CN117537774A - 一种基于imu和气压数据的室内定位方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于IMU和气压数据的室内定位方法与装置。该方法包括：获取当前时刻目标对象对应的加速度数据；根据加速度数据确定目标对象是否处于静止状态；在根据加速度数据确定目标对象在非静止状态的情况下，获取目标对象在一定时间范围内对应的一系列气压数据；根据一系列气压数据确定其对应的一系列高度数据；根据一系列高度数据确定目标对象是否处于平路行走、上楼或下楼状态。本发明提供的方法，协同气压传感器和IMU传感器来确定目标对象的运动状态，最终实现了对目标对象的高精度室内高度定位。

Description

一种基于IMU和气压数据的室内定位方法与装置

技术领域

本发明涉及室内定位技术领域，尤其涉及一种基于IMU和气压数据的室内定位方法与装置。

背景技术

随着信息技术和物联网技术的发展，位置服务也越来越受到社会的关注。位置服务中的核心服务为定位技术。在室外，主要采用的定位技术以GNSS(Global NavigationSatellite System)技术。而到了室内，由于建筑物等遮挡、室内环境结构复杂的原因，导致GNSS定位系统在室内的定位标签不佳；因此以iBeacon、zigbee、WIFI、UWB等室内定位技术应运而生。

但室内定位由于其室内环境的复杂性、多样性等原因，导致了室内定位在高度上的精度不够，因此需要一种精度高的室内高度定位方法。

发明内容

本发明提供一种基于IMU和气压数据的室内定位方法与装置，用以解决现有技术中的室内定位在高度上不够精确的缺陷。

本发明提供一种基于IMU和气压数据的室内定位方法，包括：

根据本发明提供的一种基于IMU和气压数据的室内定位方法，包括：

获取当前时刻目标对象对应的加速度数据；

根据所述加速度数据确定目标对象是否处于静止状态；

在根据所述加速度数据确定目标对象在非静止状态的情况下，获取目标对象在一定时间范围内对应的一系列气压数据；所述一系列气压数据包括：若干采样时间点、以及每个采样时间点对应的气压数值；

根据所述一系列气压数据确定其对应的一系列高度数据；所述一系列高度数据包括：采样时间点、以及每个时间点对应的海拔高度；X＝[1,2,...,n]，Y＝[h₁,h₂,h...,h_n]，其中，X为采样的时间点数据集，Y为每个时间点对应的海拔高度数据集；

根据所述一系列高度数据确定目标对象是否处于平路行走、上楼或下楼状态。

根据本发明提供的一种基于IMU和气压数据的室内定位方法，所述根据所述加速度数据确定目标对象是否处于静止状态包括：

根据所述加速度数据确定目标对象在当前时刻对应的合力加速度g；其中，x、y、z分别为加速度计在x、y、z轴三个方向的加速度数值；

判断所述合力加速度g是否小某一预设值，在所述合力加速度g小于所述预设值的情况下，确定所述目标对象处于非静止状态。

根据本发明提供的一种基于IMU和气压数据的室内定位方法，在所述合力加速度g大于所述预设值的情况下，确定所述目标对象处于静止状态。

根据本发明提供的一种基于IMU和气压数据的室内定位方法，所述根据所述一系列气压数据确定其对应的一系列高度数据包括：

根据每个时间点对应的气压数据确定其对应的初始海拔高度h：

其中，p为采用气压传感器采集的实际气压数值，P₀为标准大气压；

对所有所述初始海拔高度h进行低通滤波，得到对应的一系列高度数据。

根据本发明提供的一种基于IMU和气压数据的室内定位方法，(所述根据所述一系列高度数据确定目标对象是否处于上楼或下楼状态包括：

假设一段时间内的气压随时间变化的关系为y＝f(x)＝ax+b的关系，其中，x为所述采样的时间点数据集对应的数据；y为所述每个时间点对应的海拔高度数据集对应的数据；

用最小二乘计算结果，需要一组(a,b)能使以下方程组成立

从而建立模型如下：然后对自变量a,b求偏导，并令其为0：

化简得：

最后代入对应的(n,h_n)即可得到斜率a和截距b；

根据所述斜率a确定目标对象是否处于平路行走、上楼或下楼状态。

根据本发明提供的一种基于IMU和气压数据的室内定位方法，所述根据所述斜率a确定目标对象是否处于上楼或下楼状态包括：

在|a|小于设定门限的情况下，则认为目标对象当前运动是处于平路行走，气压变化的高度是由温漂引起的；在所述|a|大于设定门限的情况下，则认为目标对象当前运动是上楼或下楼。

