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CN109587631B - 室内定位方法及装置 - Google Patents

室内定位方法及装置 Download PDF

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CN109587631B CN201811604824.4A CN201811604824A CN109587631B CN 109587631 B CN109587631 B CN 109587631B CN 201811604824 A CN201811604824 A CN 201811604824A CN 109587631 B CN109587631 B CN 109587631B
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Abstract

本发明提供一种室内定位方法及装置，该室内定位方法包括：监听位于室内的多个定位基站的广播信息和移动载体的运动信息；在监听到的每个广播信息中获取与其对应的定位基站的信号特征；根据获取的多个定位基站的信号特征确定移动载体的基站定位信息；根据历史步行数据和监听到的移动载体的运动信息，确定移动载体的惯性定位信息；融合基站定位信息和惯性定位信息，确定移动载体的当前定位坐标。

Description

室内定位方法及装置
技术领域
本发明涉及计算机领域，且特别涉及一种室内定位方法及装置。
背景技术
随着建筑技术的提升，建筑体的面积越来越大，建筑体内的通道和墙体越来越复杂，虽然GPS全球定位系统能满足人们的室外定位，并且定位精度还在进一步提高。但由于室内环境错综复杂，而且卫星信号不能穿透建筑物墙壁，目前还缺少可广泛应用的、较为成熟的、精度较高的室内定位技术。
目前的室内定位方法主要基于蓝牙或WIFI等电磁技术的指纹算法定位，这种算法完全依赖电磁信号，受室内环境的影响，电磁信号的波动往往比较大，从而导致定位经常出现漂移，定位精度往往不稳定。
此外，现有的指纹算法定位需要在室内的每个位置点采集所接收到的所有基站的信号，以形成指纹，这导致需要采集的数据非常多。进一步的，目前的指纹算法定位在环境发生变化后就需要重新测试指纹，故现有的室内定位方法实施成本非常的高。
发明内容
本发明为了克服现有室内定位技术定位不准确的问题，提供一种精确定位的室内定位方法及装置。
为了实现上述目的，本发明提供一种室内定位方法，该方法包括：
监听位于室内的多个定位基站的广播信息和移动载体的运动信息；
在监听到的每个广播信息中获取与其对应的定位基站的信号特征；
根据获取的多个定位基站的信号特征确定移动载体的基站定位信息；
根据历史步行数据和监听到的移动载体的运动信息，确定移动载体的惯性定位信息；
融合基站定位信息和惯性定位信息，确定移动载体的当前定位坐标。
根据本发明的一实施例，多个定位基站中任意三个之间呈三角排布，确定移动载体的基站定位信息包括：
根据每个定位基站的信号特征降序选取四个以上的定位基站；
分别获取选取的多个定位基站的坐标，形成特征坐标；
将获取的多个特征坐标进行分组，形成坐标组，每个坐标组内包含三个特征坐标；
根据三边测量定位算法计算每个坐标组的中心坐标；
计算每个中心坐标至每个特征坐标的距离Dnm以及相邻两个特征坐标之间的最大距离Dmax；
剔除Dnm大于Dmax的中心坐标；
将剩余的中心坐标作为特征坐标进行分组并重复上述计算步骤，直到获得的中心坐标仅有一个时，将该中心坐标确定为基站的定位坐标。
根据本发明的一实施例，定位基站为BLE基站，信号特征为监听到的运动信息BLE基站的蓝牙信号强度值。
根据本发明的一实施例，运动信息包括移动载体的步长、步频以及运动方向，以移动载体在二维状态下做直线运动为条件，根据历史步行数据和获取的运动信息，计算惯性定位信息。
根据本发明的一实施例，
在移动载体进入室内的初始时刻，通过以下方法确定定位坐标：
