CN207036121U - 一种基于wifi/惯性定位的室内定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型请求保护一种基于WIFI/惯性定位的室内定位装置，其包括便捷式移动定位终端及外部AP设备，所述便捷式移动定位终端包括传感器模块、控制单元、控制单元、第一AP信号发射接收模块、供电模块及显示装置，所述AP设备包括第二AP信号发射接收模块、控制单元数据采集整理传输模块，其中传感器模块有：三轴加速度计、陀螺仪、磁力计及气压计，控制单元，所述控制单元分别与传感器模块、第一AP信号发射与接收模块、供电模块及显示装置相连接，所述第一AP信号发射与第二AP信号发射接收模块相连接，第二AP信号发射接收模块与控制单元数据采集整理传输模块相连接。本装置系统定位精度高，稳定性好且不受GPS信号的影响，适用性强。

Description

一种基于WIFI/惯性定位的室内定位装置

技术领域

本实用新型涉及传感器应用技术领域，具体是一种应用于室内定位的装置。

背景技术

随着现代社会的不断发展，大型建筑日益增多，人们在室内的活动时间也越来越长，据诺基亚公司的报告显示，人们87％-90％的时间都是在室内度过。但是由于室内空间结构越来越庞大和复杂，依靠GPS的定位无法满足日常使用中对于精度的要求。室内定位多使用WiFi定位及惯性定位。WiFi定位先多为根据三个及以上无线AP接入点的信号强度来计算物体的地理位置信息。目前，很多大型的建筑物内已经覆盖了WiFi无线信号，比如首都机场、高铁站等。许多公司都在研究属于自己的WiFi定位产品，比如Cisco，Ekahau等。随着人们对室内定位需求的不断增加，出现了很多独具特色的使用WiFi进行定位的公司，如Wifislam、智慧图等；惯性定位则是把智能手机内置的惯性传感器采集到的数据进行计算获取手机的地理位置信息。该定位技术的初始状态需要人为设定，在手机上的惯性传感器采集到的数据含噪声，且在长时间定位会出现累积误差的情况，定位效果不好。为获得稳定的数据，越来越多的研究人员把该方法与其他定位技术进行组合，进行联合定位。

针对以上实际情况，综合考虑现有技术的各种缺陷，如：对WiFi定位而言，若AP点少于三个时，无法确定其准确位置。对惯性定位而言，长时间的积分会出现较大误差。现对WiFi定位与惯性定位相结合，系统采用的硬件是WiFi接收、发射端及惯性传感器，当AP点少于三个时，可通过惯性传感器所得定位结果对其修正；当惯性传感器产生误差时，也可通过WiFi定位结果对其做误差消除。

发明内容

本实用新型旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种系统定位精度高，稳定性好且不受GPS信号的影响且适用性强的基于WIFI/惯性定位的室内定位装置。本实用新型的技术方案如下：

一种基于WIFI/惯性定位的室内定位装置，其包括便捷式移动定位终端及外部AP设备，所述便捷式移动定位终端包括传感器模块、控制单元、第一AP信号发射接收模块、供电模块及显示装置，所述AP设备包括第二AP信号发射接收模块、控制单元数据采集整理传输模块，其中传感器模块有：三轴加速度计、陀螺仪、磁力计及气压计，控制单元，所述控制单元分别与传感器模块、第一 AP信号发射接收模块、供电模块及显示装置相连接，所述第一AP信号发射与第二AP信号发射接收模块相连接，第二AP信号发射接收模块与控制单元数据采集整理传输模块相连接。

进一步的，所述便捷式移动定位终端为一块电路板，所述传感器模块、控制单元、供电模块、第一AP信号发射与接收模块均集成于所述电路板上。

进一步的，所述第一AP信号发射接收模块与第二AP信号发射接收模块相连接的方式为无线WiFi连接。

进一步的，所述AP设备的个数大于等于一个。

进一步的，当AP设备为一个时，仅能够确定用户位于以AP设备为球心的球表面，此时结合惯性定位结果并通过卡尔曼滤波处理则可得到用户的具体位置；当AP设备为两个时，AP信号结合无法确定在空间中的具体位置，仅能够实现确定用户的位置在以AP设备为球心的两个球相交的圆周上，此时结合惯性定位结果，再通过卡尔曼滤波算法处理，可得出用户在室内的具体位置。

