每个小健忘系统下进行初步计算，再利用大的健忘系统下的结果平滑小的健忘系统下计算得结果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是根据本发明实施例的一种手机用室内外无缝定位系统示意图。
图中：数据采集系统1、数据预处理系统2、定位解算系统3、IMU数据预处理系统4、WIFI数据预处理系统5、图像数据预处理系统6、GNSS数据预处理系统7、数据8、结果9、数据集10、WIFI数据11、惯性导航原始数据12、校正的参量13。
具体实施方式
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
参见图1，根据本发明实施例的一种手机用室内外无缝定位系统，所述的系统包括数据采集系统1、数据预处理系统2和定位解算系统3；
其中，所述数据采集系统1将数据采集、存储至数据集10中；
所述数据预处理系统2是一个健忘系统；
所述健忘系统表示为只能存储一段预定长度时间的数据8；所述数据预处理系统2包括四个分系统：IMU数据预处理系统4、WIFI数据预处理系统5、图像数据预处理系统6和GNSS数据预处理系统7；
所述定位解算系统3对来自所述数据预处理系统2的结果9进行处理，获得有约束条件的状态方程，对获得定位结果并进行可视化处理。
根据本发明的另一实施例，提出一种手机用室内外无缝定位方法，包括如下步骤：
步骤1、所述数据采集系统将数据采集、存储至数据集中，同时所述数据采集系统能够调取数据库信息并加入所述数据集中；
步骤2、所述数据采集系统将所述数据集传递给所述数据预处理系统，所述数据预处理系统包括IMU数据预处理系统、WIFI数据预处理系统、图像数据预处理系统和GNSS数据预处理系统；各个系统对应数据在数据预处理系统中获得处理，所述数据预处理系统输出结果包括健忘时间下的各个分系统下的对数据的IMU积分转化结果、WIFI信号的误差消除及反射投影结果、GNSS信号的电离层、对流层、轨道校正结果、图像的重投影结果等可被所述定位解算系统计算用的所有数据结果；其中，WIFI信号的误差消除及反射投影结果、GNSS信号的电离层、对流层、轨道校正结果、图像的重投影结果等可以采用已有的技术；
步骤3、最后所述数据预处理系统将所述数据结果全部传递给所述定位解算系统，所述定位解算系统对所述结果进行处理，获得定位结果并进行可视化处理，随后将定位结果及相关信息发送给数据集。
根据本发明的另一个实施例，所述数据集10包括WIFI数据11，所述WIFI数据11具体包括路由器的BSSID地址、RTT、RTT方差、RSSI、时间戳，惯性导航数据包括惯性导航原始数据、优选的，所述惯性导航原始数据12包括磁力计数值、重力计数值、加速度计数值、陀螺仪数值、手机硬件温度数值，同时包括对数据进行温度标定、转台标定、滤波等初步计算得加速度、角速度、角度、时间戳等参量，GNSS的伪矩信息、信号发射时间、接收时间、钟偏、与计算载波相位、积分多普勒相关信息等用于GNSS计算和校正的参量13，相机提供的图像信息、时间戳信息、特征子信息、匹配子信息等，同时还包括调取所有之前计算得出的任何中间环节的数据中与当前数据相关的数据库数据。
根据本发明的另一个实施例，所述IMU数据预处理系统将所述数据集提供的数据集中的IMU信息转化为加速度信息、角速度信息、时间信息外，同时还提供所述健忘系统时间下的积分结果，即在健忘系统设计的时间内对数据进行积分、残差结果、协方差矩阵、校正函数雅阁比矩阵、传递函数雅阁比矩阵等信息；所述的积分结果是在慢尺度时间窗口下，对数据间信息进行时间维度上的空间域勾连，会出现不同时间单位的积分结果。总体目的是提供数据间的连续性。短暂的时间积分可以减轻对IMU误差累计的关注度。同时，短时可信赖的IMU信息可以提供高优先级传感器信息在时间维度的空间连续性；
根据本发明的另一个实施例，所述IMU数据预处理系统是系统触发最多的、同时也是优先级最低的处理系统，所述数据预处理系统会被来自高优先级信号预处理系统的信号打断，每次被打断，所述数据预处理系统会根据被打断前后的临界点信息以时间为尺度，线性等权分配给前后两个进程，同时根据数据计算所述被打断点处惯性信息，所述被打断点处惯性信息进入所述IMU数据预处理系统，以获得完整周期的惯性信息；