基站初始化获得第一个基站定位坐标；
以第一个基站定位坐标为基础结合移动载体的运动信息，获得第一个惯性定位坐标；
基站获得第二个基站定位坐标；
分别为第一个惯性坐标和第二个基站定位坐标分配可信度系数K1和K2；
根据可信度系数K1和K2、第一个惯性定位坐标以及第二个基站定位坐标，推算获得移动载体的定位坐标。
根据本发明的一实施例，室内定位方法还包括：当获得当前定位坐标后结合移动载体的运动信息修正前一个定位坐标。
根据本发明的一实施例，当获得移动载体的初始的定位坐标后根据室内地图判断初始的定位坐标是否位于通道范围内，若在范围外，则以前后两次定位不穿墙为原则将初始的定位坐标垂直平移至通道上。
根据本发明的一实施例，融合基站定位信息和惯性定位信息，确定移动载体的当前定位坐标包括：
从基站定位信息和惯性定位信息中分别获得基站定位坐标和惯性定位坐标；
计算基站定位坐标至惯性定位坐标的距离；
若基站定位坐标至惯性定位坐标的距离大于设定阈值，则将惯性定位坐标作为移动载体的当前定位坐标；否则将选取基站定位坐标和惯性定位坐标的中间坐标作为移动载体的当前定位坐标。
相对应的，本发明还提供一种室内定位装置，其包括监听模块、获取模块、基站定位模块、惯性定位模块以及融合模块。监听模块监听位于室内的多个定位基站的广播信息和移动载体的运动信息。获取模块在监听到的每个广播信息中获取与其对应的定位基站的信号特征。基站定位模块根据获取的多个定位基站的信号特征确定移动载体的基站定位信息。惯性定位模块根据历史步行数据和监听到的移动载体的运动信息，确定移动载体的惯性定位信息。融合模块融合基站定位信息和惯性定位信息确定移动载体的当前定位坐标。
根据本发明的一实施例，室内定位装置为智能手机，智能手机内嵌入有运动传感器、加速度传感器、方向传感器以及地磁传感器。
综上所述，本发明提供的的室内定位方法及装置在监听室内定位基站广播的同时不断地监听移动载体自身的运动信息，分别根据接收到的定位基站的信号特征来确定移动载体的基站定位信息，根据运动载体的自身运动信息来获得惯性定位信息。最后融合基站定位信息和惯性定位信息，利用惯性定位信息来修正基站定位信息。这是一种全新的融合性定位方法，惯性定位信息仅受移动载体自身的影响，而不受室内的环境情况以及电磁信号强弱的影响，故其可很好的修正定位基站因室内环境变化和电磁信号变化所带来的漂移问题，从而大幅度提高了室内定位的精确度。此外，在这种融合定位方法中，即使室内环境发生变化，移动载体自身只需不断的监听定位基站的信息即可，而无需进行位置指纹采集，故实施的成本非常的低。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1所示为本发明一实施例提供的室内定位方法的流程图。
图2所示为图1中步骤S30的流程图。
图3所示为本发明一实施例提供的室内定位方法中多个定位基站在室内的分布示意图。
图4所示为本发明一实施例提供的室内定位装置的结构框图。
具体实施方式
现有的室内定位方法主要依赖于蓝牙或WIFI等电磁技术，在室内电磁波的传输受室内环境的影响，电磁信号波动较大，从而导致定位经常穿漂移。有鉴于此，本实施例提供一种多技术融合的且具有很高定位精度的室内定位方法及装置。
本实施例提供的室内定位方法包括：监听位于室内的多个定位基站的广播信息和移动载体的运动信息(步骤S10)。在监听到的每个广播信息中获取与其对应的定位基站的信号特征(步骤S20)。根据获取的多个定位基站的信号特征确定移动载体的基站定位信息(步骤S30)。根据历史步行数据和监听到的移动载体的运动信息，确定移动载体的惯性定位信息(步骤S40)。融合基站定位信息和惯性定位信息，确定移动载体的当前定位坐标(步骤S50)。以下将结合图1和图2详细介绍本实施例提供的室内定位方法的定位过程。