本实用新型的优点及有益效果如下：

本实用新型基于WiFi和惯性定位的室内定位系统，利用移动手持定位终端的加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计测量出各种姿态信息，控制单元将上述测得的数据综合处理生成可穿戴式移动定位终端相对于初始位置在三维空间内的移动轨迹，并结合WiFi定位消除惯性定位所产生的误差。将所述三维空间内的定位结果数据传输至所述显示装置进行显示。本系统定位精度高，稳定性好且不受GPS信号的影响且适用性强，具有广泛的推广价值与应用前景。

附图说明

图1是本实用新型提供优选实施例基于WiFi与惯性定位的室内定位装置示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是：

一种基于WiFi与惯性定位的室内定位装置，包括便捷式移动定位终端及外部AP(access point)设备，所述便捷式移动定位终端包括惯性传感器模块、控制单元数据采集、处理、传输模块、供电模块及信号发射接收模块，其中传感器模块有：三轴加速度计，通过应用牛顿第二定律对时间二次积分测量用户在平面内移动距离；陀螺仪，用于测量所述便捷式移动定位终端的转动角度；磁力计，用于测量相对于地轴的绝对偏转角度；气压计，利用现已经成熟的高度结算算法测量便捷式移动定位终端在竖直方向上的移动高度；数据采集与处理模块包括：数据采集与后处理模块包括：控制单元，所述控制单元与三轴加速度计、三轴磁力计、三轴陀螺仪、气压计数据连接，用于接收上述测量数据，并对所述测量数据利用现已成熟的多方位运动三维定位算法和重力梯度辅助算法进行综合处理，精确生成所述可穿戴式移动定位终端相对于起始位置在三维空间内的移动轨迹；AP信号发射与接收模块，所述信号发射与接收模块是指通过接收并与空间中已布置的AP信号发射器指向发送的AP信号；系统中所包含传感器均与控制单元数据连接，控制单元主要作用在于对便捷式移动定位终端所含模块采集的数据处理及用于将所述处理后的数据传输给显示装置。显示装置为一个已经成功自主研制出来的辅助显示软件系统，所述显示装置用以显示所述三维空间内的移动轨迹。所述AP设备包括AP信号接收与发射模块，控制单元数据采集、狐狸、传输模块。AP信号接收与发射模块，主要功能为发射与接收便捷式移动定位终端的AP信号。控制单元，对接收到的AP信号进行处理并得到有关距离信息，再将数据传输至AP信号接收与发射模块，发送至便捷式移动定位终端。值得特别说明的是，本实用新型中请求保护的是本专利申请的各模块之间的连接结构，控制中心所采用的单片机相应的编程处理程序均是本技术领域人员根据相应的结构连接可以不需要付出创造性劳动就可以得出的，并不是本实用新型欲保护的特征，也不是实用新型的发明点所在，本实用新型的发明点为本装置的整体结构。

所述可穿戴式移动定位终端已经成功研制出了成品，其具有一块电路板，所述传感器模块、控制单元数据采集、处理、传输模块、供电模块、信号发射与接收模块均集成于所述电路板上。

所述AP信号传输均使用WiFi进行传输。

所述传感器模块集成了三轴加速度计、三轴磁力计、三轴陀螺仪、三轴气压这几种惯性传感器。

所述供电模块是在电路板上安装一个供电装置，为额定电压为1.5V的干电池，用以给所述电路板供电。

所述显示装置为一个已经成功自主研制出来的辅助显示软件系统，数据及三维空间内的移动轨迹显示在辅助显示软件系统上。

所述多方位运动三维定位算法是用于对三轴加速度计、三轴磁力计、三轴陀螺仪、气压计所测得的数据融合处理生成三维运动轨迹，且该算法是成熟且已经公开的，该算法集成于控制单元内。

