CN102645666A - Uwb与gps室内外定位切换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种UWB与GPS室内外定位切换方法,以实现从室外到室内、再从室内到室外的无缝移动导游。本发明将室外GPS定位与室内UWB定位有机协调起来，通过建立室内外定位的自适应切换方法，可实现从室外到室内、再从室内到室外的无缝移动导游。本发明基于WGS84的地理坐标，采用自定义局部坐标系作为移动导游***的空间参考，由室外已知点坐标求解出室内控制点坐标，从而实现在统一的坐标***下，根据游客所处位置坐标及出入口坐标，通过获取游客速度、运动方向等行为模式，并判断游客是否进入到播报切换区以便实时切换GPS定位与UWB定位方式，构建起一种自然、及时、可靠的室内外定位自适应切换方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种室内外切换定位方法，涉及地理信息***（GIS）技术、GPS定位技术、超宽带（UWB）室内定位技术和语音多媒体技术等室内外定位导航技术领域。
背景技术
目前，国际上一般采用的局部区域（室内）定位方法包括UWB定位、红外线定位、射频识别定位、蓝牙定位、Wi-Fi定位、ZigBee定位等。其中，UWB（Ultra Wide Band）即超宽带，它使用大于0.5GHz或大于中心频率20%的带宽、通过微弱的脉冲信号进行通信，最大数据传输速度可以达到几十Mbit/s～几百Mbit/s，在保证了高数据速率传输的同时解决了移动终端的功耗问题。UWB室内定位需在室内布设主从传感器定位基站，通过主传感器与从传感器的高精度时间同步，配合在自定义坐标***中已知的传感器基站坐标，采用AOA和/或TDOA方法解算出标签位置，其定位精度最高可达15cm。UWB定位在定位精度、耗电量、通信传输速率、联网时间、发射功率以及集成度和可靠性方面有着巨大的优势，目前已应用于航空航天、物流配送、加工制造等项目中。
室外定位主要采用GPS卫星（含A-GPS、DGPS等）定位，该定位方式的移动用户终端具有体积小、定位范围广、定位免费、无需额外硬件设备支持以及相对定位精度高等优点，是目前室外大范围导游***中经常使用的定位方式，代表着室外导游***发展的一个方向。
随着移动互联网和室内外定位导航技术的发展，集导览、导购、导航、导娱等功能于一体的新一代室内外移动导游***正受到广泛关注。与传统导游***只有室外位置触发信息播报、或只有室内按键选择触发播报方式不同，新一代移动导游***能够实现从室外到室内、再从室内到室外的无缝导游服务。在实现室内外定位过程中，如何构建自然、及时、可靠的室内外定位自适应切换方法是需要解决的主要关键问题。目前，相关专利很少涉及到上述内容，也不见顾及游客行为模式的UWB与GPS室内外定位自适应切换方法的相关专利。
2010年公开的发明专利“一种无缝定位方法及装置”（申请号为：20101020152.6）综合利用RTD定位技术、UWB定位技术和基于MEMS的惯性导航技术进行集成，根据定位信号的强弱选择合适的定位方式，从而实现室内和室外的定位。但仅通过判断定位信号源选择定位的方法在多信号源共存的情况下将存在局限，也没有充分考虑到各种不同定位方式下的坐标体***一问题，这使得该方法的可用性降低。
2011年公开的发明专利“根据移动终端的位置改变其桌面应用主题的***及方法”（申请号为：201110177746.6）通过在移动终端上内置UWB无线定位标签并定位用户所处的地理位置，自动切换到符合该位置的应用主题，为用户提供便捷化、人性化的用户体验效果。该方法在UWB室内定位条件下实现移动终端和UWB标签的间接通信，但未结合室外定位考虑一体化定位及坐标体系转化、更未考虑室内外定位的自适应切换问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，以实现从室外到室内、再从室内到室外的无缝移动导览，本发明提供了一种UWB与GPS室内外定位切换方法，在移动导游***的室外GPS定位和室内UWB定位之间切换定位，统一游客位置坐标与出入口坐标，根据游客行为模式执行室外GPS定位和室内UWB定位之间的自适应切换，包括从室外切换到室内、从室内切换到室外两个步骤；