本实施例提供的室内定位方法始于步骤S10，系统不断的监听位于室内多个定位基站的广播信息和移动载体的运动信息。于本实施例中，如图3所示，室内安装有多个BLE定位基站且任意三个BLE定位基站呈三角状分布。然而，本发明对定位基站的类型以及排布的结构不作任何限定。于其它实施例中，定位基站可为WIFI定位基站等其它无线定位基站。任意三个BLE定位基站的呈三角状分布的目的则是为了在步骤S30中采用三边测量定位算法来确定基站定位信息。于其它实施例中，当采用别的算法来确定基站定位信息时，则多个定位基站的位置可做适应性的调整。每个BLE基站每0.5秒广播自身信息，室内定位装置内的蓝牙信号接收器监听蓝牙广播并记录接收到的所有蓝牙信息，实现定位基站的广播信息监听。对于移动载体自身的运动信息，于本实施例中，移动载体上携带有多个传感器，如运动传感器、加速度传感器以及地磁传感器等，室内定位装置内运动信息监听模块获取上述传感器所检测到的信息，从而获得移动载体的步长、步频以及运动方向等运动信息。
于本实施例中，移动载体为行人。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，移动载体可为在室内移动的机器或设备，譬如扫地机器人或快递分拣小车等。
当监听到每个BLE定位基站的广播信息后，执行步骤S20，在每个广播信息中获取与其对应的定位基站的信号特征。于本实施例中，以室内定位装置接收到的每个定位基站的蓝牙信号强度值作为该BLE基站的信号特征。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，可选取通信信号的多径结构、某个位置上是否能检测到接入点或基站或者某个位置上通信时信号的往返时间或延迟等特征来作为定位基站的信号特征。室内定位装置持续监听N秒，当监听到定位基站的数量大于设定数量M且每个定位基站的蓝牙信号的强度值均大于三以上时，利用中值法取每一个BLE的信号强度值，执行步骤S30，根据每个定位基站的蓝牙信号强度确定基站定位信息。具体的确定过程如图2所示。
首先，执行步骤S301，根据每个BLE定位基站的蓝牙信号强度值，根据蓝牙信号强度值降序选取四个以上的定位基站。于本实施例中，根据蓝牙信号强度值降序选取四个BLE定位基站，分别为BLE1，BLE2，BLE3以及BLE4。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，可根据信号特征降序选取五个以上的定位基站。之后执行步骤S302，分别获取选取的BLE1，BLE2，BLE3以及BLE4四个定位基站的坐标，形成特征坐标，分别为(xL1，yL1)，(xL2，yL2)，(xL3，yL3)，(xL4，yL4)。之后，执行步骤S303，将获取的四个特征坐标进行分组，形成四个坐标组，每个坐标组内包含三个特征坐标。在步骤S304中，根据三边测量定位算法计算每个坐标组的中心坐标，在采用三边测量定位算法时，需要获取移动载体的坐标到每个特征坐标的距离。于本实施例中，可根据监听到的定位基站的蓝牙信号强度值来计算移动载体至每个特征坐标的距离，具体的计算公式为：
dn＝10^((abs(RSSIn)-A)/(10*N))公式一
其中，RSSIn为移动载体监听到的第n个BLE定位基站的蓝牙信号强度值，A为BLE定位基站和移动载体相隔1米时的蓝牙信号强度值，N为环境衰减因子，n＝1,2,3,4。dn为移动载体监听到的第n个BLE定位基站的距离。
以包含(xL1，yL1)，(xL2，yL2)，(xL3，yL3)三个特征坐标的坐标组为例介绍三边测量定位算法计算第一个中心坐标为(xL01，yL01)：
(xL1-xL01)2+(yL1-yL01)2＝d1 2公式二
(xL2-xL01)2+(yL2-yL01)2＝d2 2公式三
(xL3-xL01)2+(yL3-yL01)2＝d3 2公式四
其中：d1为坐标位置为(xL1，yL1)的BLE定位基站至移动载体的距离；d2为坐标位置为(xL2，yL2)的BLE定位基站至移动载体的距离；d3为坐标位置为(xL3，yL3)的BLE定位基站至移动载体的距离。
