CN104197930A

CN104197930A - 一种基于惯性制导和射频识别的室内定位装置及方法

Info

Publication number: CN104197930A
Application number: CN201410461963.1A
Authority: CN
Inventors: 周金龙; 朱冬宏; 田群
Original assignee: KINGSHORE NEW RESOURCES ELECTRIC JIANGSU CO Ltd
Current assignee: KINGSHORE NEW RESOURCES ELECTRIC JIANGSU CO Ltd
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2014-12-10

Abstract

本发明公开了一种基于惯性制导和射频识别的室内定位装置,包括定位终端、射频发射模块和服务端，定位终端包括三维加速度计、三轴陀螺仪、射频信号接收器、无线通信模块、微处理器和外壳，三维加速度计与三轴陀螺仪固定在外壳内，外壳的Z轴垂直向上，三维加速度计的通信主线与微处理器相连，三轴陀螺仪与三维加速度计坐标系重合，三轴陀螺仪的通信主线与微处理器相连，射频信号接收器和无线通信模块分别固定在外壳内部两侧，其通信主线都与微处理器相连；本发明还公开了一种基于惯性制导和射频识别的室内定位方法；本发明涉及的室内定位技术具有定位精度高，不受室内复杂的结构和电磁干扰影响以及成本低等优点。

Description

一种基于惯性制导和射频识别的室内定位装置及方法

技术领域

本发明属于移动定位技术领域，涉及无GPS信号的室内环境目标定位，具体地说是一种基于惯性制导和射频识别的定位装置及方法。

背景技术

随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、超市、图书馆、地下停车场、矿井、灾难现场等环境中，移动终端或其持有者、设备及物品在室内的位置信息显得尤为重要。在开阔的室外环境中，全球定位***GPS提供了非常精确的定位信息，然而由于室内环境的特殊性，GPS信号难以覆盖室内，所以，当前应用于室外环境的算法和***很难移植到室内定位的应用中。室内目标定位存在重要的潜在应用，近年来引发大量的研究和关注。

现有室内定位的研究主要集中在两个方面，一是室内定位***的研究；二是室内算法的研究。上述位置信息的获取需要依靠定位***，室内定位技术容易受定位时间、定位精度以及复杂的室内环境的限制。当前室内定位技术主要有惯性制导、地磁制导、红外、超声波、蓝牙、超宽带、WIFI、和射频定位技术等。其中，红外线由于直线短距离传播，而且容易被灯光干扰，室内定位的效果很差；超声波定位虽然整体定位精度较高，但超声波受多径效应和非视距传播的影响很大，并需要投入大量的硬件设施，因此成本太高；蓝牙技术用作室内短距离定位时容易发现设备，且信号传播不受视距的影响，但它的不足之处在于价格昂贵，在复杂的室内空间环境中稳定性稍差，受噪声信号的干扰大；超宽带室内定位技术是一种全新的、与传统通信技术有较大差异的通信新技术，可应用于室内静止或移动物体以及人的定位跟踪和导航，且能提供非常精确的室内定位精度，但设备昂贵，无法大规模推广；基于WIFI的定位技术只能用于小范围的室内定位，而且很容易受到其他信号的干扰，精度较差，***的能耗也较高；地磁定位虽然能够准确的定位室内空间上的每一个点，但首先要建立地磁信息数据库，且地磁信息数据库必须及时更新，地磁及其容易受地质变化、天气变化、电网分布等外部信息的影响；惯性制导技术因为不受视距、地磁、噪音信号的影响，初始定位精度很高，但经过一段时间的使用后，由于误差累计效应，其精度会明显下降；射频识别定位存在着在复杂室内环境下定位精度不高的缺陷。

鉴于上述技术的不足，本申请人做了有益的设计，将惯性制导技术和射频识别技术相结合成为了优选的室内定位技术。下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，为克服现有技术的缺点，提供一种基于惯性制导和射频识别的室内定位装置及方法，本发明涉及的室内定位装置及方法具有定位精度高，不受室内复杂的结构和电磁干扰影响以及成本低等优点。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种基于惯性制导和射频识别的室内定位装置，包括定位终端、射频发射模块和服务端，射频发射模块具有特有的序列号以及三维位置信息，定位终端内部装有射频接收器，定位终端每经过一个射频发射模块，射频接收器即可获得准确的位置信息，定位终端包括三维加速度计、三轴陀螺仪、射频信号接收器、无线通信模块、微处理器和外壳，三维加速度计与三轴陀螺仪固定在外壳内，外壳的Z轴垂直向上，三维加速度计的通信主线与微处理器相连，三轴陀螺仪与三维加速度计坐标系重合，三轴陀螺仪的通信主线与微处理器相连，射频信号接收器和无线通信模块分别固定在外壳内部两侧，其通信主线都与微处理器相连；

