法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2018-02-13
授权
授权
2015-11-25
实质审查的生效 IPC(主分类):G01C21/16 申请日:20150714
实质审查的生效
2015-10-28
公开
公开
技术领域
本发明涉及室内定位技术领域,特别涉及一种结合惯性导航技术 和指纹定位技术的定位误差修正方法。
背景技术
卫星定位信号由于建筑物的屏蔽效应难以在室内有效接收,而常 规的三边法,到达时延法(TOA,Time of Arrival)和到达角度法(AOA, Arrival of Angle)等在复杂的室内环境下也都无法获得满意的精度。 为了满足室内定位的市场需求,目前采用的较先进的技术手段包括惯 性导航技术和无线信号指纹方法,其各自也都有其局限性。
惯性导航技术利用日益普及的惯性测量单元(IMU,Inertial Measurement Unit)获得运动物体的惯性变化值后应用盲区推估工作 原理得到其运动参数。即对物体的运动变化(姿态,加速度,方向等) 进行时间积分得到其运动轨迹,从而获得位置信息。其实施方法是由 位置传感器在空间3个正交方向(x,y,z)上采集3方向加速度变量, 根据加速度合成矢量推估出当前的运动方向和速度。该方法不需要外 部卫星和其它信标,所以不受环境的限制。
盲区推估工作原理的原理是,测出加速度矢量a,其相对上一时 刻位置(x0,y0)的位置变化为距离矢量Δd,即,P=P0+Δd=P0+∫a·t·dt, 其中P为当前位置,P0为上一时刻的初始位置,a为矢量加速度,可 以是时间的函数,Δd为经过t时刻后的积分矢量距离。
另一种较多应用的室内定位技术是无线网络信号指纹法。其原理 是利用无线信号在室内环境下的不均匀分布,应用手机接收到无线信 号场强值特征(指纹)和预先测得的位置场强分布(指纹地图)匹配, 从而推导出待定位目标的位置。由于无线信号的广泛存在,特别是移 动网络和WIFI接入点的普及应用,在大多数室内环境下基本都可以 应用这种方法实现定位。
图1所示为现有基于无线网络信号指纹方法进行室内定位的原理 示意图,以楼宇平面图为例,将其划分为A~X等28个网格,然后在 每个网格内设置无线信号采集点,即无线网络信号指纹采集点,测量 一组源于不同信号源的表示信号强度的电平向量集合{RSSIi},i∈(1, k)将每个网格及其对应的接收电平向量存储为无线网络信号指纹数 据库。当移动设备测量到一组信号{rssii},i∈(1,k),依据无线网 络信号的ID标识(例如MAC地址或CELL ID信息)等将当移动设 备所测量的无线网络信号与每个网格内设置无线信号采集点所采集 的无线网络信号一一对应匹配,计算电平距离i表示不同网格,取值为A,…,X;k表示无线网络信号的数量。取 min(de),即测试值和指纹数据库距离最小的值,即最佳指纹匹配 所对应的网格为移动设备所在位置。
惯性导航技术的主要局限在于其定位误差的不断累积,从其工作 原理可知,每一个新的位置都是基于上一次的推估结果得到的。上一 次推估产生的误差将不断的传递给其后的推估运算,结果是误差随行 进距离不断增加,即定位误差是从其起点算起的行进距离的随机函 数。一般商用惯导装置的累积误差为距离的5%以上。在楼宇内如果 行进距离超过100米,定位精度严重下降而不具有应用价值了。如图 2所示,图中实线表示用户实际的行走路线,虚线表示采用惯性导航 技术显示出的行走路线,可见误差明显。