以同样的方法获取另外三个坐标组的中心坐标，从而获得四个中心坐标(xL01，yL01)，(xL02，yL02)，(xL03，yL03)，(xL04，yL04)。在步骤S305中，计算每个中心坐标至每个特征坐标的距离D0nm以及相邻两个特征坐标之间的最大距离Dmax。执行步骤S306，剔除D0nm大于Dmax的中心坐标。之后执行步骤S307，将剩余的中心坐标作为特征坐标并进入步骤S303进行分组并重复步骤S303至步骤S307，直到获得的中心坐标仅有一个时，将该唯一的中心坐标(xL0，yL0)确定为基站定位坐标(步骤S308)。
上述方法为通过定位基站的信号特征所确定的基站定位信息，以下将介绍根据监听到的移动载体的运动信息来确定惯性定位信息。本实施例为叙述方便而先介绍基站定位信息的获取方式，后介绍惯性定位信息的获取方式，但这并不意味着一定要先确定惯性定位信息后确定惯性定位信息。在实际处理中，两者可以有先后顺序，也可以是并行的关系。
于本实施例中，通过在移动载体上设置运动传感器、加速度传感器、方向传感器以及地磁传感器等传感器来获取移动载体的步长、步频以及运动方向等运动信息。推测航迹通常认为移动载体的运动为二维运动，基本原理是平面几何法，即在采样时间很短的情况下，认为移动载体做直线运动，得知起始点的位置信息，根据步长、步频以及运动方向即可获得下一时刻的位置。具体而言，若当前时刻移动载体的坐标为(x,y),室内定位装置监听到移动载体的步长为l,步频为f，采样时间为t，当前运动方向相对前一时刻的夹角为θ，则可推算下一时刻移动载体的坐标为(x+cos(l*f*t),x+sin(l*f*t))，该坐标称为惯性定位坐标。
在获得基站定位坐标和惯性定位坐标后计算基站定位坐标至惯性定位坐标的距离。若基站定位坐标至惯性定位坐标的距离大于设定阈值，则认为此时的基站定位坐标为受电磁波影响的漂点，其精度不准确，将相对准确的惯性定位坐标作为移动载体的当前定位坐标。若基站定位坐标至惯性定位坐标的距离小于或等于设定阈值，则将选取基站定位坐标和惯性定位坐标的中间坐标作为移动载体的当前定位坐标。然而，本发明对基站定位信息和惯性定位信息的融合方式不作任何限定。于其它实施例中，可采用其它算法直接将步长为l,步频为f，采样时间为t以及当前运动方向相对前一时刻的夹角为θ等运动信息直接融合在步骤S30的基站定位信息计算中，从而修正基站定位信息的不精确性。
进一步的，为提高定位的准确性，本实施例提供的室内定位方法还包括步骤S60，当获得当前定位坐标后结合移动载体的运动信息修正前一个定位坐标。在很短的采样时间或初始时刻内，移动载体的运动方向的判断并不是非常准确的，通过增加步骤S60后，移动载体的运动方向的判断将更加的准确，通过不断的修正上一时刻的定位坐标来提高室内定位的准确性。
在实际使用中，当移动载体进入室内时，需要获取初始的定位坐标。于本实施例中，采用如下方式确定初始的定位坐标。室内定位装置中预先存储了室内地图，该地图内包含路线信息、路线宽度范围、BLE定位基站名称、编号以及坐标位置等参数。将初始化获得的第一个坐标定义为移动载体的初始的定位坐标。
基站初始化获得第一个基站定位坐标(x1,y1)。以第一个基站定位坐标为基础结合移动载体的运动信息，获得第一个惯性定位坐标(x1+cos(l*f*t),x1+sin(l*f*t))，其中，l为步长,步频为f，采样时间为t。基站获得第二个基站定位坐标(x2,y2)。分别为第一个惯性坐标(x1+cos(l*f*t),x0+sin(l*f*t))和第二个基站定位坐标(x2,y2)分配可信度系数K1和K2。根据可信度系数K1和K2、第一个惯性定位坐标(x1+cos(l*f*t),x1+sin(l*f*t))以及第二个基站定位坐标(x2,y2)，推算获得移动载体的定位坐标(x,y)。一般在初始时刻基站所获得基站定位坐标的可信度要高于惯性定位坐标，故于本实施例中，设置K1＝0.4，K2＝0.6。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，K1和K2可在满足K1+K2＝1的前提下，根据实际的测试进行选择。在进行可信度分配后所获得的定位坐标(x,y)为：(K1*(x1+cos(l*f*t))+K2*x2，K1*(y1+cos(l*f*t))+K2*y2)。最后再根据定位坐标(x,y)以及移动载体的运动信息反推修改正，形成初始的定位坐标。