所述AP设备是指在空间内以确定位置的AP信号发射接收点，需在应用场景中事先布置，并建立空间坐标系。

本系统包括一个便捷式移动定位终端及多个(一个以上)AP设备，所述辅助显示软件系统为显示装置，三维空间内的移动轨迹可显示在该显示装置界面上；所述便捷式移动定位终端包括传感器模块、控制单元数据采集、处理、传输模块、供电模块，其中传感器模块有：三轴加速度计，用于测量所述佩戴者的水平移动距离；三轴陀螺仪，用于测量所述可穿戴式移动定位终端的转动角度；三轴磁力计，用于测量绝对偏转角度；气压计，用于测量可穿戴式移动定位终端在竖直方向上的移动高度；控制单元，所述控制单元与三轴加速度计、三轴磁力计、三轴陀螺仪以及气压计数据连接，用于接收上述测量数据，并对所述测量数据利用现已成熟的多方位运动三维定位算法进行综合处理，精确生成所述可穿戴式移动定位终端相对于起始位置在三维空间内的移动轨迹；信号发射接收模块与AP设备通信传输信号；所述AP设备包括AP信号发射接收模块和控制单元数据采集、处理、传输模块。AP信号发射接收模块与便捷式移动定位终端通信传输信号；控制单元，所述控制单元与AP信号发射接收模块连接，采集接收到的AP信号，并利用信号衰减模型计算出便捷式移动定位终端相对每个AP设备的位置，结合事先建立好的空间坐标系得出便捷式移动定位终端具体位置，并传输回AP信号发射接收模块，用以传输回便捷式移动定位终端。

如图1所示，基于WiFi与惯性定位的室内定位系统包括一便携式移动定位终端13及AP设备12，其中AP设备在本系统中具体使用中可以任意个数(至少一个)。便携式移动定位终端13与AP设备12间的信号传输通过WiFi传输，用以接收来自AP设备处理后的距离数据，再通过控制单元对数据进行处理后得出 WiFi定位的结果。便携式移动定位终端中包括传感器模块供电模块5、控制单元7、显示装置9、AP信号发射接收模块8及传感器模块5，其中传感器模块包括三轴加速度计1、三轴磁力计2、三轴陀螺仪3、气压计4。在使用中传感器模块可采集用户运动中的步长、航向等信息对用户定位，同时结合WiFi定位结果则可以实现室内的准确定位。并将最后的定位结果传送给显示装置9。

需要重点说明的是，当AP设备为两个时，AP信号结合无法确定在空间中的具体位置，仅能够实现确定用户的位置在以AP设备为球心的两个球相交的圆周上，此时结合惯性定位结果，再通过卡尔曼滤波算法等处理，可得出用户在室内的具体位置。当AP设备为一个时，仅能够确定用户位于以AP设备为球心的球表面，此时同理结合惯性定位结果并通过卡尔曼滤波处理则可得到用户的具体位置。

本终端实际应用情况可如下：

(1)例如使用于景区定点智能解说

当用户携带本套设备进入景区时，结合在景区内设置的AP点进行准确定位，并通过设备中内置的AP信号发射接收模块传输经典解说语音包，实现准确的定点智能解说。

所述起始位置可默认设置为景区门口，在用户进入景区时便携式移动定位终端13中传感器模块5可根据初始位置以及运动过程中的上一位置对用户进行惯性定位，不断得到用户的实时位置信息。当用户进入景区内某一景点时，实现布置与景点的AP设备12则可检测到便携式移动定位终端13中的AP信号发射接收模块所发出的AP信号，从而根据此测算出其空间位置。

具体来说，由于景区的地理特征多为平面，相对来说高度信息较为固定。故建议在景点布置一个AP设备即可。用户需要携带便携式移动定位终端13，其中三轴加速度计1、三轴陀螺仪3、三轴磁力计2可测量出运动过程中的步频、步长以及航向等信息，并在空间内测算出其相对于上一位置的位置信息。结合已确定的初始位置则可确定用户定位。由于在景区内地理特征多为平面，故不用确定用户的高度信息，传感器模块5中气压计4在整个过程中发挥检测作用，确定用户高度为发生较大变化即可。整个定位信息，再经过控制单元7处理后，可通过数据传输至显示装置。