其中，从室外切换到室内的流程如下：
（1）将当前GPS位置坐标记为Pgi，距离当前位置最近的入口门底部中点的坐标位置记为入口点Pe，距离当前位置最近的门底部所在线段的缓冲区域记为定位切换区At，Pgi到Pe的直线距离为Di，将D0标识为从室外到室内切换时的距离判断阀值，是判定游客是否正打算进入到室内的标志；获取当前GPS的坐标Pgi，将离当前位置最近的门底部中点的坐标位置记为入口点位置Pe；
（2）计算Pgi与Pe的直线距离Di；
（3）比较Pgi与Pe的直线距离Di与预定阀值D0的大小，若Di>D0则返回步骤（2），否则转到下一步；
（4）连续判断Di、Di+1、Di+2的值，如果Di>Di+1>Di+2不成立，则返回步骤（3），否则判定游客当前正在距离D0内逐步靠近室内定位区域，***进行下一步；
（5）继续判断当前位置是否在定位切换区At之中，如果不在则返回（4），否则进行下一步；
（6）此时判定游客已进入室内，***开启UWB定位模块并切换到UWB室内定位模式，同时关闭GPS以节省电源；
（7）室外到室内定位的自动切换完成；
其中，从室内切换到室外的流程如下：
（1）将UWB当前位置坐标记为Pui，离当前位置最近门的底部中点的坐标位置记为Po，离当前位置最近的出口门的底部所在线段的缓冲区域记为定位切换区At'，Pui到Po的直线距离为Di，将D0'标识为从室内到室外切换时的距离判断阀值，是判定游客是否正打算离开室内的标志；获取当前UWB定位的坐标Pui，将离当前位置最近的门的底部中点的坐标位置记为出口点Po；
（2）计算Pui点到Po的直线距离Di；
（3）比较Pui与Po的直线距离Di与预定阀值D0'的大小，若Di>D0'则返回步骤（2），否则转到下一步；
（4）如果此时未开启GPS定位设备，则***预备开启GPS定位设备，准备提前接收GPS卫星信号；
（5）连续判断Di、Di+1、Di+2的值，如果Di>Di+1>Di+2不成立，则返回步骤（3），否则判断游客当前正在距离D0'内逐步走出室内定位区域，***进行下一步；
（6）继续判断当前位置是否在定位切换区At'之中，如果不在则返回（5），否则进行下一步；
（7）游客走出室外，***自动切换到GPS定位模式，关闭UWB定位；
（8）室内到室外定位的自动切换完成。
上述技术方案中，所述统一游客位置坐标与出入口坐标，是指基于WGS84的地理坐标，采用自定义局部坐标系作为移动导游***的空间参考，由室外已知点坐标求出室内控制点坐标，具体工作流程如下：
（1）初始化手簿设备，连接到CORS***；
（2）在国家控制点上测量该点的经纬度坐标；
（3）因国家控制点的经纬度坐标已知，用测量值与国控点的已知坐标值进行对比，如果测量精度不满足规定要求，则转到（2），否则转到下一步；
（4）将测得的国控点实际坐标采用基于GCS_WGS_1984椭球体，设置自定义投影参数并转换为投影坐标；
（5）用国测点已知的投影坐标与上述（4）得到的投影坐标相比较，如果测量精度不满足规定要求，则转到（2），否则转到下一步；
（6）对满足精度要求的国控点实测坐标进行联测，得到室内控制点坐标；
（7）统一坐标系工作结束。
本发明针对现有移动导游***或只有室外GPS导览、或只有室内数字按键选择播报的导游方式，将室外GPS定位与室内UWB定位有机协调起来，通过建立室内外定位的自适应切换方法，实现了从室外到室内、再从室内到室外的无缝移动导览。本发明在统一的坐标***下，根据游客所处位置坐标及出入口坐标，通过获取游客速度、运动方向等行为模式，并判断游客是否进入到播报切换区以便实时切换GPS定位与UWB定位方式，构建起一种自然、及时、可靠的室内外定位自适应切换方法。
附图说明
图1是本发明的方法原理示意图。
图2是室内外定位自适应切换方法实现流程示意图。
图3是基于WGS84地理坐标的室内控制点坐标获取流程示意图。
图4是自定义坐标转换时的投影参数设定示意图。
图5是UWB室内定位***布设图。
具体实施方式