定位终端内的三维加速度计和三轴陀螺仪分别实时记录每一时刻三个坐标轴上的加速度和偏移标准坐标系的夹角，进而得到每一时刻的矢量速度，三维加速度计对加速度值的采集增加了去抖处理，将超出一定阈值的加速度值作为异常值予以剔除，采用滑动窗口滤波的方法对加速度值进行平滑滤波。

本发明进一步限定的技术方案是：

前述射频发射模块在每个楼层采用蜂窝型式布置，在楼层之间的楼梯、电梯、过道采用线型布置，整个空间做到无缝覆盖；且服务端将所述定位终端按照组别划分，同时定义每个所述定位终端的权限级别，并设定位置信息的共享范围。

本发明采用惯性制导原理，通过定位终端内的三维加速度计和三轴陀螺仪分别实时记录每一时刻三个坐标轴上的加速度和偏移标准坐标系的夹角，进而可以得到每一时刻的矢量速度，从而对每一时刻的速度进行积分即可求出定位终端的移动路径和当前位置。

同时运用射频识别校正原理，由于惯性制导的累积误差随着移动的距离增加而变大，当经过相当距离后，惯性制导的效果会变差；所以，在室内特定的位置设置若干个射频发射模块，每个射频发射模块都有特有的序列号以及三维位置信息；定位终端内部装有射频接收器，每经过一个射频发射模块，射频接收器就会获得准确的位置信息，从而逐段消除了累积误差，大大提高了全程的定位精度。

本发明的算法部分还作了进一步的改进，首先，加速度值的采集增加了去抖处理，将超出一定阈值的加速度值作为异常值予以剔除，采用滑动窗口滤波的方法对加速度值进行平滑滤波；其次，优化了射频发射器的空间布局，在每个楼层采用蜂窝型式布置，在楼层之间的楼梯、电梯、过道采用线型布置，整个空间做到无缝覆盖；最后，服务端程序可以将定位终端按照组别划分，也可以定义每个定位终端的权限级别，还可以设定位置信息的共享范围。

进一步的，

本发明还提供一种基于惯性制导和射频识别的室内定位方法，其***工作流程包含以下步骤：

步骤一：将需要定位的室内场所的三维地图信息下载到定位终端，在需要定位的室内确定一个原点，以垂直地面向上为Z轴，以任意互相垂直的方向设置X、Y轴，建立三维直角坐标系，设置单位长度为分米；

步骤二：确定定位终端初始位置的坐标，设置定位终端初始点的坐标为(x0,y0,z0),且速度为零，加速度为零；

步骤三：使用者持定位终端在该室内场所移动，定位终端实时记录三维加速度和偏角，终端内的三轴陀螺仪实时记录X’轴与X轴的夹角α(以X轴逆时针方向为正)，Z’轴与Z轴的夹角β(以Z轴逆时针方向为正，范围为正负180度)，定位终端内的三维加速度计记录下三个坐标轴方向的加速的a_x’，a_y’，a_z’并计算出实时的三维坐标；

步骤四：在特定的位置设置若干个射频发射器，使其周期性的广播自身位置信息，当定位终端经过时，定位终端上的射频接收器将会接收到该射频发射器广播的位置信息，用以对自身的位置进行校正；

步骤五：定位终端将实时的三维坐标发送到服务端，服务端通过数据处理，将得到场所内所有定位终端的位置信息，并根据组别、权限设置发布给相应的定位终端。

其中，步骤三中实时三维坐标的计算方法为：

首先，算出按原有X、Y、Z轴方向的加速度分量a_x，a_y，a_z：

\{\begin{matrix} a_{x} = {a_{x}}^{,} \cos β \cos α - {a_{y}}^{,} \cos β \cos α + \frac{β}{| β |} {a_{z}}^{,} \cos α \cos β \\ a_{y} = {a_{x}}^{,} \cos β \sin α + {a_{y}}^{,} \cos β \cos α - \frac{β}{| β |} {a_{z}}^{,} \sin α \cos β \\ a_{z} = {a_{z}}^{,} \sin β \frac{\cos β}{| \cos β |} + {a_{x}}^{,} \sin β + {a_{y}}^{,} \sin β \end{matrix}