显而易见,距离推估起点的距离越近,其误差就越小。当携带定 位装置的用户在楼宇内经过较长距离后又回到早先经过的位置点时, 其误差累积将大大增加。如果用先期记录的位置来校准此其后的累积 误差,就可以大大减少误差范围。提高惯性导航的定位精度。
发明内容
有鉴于此,本发明的主要目的在于,提供一种结合惯性导航技术 和指纹定位技术的定位误差修正方法,包括步骤:
A、确定一基准位置;
B、在移动过程中,基于惯性导航方法间隔创建定位路标,并记 录所创建的定位路标信息,包括所在空间的坐标、无线信号集合定位 误差e0;
C、根据实时测量的无线信号集合判断与在先创建的一定位路标 匹配时,基于该匹配的定位路标的坐标修正当前通过惯性导航方法确 定的坐标。
由上,在现场定位误差较小的时候采集指纹作为路标,其后通过 指纹匹配,用户再次经过该路标点时,用早期误差较小的位置坐标对 当前位置坐标的进行校准,缩小误差估计范围,达到提高定位精度的 目的。
可选的,步骤B所述基于惯性导航方法间隔创建定位路标的步骤 包括:
判断基于惯性导航方法确定的当前坐标与在先已创建的各个定 位路标的坐标的空间距离均大于阈值时,且
根据当前测量的无线信号集合判断与在先已创建的各个定位路 标的电平距离均大于阈值时,将当前位置设置为一定位路标。
由上,仅当基于惯性导航所创建的定位路标在空间坐标判别系统 以及无线信号集合判别系统下均具有唯一性时,才可将其列为一真正 的定位路标,以此避免与在先创建的定位路标相混淆。
可选的,步骤B所述基于惯性导航方法间隔创建定位路标还包 括:
基于惯性导航方法判断移动轨迹发生改变时,在改变时所对应的 位置创建一定位路标。
可选的,所述判断移动轨迹发生改变包括:
判断转向角度大于一预设值。
由上,将用户的特殊移动轨迹与定位路标相结合,实质为将具有 确定性的位置作为定位路标,例如在实际线路中,当存在左、右转向 移动时,说明存在拐角等特殊路段。又或者,存在连续U型移动时, 说明正在上楼梯。相比于前述间隔一定空间距离以及无线信号差异而 创建定位路标,选择具有确定性的位置作为定位路标采用更具有代表 性,修正位置的准确性相对更高。
可选的,步骤B所述基于惯性导航方法间隔创建定位路标还包 括:
经过兴趣点时手动触发创建一定位路标。
可选的,步骤C所述基于该匹配的定位路标的坐标修正当前通过 惯性导航方法确定的坐标包括:
以该匹配的定位路标的坐标以及惯性导航误差作为当前位置的 坐标以及惯性导航误差。
由上,在现场定位误差较小的时候采集指纹作为路标,其后通过 指纹匹配,用户再次经过该路标点时,用误差较小位置坐标对当前位 置坐标的进行校准,缩小误差估计范围,提高定位精度。
可选的,步骤C所述基于该匹配的定位路标的坐标修正当前通过 惯性导航方法确定的坐标包括:
根据惯性导航误差获得与惯性导航误差成反比的权重系数f;
依据以下公式计算修正当前位置的坐标:
依据以下公式计算修正后当前位置的坐标:
(xi’,yi’)=[(x0,y0)+(xi,yi)eo2/ei2)]/(1+eo2/ei2);
式中(x0,y0)表示已匹配的定位路标的坐标;(xi,yi)表示通过 惯性导航方法确定的当前位置的坐标;(xi’,yi’)表示修正后的当前 位置坐标;eo表示已匹配的定位路标的误差值;ei表示通过惯性导航 方法确定的当前位置的误差。
更正修正后的当前位置的惯性导航误差;所述修正后的当前位置 的惯性导航误差表示为:
由上,当用户多次路过在先建立定位路标的位置时,便可依据每 一次的不同权重进行修正定位路标信息,显然,路过的次数越多,定 位路标信息的精确度便会越高。
可选的,还包括:
依据修正以后的当前位置的坐标相对于所述基准位置的行进距 离计算修正以后的当前位置的惯性导航误差;