根据本发明提供的一种基于IMU和气压数据的室内定位方法，所述在所述|a|大于设定门限的情况下，则认为目标对象当前运动是上楼或下楼包括：

根据所述一系列高度数据，确定目标对象第一次检测到运动状态的时刻，记录的初始高度数据Lh₀；

根据所述一系列高度数据，确定目标对象从第一次检测到运动状态到变为静止状态的时刻，其对应的最终高度数据Lh₁；

根据所述初始高度数据Lh₀和所述最终高度数据Lh₁，确定目标对象在本次运动时间内的高度差Δh₁，Δh₁＝LH₁-LH₀

在所述高度差Δh₁大于0的情况下，确定目标对象当前运动是上楼；在所述高度差Δh₁小于0的情况下，确定目标对象当前运动是下楼。

本发明还提供一种基于IMU和气压数据的室内定位装置，包括：

获取单元，用于获取当前时刻目标对象对应的加速度数据；

确定单元，用于根据所述加速度数据确定目标对象是否处于静止状态；

所述获取单元，还用于在根据所述加速度数据确定目标对象在非静止状态的情况下，获取目标对象在一定时间范围内对应的一系列气压数据；所述一系列气压数据包括：若干采样时间点、以及每个采样时间点对应的气压数值；

所述确定单元，还用于根据所述一系列气压数据确定其对应的一系列高度数据；所述一系列高度数据包括：采样时间点、以及每个时间点对应的海拔高度；X＝[1,2,...,n]，Y＝[h₁,h₂,h...,h_n]，其中，X为采样的时间点数据集，Y为每个时间点对应的海拔高度数据集；

所述确定单元，还用于根据所述一系列高度数据确定目标对象是否处于平路行走、上楼或下楼状态。

本发明提供的基于IMU和气压数据的室内定位方法与装置，首先通过获取目标对象的加速度数据来确定目标对象是否处于静止状态；然后再通过获取目标对象在一定时间范围内对应的一系列气压数据来确定目标对象是否处于平路行走、上楼或下楼状态，该方法协同气压传感器和IMU传感器来确定目标对象的运动状态，最终实现了对目标对象的高精度室内高度定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，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为某地一天的测量到的气压-高度变化曲线图；

图2为本发明提供的基于IMU和气压数据的室内定位方法流程图；

图3是“平路行走-静止-上楼-下楼-上楼-下楼”的运动测量状态图；

图4是从高度为4米的楼梯连续“上楼-下楼”两次动作的测量结果曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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作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。

在室内定位中，由于相邻楼层高度差最小可能不足3米；且在定位方案的实施中，客户考虑成本问题，往往采用的是二维布站方案来控制基站的数量。而使用常规的二维定位方法，容易出现定位信号窜楼层的情形，在镂空楼层的情况下尤为明显，导致定位结果是上下楼层无法分辨的问题。常规办法是使用气压测量或加速度惯导计算等方案来测量高度，不过两者的测量方式都有局限性，例如气压测量的气压可以通过气压-高度转换公式换算为海拔高度，但随着环境温湿度的变化，图1为某地一天的测量到的气压-高度变化曲线图，如图1所示，最终结果仍然有几米到几十米的高度误差。但也有好处就是气压不会突变，是一个缓慢变化的过程。而单独使用加速度计也存在一些问题，例如积分漂移非常严重，但响应速度快。因此，这些便携、低成本的高度测量方案中，不能够直接使用单一的传感数据作为高度的判断。

在业内，也有使用加速度计来进行室内高度定位的方法，但常规情况下，例如移动设备使用的挂绳等佩戴方式，导致行走时，设备(加速度计)本身会来回摇晃翻转等状态。因此加速度计的测量基准是不断地在变化的，只能测量到加速度是否处于运动状态。而上下楼和平路走路几乎只有加速度幅值的区分，但幅值的差异不大；同时因目标对象行走速度的快慢以及不同的人所表现出来的状态均不一致，因此不能采用固定阈值来直接区分当前运动状态是上下楼状态，还是平路行走状态。