然后，根据每一时刻的加速度计算每一时刻的速度分量v_x’，v_y’，v_z’：

\{\begin{matrix} {v_{x}}^{,} = v_{x} + a_{x} dt \\ {v_{y}}^{,} = v_{y} + a_{y} dt \\ {v_{z}}^{,} = v_{z} + a_{z} dt \end{matrix}

最后，根据速度分量计算定位终端现在的坐标:

\{\begin{matrix} x^{'} = {&Integral; v_{x}}^{,} dt + x \\ y^{'} = {&Integral; v_{y}}^{,} dt + y \\ y^{'} = {&Integral; v_{z}}^{,} dt + z \end{matrix}

前述步骤四中定位终端上的射频接收器接收所述射频发射器广播的位置信息时，从信号强度达到阀值时开始校正，当信号强度达到峰值并开始下降时，将此处的三维坐标同步为该射频发射器的坐标。

本发明的有益效果是：

本发明应用了惯性制导技术进行定位，消除了传统室内定位利用无线定位时产生的定位精度低，稳定性差，受复杂的空间格局影响大，易受电磁噪音干扰等缺点。同时又利用了射频识别技术，在每个节点对定位终端的三维坐标进行校正，从根本上解决了惯性制导初始定位精度高，但误差会逐步累积的缺点。此外，本发明使用的定位终端利用惯性及射频定位，***结构简单，成本低廉，能耗低，十分适合大范围使用。

附图说明

图1为本发明的三维直角坐标系示意图；

图2为本发明的定位终端模型示意图；

其中，201-外壳，202-三维加速度计，203-三轴陀螺仪，204-射频信号接收器，205-无线通信模块，206-微处理器。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明所述三维加速度计选用型号为ADXL330，灵敏度达300mV/g；

本发明所述三轴陀螺仪选用型号为MPU-3050，模块内置AD转换器，16位数字输出，灵敏度达131LSBs/dps；

本发明所述微处理器选用型号为S3C2410；

本发明所述射频接收器选用型号为AS3992，其具有-86dBm的超高接收器灵敏度；

本发明所述无线通信模块选用型号为nRF24L01，采用Zigbee通信协议与服务端通信；

本发明所述射频发射器采用的是UHF无源RFID标签，最大识别距离达到10米；

本发明中采用了工作站ThinkStation C30作为服务端主机。

实施例1

本实施例提供一种基于惯性制导和射频识别的室内定位装置，结构如图1、图2所示，包括定位终端、射频发射模块和服务端，射频发射模块具有特有的序列号以及三维位置信息，定位终端内部装有射频接收器，定位终端每经过一个射频发射模块，射频接收器即可获得准确的位置信息，定位终端包括三维加速度计202、三轴陀螺仪203、射频信号接收器204、无线通信模块205、微处理器206和外壳201，三维加速度计202与三轴陀螺仪203固定在外壳201内，外壳201的Z轴垂直向上，三维加速度计202的通信主线与微处理器206相连，三轴陀螺仪203与三维加速度计202坐标系重合，三轴陀螺仪203的通信主线与微处理器206相连，射频信号接收器204和无线通信模块205分别固定在外壳201内部两侧，其通信主线都与微处理器206相连；

前述定位终端内的三维加速度计202和三轴陀螺仪203分别实时记录每一时刻三个坐标轴上的加速度和偏移标准坐标系的夹角，进而得到每一时刻的矢量速度，三维加速度计202对加速度值的采集增加了去抖处理，将超出一定阈值的加速度值作为异常值予以剔除，采用滑动窗口滤波的方法对加速度值进行平滑滤波；射频发射模块在每个楼层采用蜂窝型式布置，在楼层之间的楼梯、电梯、过道采用线型布置，整个空间做到无缝覆盖；服务端将定位终端按照组别划分，同时定义每个所述定位终端的权限级别，并设定位置信息的共享范围。

实施例2

本实施例提供一种基于惯性制导和射频识别的室内定位方法，其***工作流程包含以下步骤：

步骤三：使用者持定位终端在该室内场所移动，定位终端实时记录三维加速度和偏角，终端内的三轴陀螺仪实时记录X’轴与X轴的夹角α(以X轴逆时针方向为正)，Z’轴与Z轴的夹角β(以Z轴逆时针方向为正，范围为正负180度)，定位终端内的三维加速度计记录下三个坐标轴方向的加速的a_x’，a_y’，a_z’，并计算出实时的三维坐标；