将所匹配的定位路标信息更新为修正以后的当前位置的相关信 息,包括替换为修正以后的当前位置所在空间的坐标(xi’,yi’)、当前位 置测量的无线信号集合以及修正以后的当前位置的惯性导航误差ei’。
附图说明
图1为现有基于无线网络信号指纹方法进行室内定位技术的原理 示意图;
图2为采用惯性导航技术进行定位所造成的误差示意图;
图3为本发明的流程示意图;
图4为惯性导航机制原理示意图;
图5为建立定位路标网的流程示意图;
图6为采用加权算术平均数模型进行位置修正的原理示意图;
图7为实现本发明方法的装置的原理示意图。
具体实施方式
为克服现有技术存在的缺陷,本发明提供一种结合惯性导航技术 和指纹定位技术的定位误差修正方法,在室内基于惯性导航技术的定 位中引入了自主校准的机制,以对惯性导航所累积的误差进行修正, 从而保证定位精度。
如图3所示为本发明的流程图,包括以下步骤:
S10:确定基准位置。
当用户持移动终端由室外进入到室内以后,需要以一有可靠精度 的基准位置作为初始位置(x0,y0,z0)。所述基准位置可设置于室 内的门口,通过设置RFID获得位置信息。或者,由于从室外进入室 内会导致卫星定位信号(GPS)的大幅衰减,因此也可基于进入室内 之前的未经衰减的卫星定位信号所对应的位置作为基准位置。
本实施例中所述的移动终端包括如智能手机在内的可接收到无 线网络信号以及具有实现惯性导航功能的装置。
无线网络信号包括但不限于:移动、联通以及电信等运营商的 2G/3G/4G网络信号;WLAN网络信号;蓝牙无线信号;NFC或RFID 等射频信号。
S20:在移动终端的移动中,建立定位路标网。
用户持移动终端在室内移动时,其移动到不同位置,移动终端均 会测量一组源于不同无线信号源的表示信号强度的电平向量集合 {RSSIi},即无线指纹,i表示所接收到不同无线信号的种类,i∈(1, k)。基于此,移动终端沿用户在室内的移动路径建立定位路标网,如 图4所示,建立定位路标网包括以下子步骤:
子步骤S201:移动中,确定当前位置的坐标。
本子步骤中,依据移动终端自身的惯性导航模块获取当前位置的 坐标(xn,yn,zn),该坐标是基于初始位置(x0,y0,z0)而言的相 对位置。图5所示为惯性导航机制的原理示意图,依据陀螺仪、加速 度计和磁力计等设备,在移动终端水平摆放时,检测正东为+X轴方 向,并且,通过航向角、俯仰角以及横滚角的检测,即可确定移动轨 迹,检测位置及坐标。子步骤S202:计算当前坐标与在先已确定的 各定位路标的坐标间的空间距离。
采用下列公式分别计算当前采集的坐标位置与在先已确定的各 个定位路标间的各个空间距离di,式中(xn,yn,zn)表示当前位置的坐标,(xm,ym,zm)表示在先 已确定的某定位路标的坐标,i表示在先以确定的定位路标的个数。
需要说明的是,当建立第一个定位路标时,在先已确定的定位路 标即为步骤S10中基准位置。
由此,可确定当出前位置与在先确定的各定位路标间的各空间距 离。
子步骤S203:判断所计算出的各空间距离均大于预设距离时(预 设距离可设置为10米),进入子步骤S204,否则返回步骤S201。
子步骤S204:获取当前位置的电平向量集合,即当前位置的无 线指纹集合。
假设步骤S201中所述当前位置所接收到的电平向量集合{rssii}, i∈(1,k)。
子步骤S205:计算与在先已确定的各个定位路标间的电平距离。
依据无线网络信号的ID标识,将移动终端测量到集合{rssii}与在 先各定位路标对应的电平向量集合{RSSIji},j=0,1,2…n依次进行计算。 其中RSSI0i表示在先以确定的基准位置所接收到的电平向量集合, RSSI1i表示在先已确定的第一个定位路标位置所接收到的电平向量 集合,以此类推,不再赘述。具体计算过程可参考背景技术中无线指 纹的最佳匹配技术。