根据本发明的另一个实施例，所述数据预处理系统优先级排序为：GNSS>WIFI>SLAM>IMU，其中当GNSS信号存在时，所述健忘系统时间由GNSS时间差决定，当GNSS信号不存在时，所述健忘系统时间由WIFI时间差决定，均为线性关系；
本发明的实施例中，首先有设置多个时间尺度，最快的是IMU时间，采样频率是100HZ，其次是SLAM，采样频率是10HZ，WIFI采样频率是5HZ，GNSS采样频率是1HZ。
本发明中采用时间对齐，让快尺度来适应慢尺度。可以看作在慢时间尺度的维度上对快尺度数据进行预处理。得到慢尺度下的各个传感器数据信息。
再在慢尺度下对全部数据进行处理。
前面已经提到本发明是在一个时间窗口下对数据进行综合处理。这个时间窗口是适应慢尺度的，所述的慢尺度即为是本发明的传感器优先级顺序。本发明要在一个时间窗口下，对这个时间窗口包含的所有的可估计参数进行处理，这样做是因为考虑到数据间误差的平摊，还有待估参数之间较强的相关性，具体而言，克服了单一传感器解算结果不唯一问题，利用数据结果位置的相关性来获得唯一解。
所以这个健忘系统设置的时间长度是一个跟慢尺度时间相关的，具体而言，是满慢尺度时刻的若干倍，例如，本发明可选的是采用15倍最高慢尺度。也就是，最多是15s左右大小的是时间范围，也就是本发明的健忘系统的健忘时间是15s，但是针对WIFI来说，这个健忘时间不到2s。
所以，可以在一个大的健忘时间维度下进行分段处理，也即一个大的健忘系统可以允许多个小的健忘系统存在，在每个小健忘系统下进行初步计算，再利用大的健忘系统下的结果平滑小的健忘系统下计算得结果。
根据本发明的另一个实施例，所述WIFI数据预处理系统包含对WIFI-RTT数据的通讯状态变化监听、白噪声处理、相位畸变噪声处理、多路径效应处理、核化岭回归、反射投影等操作，所述通讯状态变化监听信号传递到所述定位解算系统，定位解算系统增加被估计向量，优选的，此时增加的估计向量是手机与所有路由器的相位畸变噪声，且该估计向量在稳定后会替换掉上一个状态下的相位畸变噪声值，所述WIFI数据预处理系统的输出是经过降噪处理及反射投影的WIFI-RTT观测雅阁比矩阵，残差及监听信号；
根据本发明的一个实施例，所述图像数据预处理系统在进行视觉校准、边缘化、局部参数化、图像均衡、FAST特征点提取、剔除、计算，LK光流追踪等过程，获得图像追踪的特征点、复位信号、重投影的匹配点等信息参与所述定位解算系统的位置解算工作；
根据本发明的一个实施例，所述GNSS数据预处理系统通过数据信息对伪矩进行校正，随后获得实时PPP定位的雅阁比方程及残差等信息参与所述定位解算系统的位置解算工作；
根据本发明的一个实施例，所述定位解算系统待估量包括所有GNSS、WIFI、相机信号出现时刻的速度、位姿、还包括手机与路由器的相位畸变噪声。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种手机用室内外无缝定位系统，其特征在于，包括数据采集系统、数据预处理系统和定位解算系统；
其中，所述数据采集系统将数据采集、存储至数据集中；
所述数据预处理系统设计为一个健忘系统，所述健忘系统能存储一段预定长度时间的数据；所述数据预处理系统包括四个分系统：IMU数据预处理系统、WIFI数据预处理系统、图像数据预处理系统和GNSS数据预处理系统；
所述定位解算系统用于对来自所述数据预处理系统的结果进行处理，获得有约束条件的状态方程，解算得到定位结果并进行可视化处理。
2.一种手机用室内外无缝定位方法，利用权利要求1所述的系统，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、所述数据采集系统将数据采集、存储至数据集中，同时所述数据采集系统能够调取数据库信息并加入所述数据集中；
步骤2、所述数据采集系统将所述数据集传递给所述数据预处理系统，所述数据预处理系统包括IMU数据预处理系统、WIFI数据预处理系统、图像数据预处理系统和GNSS数据预处理系统；在数据预处理系统中对数据进行预处理，所述数据预处理系统输出结果包括可被所述定位解算系统计算用的所有数据结果：健忘时间下的各个分系统下的对数据的IMU积分转化结果、WIFI信号的误差消除及反射投影结果、GNSS信号的电离层、对流层、轨道校正结果、图像的重投影结果；