本发明需要用到如下现有方法：公开方法一：点是否在多边形内判断算法（张宏,温永宁,刘爱利.地理信息***算法基础[M].科学出版社，2006：26页）；公开方法二：坐标复合变换算法（张宏,温永宁,刘爱利.地理信息***算法基础[M].科学出版社，2006：48页）；公开方法三：高斯-克里格投影解算算法（张宏,温永宁,刘爱利.地理信息***算法基础[M].科学出版社，2006：65页）；公开方法四：点是否在多边形内判断算法（张宏,温永宁,刘爱利.地理信息***算法基础[M].科学出版社，2006：26页）。
本专利所述室内外定位自适应切换，是指移动导游***的室外GPS定位和室内UWB定位之间适时切换定位方式的过程，其包括从室外到室内、从室内到室外两个方面切换的内容，本发明的方法原理如图1所示。
其中，从室外切换到室内的流程如下：
将当前GPS位置坐标记为Pgi，距离当前位置最近的入口门底部中点的坐标位置记为入口点Pe，距离当前位置最近的门底部所在线段的缓冲区域记为定位切换区At，Pgi到Pe的直线距离为Di，将D0标识为从室外到室内切换时的距离判断阀值，用作判定游客是否正打算进入到室内的标志，如图2(a)所示，具体的方法流程如下：
（1）获取当前GPS的坐标Pgi，将离当前位置最近的门底部中点的坐标位置记为入口点位置Pe；
（2）计算Pgi与Pe的直线距离Di；
（3）比较Pgi与Pe的直线距离Di与预定阀值D0的大小，若Di>D0则返回步骤（2），否则转到下一步；
（4）连续判断Di、Di+1、Di+2的值，如果Di>Di+1>Di+2不成立，则返回步骤（3），否则判定游客当前正在距离D0内逐步靠近室内定位区域，***进行下一步；
（5）继续判断当前位置是否在定位切换区At之中，如果不在则返回（4），否则进行下一步；
（6）此时判定游客已进入室内，***开启UWB定位模块并切换到UWB室内定位模式，同时关闭GPS以节省电源；
（7）室外到室内定位的自动切换完成；
其中，从室内切换到室外的流程如下：
将UWB当前位置坐标记为Pui，离当前位置最近门的底部中点的坐标位置记为Po，离当前位置最近的出口门的底部所在线段的缓冲区域记为定位切换区At'，Pui到Po的直线距离为Di，将D0'标识为从室内到室外切换时的距离判断阀值，用作判定游客是否正打算离开室内的标志，如图2(b)所示，具体的方法流程如下：
（1）获取当前UWB定位的坐标Pui，将离当前位置最近的门的底部中点的坐标位置记为出口点Po；
（2）计算Pui点到Po的直线距离Di；
（3）比较Pui与Po的直线距离Di与预定阀值D0'的大小，若Di>D0'则返回步骤（2），否则转到下一步；
（4）***预备开启GPS定位设备（如果此时未开启），准备提前接收GPS卫星信号；
（5）连续判断Di、Di+1、Di+2的值，如果Di>Di+1>Di+2不成立，则返回步骤（3），否则判断游客当前正在距离D0'内逐步走出室内定位区域，***进行下一步；
（6）继续判断当前位置是否在定位切换区At'之中，如果不在则返回（5），否则进行下一步；
（7）游客走出室外，***自动切换到GPS定位模式，关闭UWB定位；
（8）室内到室外定位的自动切换完成。
所述通过室内外定位坐标和出入口坐标计算直线距离，需要由室外坐标求解室内控制点坐标，以实现室外坐标及室内局部坐标是统一的空间坐标体系。本发明基于WGS84的地理坐标，采用自定义局部坐标系作为移动导游***的空间参考，由室外已知点坐标求解出室内控制点坐标，该方法的工作流程如下（如图3所示）：
（1）初始化手簿设备，连接到CORS***；
（2）在国家控制点上测量该点的经纬度坐标；
（3）因国家控制点的经纬度坐标已知，用测量值与国控点的已知坐标值进行对比，如果测量精度不满足规定要求，则转到（2），否则转到下一步；
（4）将测得的国控点实际坐标采用基于GCS_WGS_1984椭球体，设置自定义投影参数并转换为投影坐标；
（5）用国测点已知的投影坐标与上述（4）得到的投影坐标相比较，如果测量精度不满足规定要求，则转到（2），否则转到下一步；
（6）对满足精度要求的国控点实测坐标进行联测，得到室内控制点坐标；
（7）统一坐标系工作结束；