较佳的,在进行计算前,还可对当前位置所接收到的电平向量集 合{rssii}中的i值与各定位路标对应的电平向量集合{RSSIji}中的i值 进行比较,仅当两集合的i值相同时,再计算两集合的电平距离,由 此可以减少计算量。
子步骤S206:根据子步骤S205中所计算出的电平距离判断是否 与某一定位路标匹配,若是进入步骤S30,否则进入子步骤S207。
预先设置有电平距离阈值,当子步骤S205中所计算出的某一电 平距离小于所设置的电平距离阈值时,认为匹配,即认为当前位置与 该电平距离对应的定位路标是同一位置,进入步骤S30;否则,认为 用户来到了一个新的位置,该位置在惯性导航系统和无线信号系统中 都具有唯一性,进入子步骤S207。若在匹配中有多个定位路标匹配, 则可以选择电平距离最小的定位路标作为所认定的相同位置。
S207:将步骤S201所确定的当前位置设置为一个新的定位路标。
由于在惯性导航系统中,误差伴随着行走而增加,因此每一次定 位路标的建立均伴随着新的误差,惯性导航误差记为σ=σ0+l×e%,其 中σ0为初始误差,l为行进距离,e%表示随着行进距离增加产生的误 差增量,例如e%=5%时,表示每行进100米,定位误差增加5米。
当步骤S201所确定的当前位置在惯性导航系统和无线信号系统 中都具有唯一性时,即可将该当前位置建立为定位路标,记录该位置 所采集到的电平向量集合{RSSIi},i∈(1,k),即{rssii},以及该位 置相对于基准位置的行进距离的惯性导航误差。
步骤S20所建立的各定位路标均是用户在室内行进过程中,移动 终端依据自动检测的电平向量集合{RSSIi}以及移动轨迹变化自行建 立,所建立的各个定位路标形成室内定位路标网。
上述步骤S20建立定位路标网是依据用户的空间行进距离为设 定依据,例如水平方向或者垂直方向(上下楼),每间隔10米建立 一个定位路标。
另外,还可以用户的移动轨迹为设定依据。用户在行进过程中, 移动终端自身的惯性导航模块会实时检测用户的移动轨迹,当判断出 路线进行左、右转向,或者非直线(曲线)移动时,当判断出转向角 度大于一预设值时,将转向点设置为定位路标。即,在实际室内线路 中,当存在左、右转向移动时,说明存在拐角等特殊路段。又或者, 存在连续U型移动时,说明正在上楼梯。因此,将该特殊路段作为定 位路标。总之,将用户的特殊移动轨迹与定位路标相结合,实质为将 室内具有确定性的位置作为定位路标,相比于前述自动上传位置,计 算电平距离,选择具有确定性的位置作为定位路标采用更具有代表 性,准确性相对更高。
再有,用户可将室内的卫生间、电梯间、ATM机、自动贩卖机等 等特殊位置或装置设定为兴趣点,手动的,将兴趣点建立为定位路标。
所建立的定位路标可存储于移动终端内部,也可上传至后台服务 器。
S30:根据所述匹配出的定位路标,对惯性导航当前的定位进行 误差的修正。
当在上述子步骤S203中判断结果为匹配时,表示用户再次路过 了在先建立的定位路标,由于惯性导航带来的累计误差,因此,随用 户移动距离的增加,其当前在惯性导航系统中的累计误差可能已经很 大。本步骤即为对在惯性导航系统中的累计误差进行修正。
简单的,直接将所匹配的定位路标的坐标(xm,ym)作为当前位 置的坐标,并且,以该定位路标的误差作为现有误差,即可修正因惯 性导航带来的误差累计。由此用先期记录的定位路标来校准其后的累 积误差,可以大大减少误差范围,提高惯性导航的定位精度。