因此本发明提出了一种基于IMU和气压数据融合的室内高度定位方法及装置，该方法主要是通过加速度计的运动状态触发对气压计10Hz频率的采样动作，然后通过计算最近20条采样数据计算出均值和方差以进行低通滤波，最后再通过最小二乘拟合当气压的变化趋势通过拟合出来的曲线斜率来判定当前是处于上下楼、平路行走状态；由此方法即可消除如上所述的“行走速度的快慢”或“不同的人”行走表现出加速度计状态不统一的问题；而且本发明提供的方法为逻辑计算和最小二乘计算，因此计算量极低，大大提高了室内定位的检测效率，非常适合这种资源受限设备。

图2为本发明提供的基于IMU和气压数据的室内定位方法流程图，如图2所示，该方法包括如下步骤：

步骤201：获取当前时刻目标对象对应的加速度数据。

具体地，本发明为了对目标对象进行室内高度定位，采用的设备有：气压传感器、IMU传感器，处理器。其中IMU传感器包含有加速度计，该加速度计可进行运动静止检测、唤醒功能。当IMU传感器检测到目标对象处于运动状态，则立即触发处理器以使其被唤醒。处理器会周期性的采集环境气压数据以及IMU中的加速度数据。然后将采集到的样本数据(气压数据和加速度数据)通过多分类器融合计算，最终得到比较精确的楼层高度信息。

本发明首先通过IMU传感器获取目标对象在某一时刻的加速度数据。

步骤202：根据所述加速度数据确定目标对象是否处于静止状态。

具体地，本发明通过IMU传感器获取的加速度数据为分别在x、y、z轴三个方向的加速度数值，然后将该三个方向的加速度数值进行处理，得到合力加速度g，最终根据该合力加速度g来判断目标对象是否处于非静止状态，判断的方法具体为：

判断所述合力加速度g是否小某一预设值，在所述合力加速度g小于所述预设值的情况下，确定所述目标对象处于非静止状态。在所述合力加速度g大于所述预设值的情况下，确定所述目标对象处于静止状态。

步骤203：在根据所述加速度数据确定目标对象在非静止状态的情况下，获取目标对象在一定时间范围内对应的一系列气压数据；所述一系列气压数据包括：若干采样时间点、以及每个采样时间点对应的气压数值。

具体地，本发明通过气压传感器获取目标对象最近的n条采样气压数据,本发明以最近20条气压数据为例来对本发明方案进行阐述，该20条采样气压数据包括：20个采样时间点，每个采样时间点对应一个气压数值。

步骤204：根据所述一系列气压数据确定其对应的一系列高度数据；所述一系列高度数据包括：采样时间点、以及每个时间点对应的海拔高度；X＝[1,2,...,n]，Y＝[h₁,h₂,h...,h_n]，其中，X为采样的时间点数据集，Y为每个时间点对应的海拔高度数据集。

具体地，一般情况，定点的气压变化主要是受环境温度的变化而变化，通常环境温度不会突变，因此可以设某段短时间内的温度变化是线性的，即通过“气压-高度”转换公式获得的高度因温度产生的漂移变化也是线性关系。

下面对如何跟所述一系列气压数据确定其对应的一系列高度数据进行详细介绍，该方法包括如下步骤：

步骤1)：按照10Hz的频率采集气压数据，并将采集的气压数据通过压强与海高度的转换关系进行转换为海拔高度。其中p为当前的气压数值，P₀为标准大气压，最终得到的海拔高度单位为米。

步骤2)：将通过“气压-高度”转换关系得到的高度进行低通滤波，得到低通滤波后的高度h，其低通滤波的方式如下：

计算最近n条数据的均值和标准差，将数值在(h_average±h_stdev)之外的剔除。均值和标准差计算公式如下：

步骤3)：将低通滤波后的最近的n条高度数据{h₁,h₂,h...,h_n}进行趋势拟合，其拟合的方法具体如下：

设X＝[1,2,...,n]，其中，1-n表示采样的时间点，Y＝[h₁,h₂,h...,h_n]，h₁表示在采样时间点为1的时候，对应的高度h，该高度h为利用步骤1)中的公式转换得到的海拔高度。