本发明解决室内外一体化导游***的坐标体***一问题，需要用到自定义的投影坐标***，如图4所示，该坐标系的相关参数如下：
地理坐标参数：
[1] Name: GCS_WGS_1984
[2] Angular Unit: Degree (0.017453292519943299)
[3] Prime Meridian: Greenwich (0.000000000000000000)
[4] Datum: D_WGS_1984
[5] Spheroid: WGS_1984
[6] Semimajor Axis: 6378137.000000000000000000
[7] Semiminor Axis: 6356752.314245179300000000
[8] Inverse Flattening: 298.257223563000030000
投影坐标参数：
[1] Projection: GaussKruger
[2] FalseEasting: 500000.000000
[3] FalseNorthing: 0.000000
[4] CentralMeridian: 120.000000
[5] ScaleFactor: 1.000000
[6] LatitudeofOrigin: 0.000000
[7] Linear Unit: Meter
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
本实例中移动导游设备的基本要求：WindowsMobile5.0/6.0/6.1/6.5操作***；推荐480×800像素（或240×320像素）分辨率；至少是单核CPU频率高于528MHz；内存不小于512MB ROM+256MB RAM；支持MicroSD卡扩展存储、USB v2.0和GPS导航功能。
本发明的移动导游设备自带的GPS芯片提供GPS位置获取模块，地理信息***（GIS）模块基于ESRI公司的ArcGISMobile10软件的二次开发实现，通过相关接口直接驱动GPS芯片设备，获取游客当前经纬度位置等信息。本发明涉及的UWB室内定位***基于现有技术，采用Ubisense公司的定位产品，通过定位引擎软件实时监控标签室内位置，并将位置发送到特定移动导游设备。
结合附图2、附图3和附图4，本专利的实施案例主要包括室内外数据组织与准备、室内外坐标体***一、室内外定位自适应切换等几个方面。
数据的组织与准备通过现有ArcGIS的Desktop桌面应用平台作为工具，将室内区域平面图以及与该室内区域有关的室外区域分别数字化，待配准后通过ArcToolbox的移动工具，创建适用于移动导游设备的移动地图以备使用。
室内外坐标体***一的过程其实是确定符合精度要求的起算点坐标的过程，***通过如下步骤实现：
（1）用Topcon设备测量国控点A-3954、A-4115的实际坐标，经实测两控制点在X方向上的精度达到厘米级，在Y方向上的精度是分米级，本发明容许的定位误差应控制在分米级范围之内；
（2）根据所述控制点坐标将室外点引入到室内点，联测得到室内传感器坐标及其它控制点坐标；
（3）通过所述室外及室内控制点坐标对所述室内外数据进行配准，并通过工具发布成移动导游***使用的移动地图数据；
（4）坐标体***一过程结束；
本发明所述室内外定位自适应切换，是指由***根据用户当时所处的位置区域，在GPS定位与UWB定位之间自动、适时、高效地选择所需要的定位方式，其实现过程如下（假定用户从室外开始导游）：
（1）根据用户位置P和已知入口点的坐标P’,计算两者的距离D（单位：米）；
（2）将D与预定阀值D0（D0=10米）比较，如果D>D0成立，则返回到步骤（1），否则进行下一步；
（3）连续判断D的值并比较它们的大小，如果在D0内D值越来越小，则认为用户即将进入室内，***进入下一步，否则返回到步骤（2）；
（4）判断用户是否在定位切换区At（缓冲区半径R=2米）之中，如果不在则返回步骤（3），否则判断用户已进入室内，***切换至UWB定位，同时关闭GPS模块；
（5）当用户处于室内时，同样比较距离D与出口门预定阀值D0'（D0'=2米）的值，若D>D0'成立，继续室内导览，否则预备开启GPS定位设备；