(2)例如使用于商场店铺购物信息直接推送

该使用场景的原理与上述原理类似，实施过程具体来说，当用户携带便携式移动定位终端13进入商场时，可通过确定位置信息与实现设置在商家店铺中的AP设备通信，便于商家直接向用户推送店铺内折扣/促销等信息。需要说明的是，由于商场内地理特征多为多层结构，传感器模块5中气压计则需要对气压监测，结合初始气压值确定用户高度信息，进一步测算出用户所在具体楼层，实现用户在空间内的三维定位。同时，当在多层空间内定位时，具体店铺内需布置两个及以上AP点。

需要说明的是，控制单元对三轴加速度计1、三轴磁力计2、三轴陀螺仪3、三轴气压4所测出的数据进行融合并定位采用的是现目前已经成熟且公开的多方位运动三维定位算法，该算法集成于控制单元7内。

需要重点介绍的是，为了使定位过程更加容易适用于具体使用环境，本套室内定位系统实现在少于三个AP设备的情况下结合惯性定位完成精确的室内定位。

实验证明，该系统的运动轨迹闭合精度为±1％，垂直定位精度为±1.5m，直线点对点往返轨迹平行偏离度≤0.5m，系统延迟时间≤1.5s。

综上所述，基于WiFi和惯性定位的室内定位系统，利用移动手持定位终端的加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计测量出各种姿态信息，控制单元将上述测得的数据综合处理生成可穿戴式移动定位终端相对于初始位置在三维空间内的移动轨迹，并结合WiFi定位消除惯性定位所产生的误差。将所述三维空间内的定位结果数据传输至所述显示装置进行显示。本系统定位精度高，稳定性好且不受GPS信号的影响且适用性强，具有广泛的推广价值与应用前景。

本实用新型的优点：

(1)系统不受外界影响，不依赖于外界信号的传输与接收；

(2)实现精确的室内三维定位，不再局限于平面上的定位；

(3)WiFi信号的传输可实现多数据传输；

以上这些实施例应理解为仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的保护范围。在阅读了本实用新型的记载的内容之后，技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本实用新型权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于WIFI/惯性定位的室内定位装置，其特征在于，包括便捷式移动定位终端及外部AP设备，所述便捷式移动定位终端包括传感器模块、控制单元、第一AP信号发射接收模块、供电模块及显示装置，所述AP设备包括第二AP信号发射接收模块、控制单元数据采集整理传输模块，其中传感器模块有：三轴加速度计、陀螺仪、磁力计及气压计，控制单元，所述控制单元分别与传感器模块、第一AP信号发射接收模块、供电模块及显示装置相连接，所述第一AP信号发射与第二AP信号发射接收模块相连接，第二AP信号发射接收模块与控制单元数据采集整理传输模块相连接。

2.根据权利要求1所述的基于WIFI/惯性定位的室内定位装置，其特征在于，所述便捷式移动定位终端为一块电路板，所述传感器模块、控制单元、供电模块、第一AP信号发射与接收模块均集成于所述电路板上。

3.根据权利要求1或2所述的基于WIFI/惯性定位的室内定位装置，其特征在于，所述第一AP信号发射接收模块与第二AP信号发射接收模块相连接的方式为无线WiFi连接。

4.根据权利要求1或2所述的基于WIFI/惯性定位的室内定位装置，其特征在于，所述AP设备的个数大于等于一个。

5.根据权利要求4所述的基于WIFI/惯性定位的室内定位装置，其特征在于，当AP设备为一个时，仅能够确定用户位于以AP设备为球心的球表面，此时结合惯性定位结果并通过卡尔曼滤波处理则可得到用户的具体位置；当AP设备为两个时，AP信号结合无法确定在空间中的具体位置，仅能够实现确定用户的位置在以AP设备为球心的两个球相交的圆周上，此时结合惯性定位结果，再通过卡尔曼滤波算法处理，可得出用户在室内的具体位置。