更进一步的,还可采用加权算术平均数模型对惯性导航造成的定 位误差进行修正。图6所示为修正原理示意图,图中A点表示在先建 立定位路标位置,其坐标为(xm,ym),半径表示建立该定位路标时 的误差值;B点表示判断用户再次路过A点(即与A点匹配)时的 惯性导航所计算的当前位置,其坐标为(xn,yn),同样,半径表示 其误差值;再次路过A点时,由于惯性导航产生的误差累计,因此B 点半径大于A点半径。A’点表示进行修正以后的位置,具体修正方法 如下:
依据采用以下公式,计算A’点坐标
(xn’,yn’)=[(xm,ym)+(xn,yn)eo2/ei2)]/(1+eo2/ei2);
式中(xn’,yn’)表示修正以后当前位置A’点的坐标,eo表示已匹 配的定位路标A点的误差值;ei表示通过惯性导航方法确定的当前位 置B点的误差。
进一步的,依据A点误差和B点误差修正A’点的误差值,具体 的,更正修正后的当前位置的惯性导航误差;所述修正后的当前位置 的惯性导航误差表示为:
将先建立定位路标A点的信息替换为A’点的信息,包括替换为A’ 点的坐标(xn’,yn’)、A’点的惯性导航误差、以及A’点测量的{rssii}, 即同时完成定位路标A的更新。
通过本发明方法,当用户多次路过在先建立定位路标的位置时, 便可依据每一次的不同权重进行修正定位路标信息,显然,路过的次 数越多,定位路标信息的精确度便会越高。
本发明采用上述方法,无需在室内加装任何位置采集装置或无线 指纹点库,在行进过程中便可进行定位路标的建立,当再次路过在先 建立的定位路标时,即可消除由于惯性导航所累积的误差,提高定位 精度。并且,还可以灵活建立定位路标的位置,从而使得路标匹配运 算量少,适合在智能手机等运算和内存资源受限的装置上运行。更优 的,使用场所不受限制,尤其适用于公共场所定位,如商厦,办公楼, 医院,学校等,无需对一整座楼宇划分网格,预先测试,建立庞大指 纹数据库,大大节省了资源。
相应的,图7还示出了基于室内惯性导航技术的定位误差修正方 法的实现装置的原理示意图,包括:
无线信号电平测量单元,用于检测室内不同的无线信号集合,其 内部包括:WLAN网络信号测量模块、2G/3G/4G网络信号测量模块 和射频信号测量模块。
惯性导航单元,用于检测用户的移动轨迹及坐标,其内部包括: 陀螺仪、加速度计、磁力计。
主控单元,其内部包括:数据采集模块,分别与无线信号电平测 量单元和惯性导航单元连接,用于接收室内不同的无线信号集合以及 用户的移动轨迹及坐标;
位置误差修正模块,与所述数据采集模块连接,用于建立定位路 标,以及修正由于惯性导航所累积的误差;
定位路标记录模块,与所述位置误差修正模块连接,用于记录所 建立的定位路标;
显示控制模块,与所述位置误差修正模块连接,用于将定位路标 以及用户轨迹进行图形化处理。
触摸显示单元,用于显示将定位路标以及用户轨迹,其内部包括:
触控按键;
室内位置显示、定位路标显示;
显示设置模块,用于设置触摸显示单元的显示亮度,对比度等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明。 总之,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、 改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
机译: 用于定位例如定位装置的定位装置的定位装置。用于半导体微光刻技术,具有一个用于测量运动差异并在惯性参考系统内的两组分测量系统
机译: 一种基于惯性导航技术并结合了机动化机动臂的炮兵特奥洛特
机译: 基于惯性传感器的室内定位装置和用于校正室内定位误差的方法