假设一段时间内的气压随时间变化是关系为y＝f(x)＝ax+b的关系。用最小二乘计算结果，即需要一组(a,b)能使以下方程组尽量成立

可建立模型如下：

然后对自变量a,b求偏导，并令其为0：

化简可得：

最后代入对应的(n,h_n)即可得到a和b的数值，其中，a表示斜率，b表示截距，因此，本发明通过气压的变化趋势的斜率数值a来判定目标对象是否是经过了上下楼的动作。

步骤205：根据所述一系列高度数据确定目标对象是否处于平路行走、上楼或下楼状态。

具体地，在|a|小于设定门限的情况下，则认为目标对象当前运动是处于平路行走，气压变化的高度是由温漂引起的；在所述|a|大于设定门限的情况下，则认为目标对象当前运动是上楼或下楼。

进一步地，下面对如何根据所述|a|来目标对象当前运动是上楼或下楼进行详细的介绍，该方法包括如下步骤：

根据所述一系列高度数据，确定目标对象第一次检测到运动状态的时刻，记录的初始高度数据Lh₀；

根据所述一系列高度数据，确定目标对象从第一次检测到运动状态到变为静止状态的时刻，其对应的最终高度数据Lh₁；

根据所述初始高度数据Lh₀和所述最终高度数据Lh₁，确定目标对象在本次运动时间内的高度差Δh₁，Δh₁＝LH₁-LH₀

在所述高度差Δh₁大于0的情况下，确定目标对象当前运动是上楼；在所述高度差Δh₁小于0的情况下，确定目标对象当前运动是下楼。

本发明解决了在室内定位应用场景中，目前对相对高度的测量不准确问题。同时基于加速度计和气压计的相关处理运算，能够克服单一加速度积分漂移和累积误差大、气压缓慢变化和漂移问题、克服上下楼气压边和定点或平路行走下因为温度变化而引起气压变化导致无法区分问题。

图3是“平路行走-静止-上楼-下楼-上楼-下楼”的运动测量状态图，通过计算得到加速度g与气压转换得到的高度变化趋势关系，其中平路状态下，其中加速度g低于100的时候，认为是处于静止状态，高于100的处于运动状态。可从图中看出，平路行走或静止，斜率a的数值均在±0.01范围内，而当上下楼的时候，则斜率a很快会超出±0.01的范围。因此很好就能分辨出平路运动、静止、上下楼的动作，解决了运动状态下不能识别气压变化是因为上下楼引起的问题还是温漂导致的气压变化。

图4是从高度为4米的楼梯连续“上楼-下楼”两次动作的测量结果曲线图，其中g为加速度的实时状态数据，h为利用本申请方法得到的当前相对高度。从图中可以看出，本发明方法测试结果精度误差小，一致性也较好。非常适合室内定位应用。

下面对本发明提供的基于IMU和气压数据的室内定位装置进行描述，下文描述的基于IMU和气压数据的室内定位装置与上文描述的基于IMU和气压数据的室内定位方法可相互对应参照。

一种基于IMU和气压数据的室内定位装置，包括：

获取单元，用于获取当前时刻目标对象对应的加速度数据；

确定单元，用于根据所述加速度数据确定目标对象是否处于静止状态；

所述获取单元，还用于在根据所述加速度数据确定目标对象在非静止状态的情况下，获取目标对象在一定时间范围内对应的一系列气压数据；所述一系列气压数据包括：若干采样时间点、以及每个采样时间点对应的气压数值；

所述确定单元，还用于根据所述一系列气压数据确定其对应的一系列高度数据；所述一系列高度数据包括：采样时间点、以及每个时间点对应的海拔高度；X＝[1,2,...,n]，Y＝[h₁,h₂,h...,h_n]，其中，X为采样的时间点数据集，Y为每个时间点对应的海拔高度数据集；

所述确定单元，还用于根据所述一系列高度数据确定目标对象是否处于平路行走、上楼或下楼状态。

最后应说明的是：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 (8)

1.一种基于IMU和气压数据的室内定位方法，其特征在于，包括：

获取当前时刻目标对象对应的加速度数据；

根据所述加速度数据确定目标对象是否处于静止状态；

在根据所述加速度数据确定目标对象在非静止状态的情况下，获取目标对象在一定时间范围内对应的一系列气压数据；所述一系列气压数据包括：若干采样时间点、以及每个采样时间点对应的气压数值；