其中，步骤三中实时三维坐标的计算方法为：

首先，算出按原有X、Y、Z轴方向的加速度分量a_x，a_y，a_z：

\{\begin{matrix} a_{x} = {a_{x}}^{,} \cos β \cos α - {a_{y}}^{,} \cos β \cos α + \frac{β}{| β |} {a_{z}}^{,} \cos α \cos β \\ a_{y} = {a_{x}}^{,} \cos β \sin α + {a_{y}}^{,} \cos β \cos α - \frac{β}{| β |} {a_{z}}^{,} \sin α \cos β \\ a_{z} = {a_{z}}^{,} \sin β \frac{\cos β}{| \cos β |} + {a_{x}}^{,} \sin β + {a_{y}}^{,} \sin β \end{matrix}

\{\begin{matrix} {v_{x}}^{,} = v_{x} + a_{x} dt \\ {v_{y}}^{,} = v_{y} + a_{y} dt \\ {v_{z}}^{,} = v_{z} + a_{z} dt \end{matrix}

最后，根据速度分量计算定位终端现在的坐标:

\{\begin{matrix} x^{'} = {&Integral; v_{x}}^{,} dt + x \\ y^{'} = {&Integral; v_{y}}^{,} dt + y \\ y^{'} = {&Integral; v_{z}}^{,} dt + z \end{matrix}

步骤四中定位终端上的射频接收器接收所述射频发射器广播的位置信息时，从信号强度达到阀值时开始校正，当信号强度达到峰值并开始下降时，将此处的三维坐标同步为该射频发射器的坐标。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种基于惯性制导和射频识别的室内定位装置，包括定位终端、射频发射模块和服务端，所述射频发射模块具有特有的序列号以及三维位置信息，所述定位终端内部装有射频接收器，所述定位终端每经过一个射频发射模块，射频接收器即可获得准确的位置信息，其特征在于，所述定位终端包括三维加速度计(202)、三轴陀螺仪(203)、射频信号接收器(204)、无线通信模块(205)、微处理器(206)和外壳(201)，所述三维加速度计(202)与三轴陀螺仪(203)固定在所述外壳(201)内，所述外壳(201)的Z轴垂直向上，所述三维加速度计(202)的通信主线与所述微处理器(206)相连，所述三轴陀螺仪(203)与所述三维加速度计(202)坐标系重合，三轴陀螺仪(203)的通信主线与所述微处理器(206)相连，所述射频信号接收器(204)和所述无线通信模块(205)分别固定在外壳(201)内部两侧，其通信主线都与所述微处理器(206)相连。

2.根据权利要求1所述的基于惯性制导和射频识别的室内定位装置，其特征在于，所述定位终端内的三维加速度计(202)和三轴陀螺仪(203)分别实时记录每一时刻三个坐标轴上的加速度和偏移标准坐标系的夹角，进而得到每一时刻的矢量速度，所述三维加速度计(202)对加速度值的采集增加了去抖处理，将超出一定阈值的加速度值作为异常值予以剔除，采用滑动窗口滤波的方法对加速度值进行平滑滤波。

3.根据权利要求1所述的基于惯性制导和射频识别的室内定位装置，其特征在于，所述射频发射模块在每个楼层采用蜂窝型式布置，在楼层之间的楼梯、电梯、过道采用线型布置，整个空间做到无缝覆盖。

4.根据权利要求1所述的基于惯性制导和射频识别的室内定位装置，其特征在于，所述服务端将所述定位终端按照组别划分，同时定义每个所述定位终端的权限级别，并设定位置信息的共享范围。

5.用于权利要求1所述装置的基于惯性制导和射频识别的室内定位方法，其特征在于，***工作流程包含以下步骤：

步骤三：使用者持定位终端在该室内场所移动，定位终端实时记录三维加速度和偏角，终端内的三轴陀螺仪实时记录X’轴与X轴的夹角α，以逆时针方向为正，Z’轴与Z轴的夹角β，定位终端内的三维加速度计记录下三个坐标轴方向的加速的a_x’，a_y’，a_z’，并计算出实时的三维坐标；

6.根据权利要求5所述的基于惯性制导和射频识别的室内定位方法，其特征在于，所述步骤三中实时三维坐标的计算方法为：

首先，算出按原有X、Y、Z轴方向的加速度分量a_x，a_y，a_z：

最后，根据速度分量计算定位终端现在的坐标:

。

7.根据权利要求5所述的基于惯性制导和射频识别的室内定位方法，其特征在于，所述步骤四中定位终端上的射频接收器接收所述射频发射器广播的位置信息时，从信号强度达到阀值时开始校正，当信号强度达到峰值并开始下降时，将此处的三维坐标同步为该射频发射器的坐标。