进一步的，当获得移动载体的初始的定位坐标后根据室内地图判断初始的定位坐标是否位于通道范围内，若在范围外，则以前后两次定位不穿墙为原则将初始的定位坐标垂直平移至通道上。
与上述室内定位方法相对应的，如图4所示，本实施例还提供了一种室内定位装置100，该室内定位装置100包括监听模块10、获取模块20、基站定位模块30、惯性定位模块40以及融合模块50。监听模块10监听位于室内的多个定位基站200的广播信息和移动载体的运动信息。获取模块20在监听到的每个广播信息中获取与其对应的定位基站的信号特征。基站定位模块30根据获取的多个定位基站的信号特征确定移动载体的基站定位信息。惯性定位模块40根据历史步行数据和监听到的移动载体的运动信息，确定移动载体的惯性定位信息。融合模块50融合基站定位信息和惯性定位信息确定移动载体的当前定位坐标，且于本实施例中，融合模块50还包括结合当前定位坐标和移动载体的运动信息修正前一个定位坐标。
监听模块10包括基站信息监听模块11和运动信息监听模块12，于本实施例中，基站信息监听模块11为蓝牙信号接收器，移动载体上安装有运动传感器61、加速度传感器62、方向传感器63以及地磁传感器64等传感器，运动信息监听模块12监听并获取这些传感器所检测的信号。于本实施例中，移动载体为行人，室内监听装置为智能手机，蓝牙信号接收器、运动传感器61、加速度传感器62、方向传感器63以及地磁传感器64均嵌入于智能手机内。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，室内监听装置可为智能手环等其它极易跟随行人移动的智能设备。或者于其它实施例中，室内监听装置为智能手机，运动传感器61、加速度传感器62、方向传感器63以及地磁传感器64等传感器独立于智能手机。
室内定位装置根据本实施例中室内定位方法中的步骤S10至步骤S50来不断的获取移动载体的位置信息，具体的定位方法在此不作赘述。
综上所述，本发明提供的的室内定位方法及装置在监听室内定位基站广播的同时不断地监听移动载体自身的运动信息，分别根据接收到的定位基站的信号特征来确定移动载体的基站定位信息，根据运动载体的自身运动信息来获得惯性定位信息。最后融合基站定位信息和惯性定位信息，利用惯性定位信息来修正基站定位信息。这是一种全新的融合性定位方法，惯性定位信息仅受移动载体自身的影响，而不受室内的环境情况以及电磁信号强弱的影响，故其可很好的修正定位基站因室内环境变化和电磁信号变化所带来的漂移问题，从而大幅度提高了室内定位的精确度。此外，在这种融合定位方法中，即使室内环境发生变化，移动载体自身只需不断的监听定位基站的信息即可，而无需进行位置指纹采集，故实施的成本非常的低。
虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟知此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。

Claims (8)

1.一种室内定位方法，其特征在于，包括：
监听位于室内的多个定位基站的广播信息和移动载体的运动信息；
在监听到的每个广播信息中获取与其对应的定位基站的信号特征；
根据获取的多个定位基站的信号特征确定移动载体的基站定位信息；
根据历史步行数据和监听到的移动载体的运动信息，确定移动载体的惯性定位信息；
融合基站定位信息和惯性定位信息，确定移动载体的当前定位坐标；在移动载体进入室内的初始时刻，通过以下方法确定定位坐标：
基站初始化获得第一个基站定位坐标；
以第一个基站定位坐标为基础结合移动载体的运动信息，获得第一个惯性定位坐标；