步骤3、最后所述数据预处理系统将所述数据结果全部传递给所述定位解算系统，所述定位解算系统对所述结果进行处理，获得定位结果并进行可视化处理，随后将定位结果及相关信息发送给数据集。
3.根据权利要求2所述的一种手机用室内外无缝定位方法，其特征在于，所述步骤1中，所述数据集包括WIFI数据，所述WIFI数据具体包括路由器的BSSID地址、RTT、RTT方差、RSSI、时间戳，惯性导航数据包括惯性导航原始数据，所述惯性导航原始数据包括磁力计数值、重力计数值、加速度计数值、陀螺仪数值、手机硬件温度数值，同时包括对数据进行温度标定、转台标定、滤波的初步计算得加速度、角速度、角度、时间戳参量，GNSS的伪矩信息、信号发射时间、接收时间、钟偏、与计算载波相位、积分多普勒相关信息用于GNSS计算和校正的参量，相机提供的SLAM图像信息、时间戳信息、特征子信息、匹配子信息，同时还包括调取所有之前计算得出的任何中间环节的数据中与当前数据相关的数据库数据。
4.根据权利要求3所述的一种手机用室内外无缝定位方法，其特征在于，所述IMU数据预处理系统将所述数据集提供的数据集中的IMU信息转化为加速度信息、角速度信息、时间信息外，同时还提供所述健忘系统时间下的积分结果、残差结果、协方差矩阵、校正函数雅阁比矩阵、传递函数雅阁比矩阵信息。
5.根据权利要求4所述的一种手机用室内外无缝定位方法，其特征在于，所述IMU数据预处理系统是系统触发最多的、同时也是优先级最低的处理系统，所述数据预处理系统会被来自高优先级信号预处理系统的信号打断，每次被打断，所述数据预处理系统会根据被打断前后的临界点信息以时间为尺度，线性等权分配给前后两个进程，同时根据数据计算所述被打断点处惯性信息，所述被打断点处惯性信息进入所述IMU数据预处理系统，以获得完整周期的惯性信息。
6.根据权利要求3所述的一种手机用室内外无缝定位方法，其特征在于，
设置多个时间尺度，最快的是IMU的采样时间，其次是SLAM，然后是WIFI，最慢的是GNSS；所述数据预处理系统优先级排序为：GNSS>WIFI>SLAM>IMU，其中当GNSS信号存在时，所述健忘系统时间由GNSS时间差决定，当GNSS信号不存在时，所述健忘系统时间由WIFI时间差决定，均为线性关系；多个时间尺度，其中对于任意两个，采样时间快的相对于采样时间慢的，相对的称为快尺度和慢尺度；
采用时间对齐，慢时间尺度的维度上对快尺度数据进行预处理；得到慢尺度下的各个传感器数据信息；再在慢尺度下对全部数据进行处理。
7.根据权利要求3所述的一种手机用室内外无缝定位方法，其特征在于，所述WIFI数据预处理系统包含对WIFI-RTT数据的通讯状态变化监听、白噪声处理、相位畸变噪声处理、多路径效应处理、核化岭回归、反射投影等操作，所述通讯状态变化监听信号传递到所述定位解算系统，定位解算系统增加被估计向量，此时增加的估计向量是手机与所有路由器的相位畸变噪声，且该估计向量在稳定后会替换掉上一个状态下的相位畸变噪声值，所述WIFI数据预处理系统的输出是经过降噪处理及反射投影的WIFI-RTT观测雅阁比矩阵，残差及监听信号。
8.根据权利要求3所述的一种手机用室内外无缝定位方法，其特征在于，所述图像数据预处理系统在进行视觉校准、边缘化、局部参数化、图像均衡、FAST特征点提取、剔除、计算，LK光流追踪过程，获得图像追踪的特征点、复位信号、重投影的匹配点信息参与所述定位解算系统的位置解算工作。
9.根据权利要求3所述的一种手机用室内外无缝定位方法，其特征在于，所述GNSS数据预处理系统通过数据信息对伪矩进行校正，随后获得实时定位PPP定位的雅阁比方程及残差信息参与所述定位解算系统的位置解算工作。
10.根据权利要求3所述的一种手机用室内外无缝定位方法，其特征在于，所述定位解算系统待估量包括所有GNSS、WIFI、相机信号出现时刻的速度、位姿、还包括手机与路由器的相位畸变噪声。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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