根据所述一系列气压数据确定其对应的一系列高度数据；所述一系列高度数据包括：采样时间点、以及每个时间点对应的海拔高度；X＝[1,2,...,n]，Y＝[h₁,h₂,h...,h_n]，其中，X为采样的时间点数据集，Y为每个时间点对应的海拔高度数据集；

根据所述一系列高度数据确定目标对象是否处于平路行走、上楼或下楼状态。

2.根据权利要求1所述的基于IMU和气压数据的室内定位方法，其特征在于，所述根据所述加速度数据确定目标对象是否处于静止状态包括：

根据所述加速度数据确定目标对象在当前时刻对应的合力加速度g；其中，x、y、z分别为加速度计在x、y、z轴三个方向的加速度数值；

判断所述合力加速度g是否小某一预设值，在所述合力加速度g小于所述预设值的情况下，确定所述目标对象处于非静止状态。

3.根据权利要求1所述的基于IMU和气压数据的室内定位方法，其特征在于，在所述合力加速度g大于所述预设值的情况下，确定所述目标对象处于静止状态。

4.根据权利要求1所述的基于IMU和气压数据的室内定位方法，其特征在于，所述根据所述一系列气压数据确定其对应的一系列高度数据包括：

根据每个时间点对应的气压数据确定其对应的初始海拔高度h：

其中，p为采用气压传感器采集的实际气压数值，P₀为标准大气压；

对所有所述初始海拔高度h进行低通滤波，得到对应的一系列高度数据。

5.根据权利要求1-4任一所述的基于IMU和气压数据的室内定位方法，其特征在于，所述根据所述一系列高度数据确定目标对象是否处于上楼或下楼状态包括：

假设一段时间内的气压随时间变化的关系为y＝f(x)＝ax+b的关系，其中，x为所述采样的时间点数据集对应的数据；y为所述每个时间点对应的海拔高度数据集对应的数据；

用最小二乘计算结果，需要一组(a,b)能使以下方程组成立

从而建立模型如下：

然后对自变量a,b求偏导，并令其为0：

化简得：

最后代入对应的(n,h_n)即可得到斜率a和截距b；

根据所述斜率a确定目标对象是否处于平路行走、上楼或下楼状态。

6.根据权利要求5所述的基于IMU和气压数据的室内定位方法，其特征在于，所述根据所述斜率a确定目标对象是否处于上楼或下楼状态包括：

在|a|小于设定门限的情况下，则认为目标对象当前运动是处于平路行走，气压变化的高度是由温漂引起的；在所述|a|大于设定门限的情况下，则认为目标对象当前运动是上楼或下楼。

7.根据权利要求6所述的基于IMU和气压数据的室内定位方法，其特征在于，所述在所述|a|大于设定门限的情况下，则认为目标对象当前运动是上楼或下楼包括：

根据所述一系列高度数据，确定目标对象第一次检测到运动状态的时刻，记录的初始高度数据Lh₀；

根据所述一系列高度数据，确定目标对象从第一次检测到运动状态到变为静止状态的时刻，其对应的最终高度数据Lh₁；

根据所述初始高度数据Lh₀和所述最终高度数据Lh₁，确定目标对象在本次运动时间内的高度差Δh₁，Δh₁＝LH₁-LH₀

在所述高度差Δh₁大于0的情况下，确定目标对象当前运动是上楼；在所述高度差Δh₁小于0的情况下，确定目标对象当前运动是下楼。

8.一种基于IMU和气压数据的室内定位装置，其特征在于，包括：

获取单元，用于获取当前时刻目标对象对应的加速度数据；

确定单元，用于根据所述加速度数据确定目标对象是否处于静止状态；

所述获取单元，还用于在根据所述加速度数据确定目标对象在非静止状态的情况下，获取目标对象在一定时间范围内对应的一系列气压数据；所述一系列气压数据包括：若干采样时间点、以及每个采样时间点对应的气压数值；

所述确定单元，还用于根据所述一系列气压数据确定其对应的一系列高度数据；所述一系列高度数据包括：采样时间点、以及每个时间点对应的海拔高度；X＝[1,2,...,n]，Y＝[h₁,h₂,h...,h_n]，其中，X为采样的时间点数据集，Y为每个时间点对应的海拔高度数据集；

所述确定单元，还用于根据所述一系列高度数据确定目标对象是否处于平路行走、上楼或下楼状态。