基站获得第二个基站定位坐标；
分别为第一个惯性坐标和第二个基站定位坐标分配可信度系数K1和K2；
根据可信度系数K1和K2、第一个惯性定位坐标以及第二个基站定位坐标得到可信度分配后所获得的定位坐标；
根据定位坐标以及移动载体的运动信息反推修正，形成初始的定位坐标；
当获得移动载体的初始定位坐标后根据室内地图判断初始坐标是否位于通道范围内，若在范围外，则以前后两次定位不穿墙为原则将初始定位坐标垂直平移至通道上。
2.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，多个定位基站中任意三个之间呈三角排布，确定移动载体的基站定位信息包括：
根据每个定位基站的信号特征降序选取四个以上的定位基站；
分别获取选取的多个定位基站的坐标，形成特征坐标；
将获取的多个特征坐标进行分组，形成坐标组，每个坐标组内包含三个特征坐标；
根据三边测量定位算法计算每个坐标组的中心坐标；
计算每个中心坐标至每个特征坐标的距离Dnm以及相邻两个特征坐标之间的最大距离Dmax；
剔除Dnm大于Dmax的中心坐标；
将剩余的中心坐标作为特征坐标进行分组并重复上述计算步骤，直到获得的中心坐标仅有一个时，将该中心坐标确定为基站的定位坐标。
3.根据权利要求1或2所述的室内定位方法，其特征在于，所述定位基站为BLE基站，所述信号特征为监听到的运动信息BLE基站的蓝牙信号强度值。
4.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，所述运动信息包括移动载体的步长、步频以及运动方向，以移动载体在二维状态下做直线运动为条件，根据历史步行数据和获取的运动信息，计算惯性定位信息。
5.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，所述室内定位方法还包括：
当获得当前定位坐标后结合移动载体的运动信息修正前一个定位坐标。
6.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，融合基站定位信息和惯性定位信息，确定移动载体的当前定位坐标包括：
从基站定位信息和惯性定位信息中分别获得基站定位坐标和惯性定位坐标；
计算基站定位坐标至惯性定位坐标的距离；
若基站定位坐标至惯性定位坐标的距离大于设定阈值，则将惯性定位坐标作为移动载体的当前定位坐标；否则将选取基站定位坐标和惯性定位坐标的中间坐标作为移动载体的当前定位坐标。
7.一种室内定位装置，其特征在于，包括：
监听模块，监听位于室内的多个定位基站的广播信息和移动载体的运动信息；
获取模块，在监听到的每个广播信息中获取与其对应的定位基站的信号特征；
基站定位模块，根据获取的多个定位基站的信号特征确定移动载体的基站定位信息；
惯性定位模块，根据历史步行数据和监听到的移动载体的运动信息，确定移动载体的惯性定位信息；
融合模块，融合基站定位信息和惯性定位信息确定移动载体的当前定位坐标；在移动载体进入室内的初始时刻，通过以下方法确定定位坐标：
基站初始化获得第一个基站定位坐标；
以第一个基站定位坐标为基础结合移动载体的运动信息，获得第一个惯性定位坐标；
基站获得第二个基站定位坐标；
分别为第一个惯性坐标和第二个基站定位坐标分配可信度系数K1和K2；
根据可信度系数K1和K2、第一个惯性定位坐标以及第二个基站定位坐标得到可信度分配后所获得的定位坐标；
根据定位坐标以及移动载体的运动信息反推修正，形成初始的定位坐标；
当获得移动载体的初始定位坐标后根据室内地图判断初始坐标是否位于通道范围内，若在范围外，则以前后两次定位不穿墙为原则将初始定位坐标垂直平移至通道上。
8.根据权利要求7所述的室内定位装置，其特征在于，所述室内定位装置为智能手机，智能手机内嵌入运动传感器、加速度传感器、方向传感器以及地磁传感器。
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