（6）在D0'内依次在室内判断距离D，如果连续3次用户与出口门的距离D<D0'，且满足Dn<Dn-1(n=1,2,3)成立，则进行下一步，否则返回（5）；
（7）判断室内用户是否在定位切换区At ' （缓冲区半径R=1米）之中，如果不在则返回步骤（6），否则判断用户已离开室内，***切换到室外GPS定位模式，关闭UWB定位模块；
（8）完成一次室内外定位切换过程。
Claims (2)
1. 一种UWB与GPS室内外定位切换方法，在移动导游***的室外GPS定位和室内UWB定位之间切换定位，其特征在于：统一游客位置坐标与出入口坐标，根据游客行为模式执行室外GPS定位和室内UWB定位之间的自适应切换，包括从室外切换到室内、从室内切换到室外两个步骤；
其中，从室外切换到室内的流程如下：
（1）将当前GPS位置坐标记为Pgi，距离当前位置最近的入口门底部中点的坐标位置记为入口点Pe，距离当前位置最近的门底部所在线段的缓冲区域记为定位切换区At，Pgi到Pe的直线距离为Di，将D0标识为从室外到室内切换时的距离判断阀值，是判定游客是否正打算进入到室内的标志；获取当前GPS的坐标Pgi，将离当前位置最近的门底部中点的坐标位置记为入口点位置Pe；
（2）计算Pgi与Pe的直线距离Di；
（3）比较Pgi与Pe的直线距离Di与预定阀值D0的大小，若Di>D0则返回步骤（2），否则转到下一步；
（4）连续判断Di、Di+1、Di+2的值，如果Di>Di+1>Di+2不成立，则返回步骤（3），否则判定游客当前正在距离D0内逐步靠近室内定位区域，***进行下一步；
（5）继续判断当前位置是否在定位切换区At之中，如果不在则返回（4），否则进行下一步；
（6）此时判定游客已进入室内，***开启UWB定位模块并切换到UWB室内定位模式，同时关闭GPS以节省电源；
（7）室外到室内定位的自动切换完成；
其中，从室内切换到室外的流程如下：
（1）将UWB当前位置坐标记为Pui，离当前位置最近门的底部中点的坐标位置记为Po，离当前位置最近的出口门的底部所在线段的缓冲区域记为定位切换区At'，Pui到Po的直线距离为Di，将D0'标识为从室内到室外切换时的距离判断阀值，是判定游客是否正打算离开室内的标志；获取当前UWB定位的坐标Pui，将离当前位置最近的门的底部中点的坐标位置记为出口点Po；
（2）计算Pui点到Po的直线距离Di；
（3）比较Pui与Po的直线距离Di与预定阀值D0'的大小，若Di>D0'则返回步骤（2），否则转到下一步；
（4）如果此时未开启GPS定位设备，则***预备开启GPS定位设备，准备提前接收GPS卫星信号；
（5）连续判断Di、Di+1、Di+2的值，如果Di>Di+1>Di+2不成立，则返回步骤（3），否则判断游客当前正在距离D0'内逐步走出室内定位区域，***进行下一步；
（6）继续判断当前位置是否在定位切换区At'之中，如果不在则返回（5），否则进行下一步；
（7）游客走出室外，***自动切换到GPS定位模式，关闭UWB定位；
（8）室内到室外定位的自动切换完成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述统一游客位置坐标与出入口坐标，是指基于WGS84的地理坐标，采用自定义局部坐标系作为移动导游***的空间参考，由室外已知点坐标求出室内控制点坐标，具体工作流程如下：
（1）初始化手簿设备，连接到CORS***；
（2）在国家控制点上测量该点的经纬度坐标；
（3）因国家控制点的经纬度坐标已知，用测量值与国控点的已知坐标值进行对比，如果测量精度不满足规定要求，则转到（2），否则转到下一步；
（4）将测得的国控点实际坐标采用基于GCS_WGS_1984椭球体，设置自定义投影参数并转换为投影坐标；
（5）用国测点已知的投影坐标与上述（4）得到的投影坐标相比较，如果测量精度不满足规定要求，则转到（2），否则转到下一步；
（6）对满足精度要求的国控点实测坐标进行联测，得到室内控制点坐标；
（7）统一坐标系工作结束。
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