CN105628028A - 一种基于手机内置传感器的室内三维定位***及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于手机内置传感器的室内三维定位***及定位方法,利用手机加速度传感器的加速度数据估算每一步的步长，结合方位角得到测量人员的二维坐标，由压力传感器的压力值推算出海拔高度，进而实现室内人员的精确定位。本发明利用手机现有的零部件实现了手机持有者的室内定位，成本低，操作方便，完全满足室内定位的技术需求，具备很好的经济价值和实用价值。

Description

一种基于手机内置传感器的室内三维定位***及定位方法

技术领域

本发明属于手机室内定位技术领域，具体涉及一种基于手机内置传感器的室内三维定位***及定位方法。

背景技术

目前，定位技术大多是针对室外定位，室内定位的则很少。在一些领域，如，室内消防演练、复杂环境的应急救援、室内追踪等，需要对室内人员在室内的运动路径及位置进行实时跟踪，室外定位技术无法应用到这些领域。

一般而言，手机都内置有加速度传感器、方向传感器、压力传感器(如下面介绍)，却各自功能独立，并没有应用到室内定位中。

手机加速度传感器：加速度传感器经常用于各种游戏或程序页面的翻转，其三个读数表示空间坐标系中X、Y、Z方向上的加速度减去重力加速度在相应轴上的分量。当手机放在水平的桌面上时，桌面给手机的支持力造成的加速度值，当手机移动的时候，这三个数值将发生变化。

同时在步行状态下，人腿部的水平加速度和垂直加速度均会产生规律性变化，在步行迈步的动作中，步行脚向上脱离地面，水平加速度增加，垂直加速度减小，之后继续向前行走，直到步行脚落地。

方向传感器:是利用加速度计和地磁场传感器得到自己的数据，这就使得加速度传感器比较特殊，它的数值是相对于绝对方向的，它得到的是手机设备的绝对姿态值。

方向传感器融合了加速度计、磁向计和陀螺仪，使用真正的自适应卡尔曼滤波算法，正确覆盖磁向计数据的扭曲和异常，可以提供更精确和可靠地数据。

压力传感器：是通过测出人员当前所处环境的大气压，然后根据气压值计算出海拔高度。

如果能提供一种整合手机内置加速度传感器、方向传感器、压力传感器，以实现室内定位，是十分有意义的。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了一种基于手机内置传感器的室内三维定位***，包括具有无线接收模块的上位机端、手机客户端，所述手机客户端设置有处理器、坐标计算模块、加速度传感器、计时器、方向传感器、压力传感器、无线发送模块。

上位机端用于与各个手机客户端进行通信，采集其在室内的位置信息，并进行位置显示。

手机客户端固定于手机持有者的腿部。

所述坐标计算模块内置室内三维坐标系信息，所述室内三维坐标系以正北方向为Y轴正向，正东方向为X轴正向，垂直于地面且向上的方向为Z轴正向。

所述坐标计算模块根据步频及步长信息、运动方向信息、海拔高度位置信息进行位置运算。

所述处理器用于判断腿部的运动状态。

加速度传感器根据采集腿部在Y轴、Z轴上运动的加速度，进而使得坐标计算模块得到步频及步长信息。

方向传感器采集手机持有者运动方向信息。

压力传感器采集其所在位置的海拔高度位置信息。

无线发送模块用于将坐标计算模块计算得到的位置信息传递给上位机的无线接收模块。

上述基于手机内置传感器的室内三维定位***的定位方法，包括如下步骤：

步骤一：设定每步步行时间的上阈值和下阈值，手机客户端进入初始状态。

步骤二：定时器清零，开始计时，手机处理器开始计步，并判断计步时间是否介于上阈值与下阈值之间：如果是，则周期循环执行步骤a～f；如果否则处理器判断人员为静止状态，重复进行步骤二；

a：方向传感器采集手机持有者运动方向信息，压力传感器采集其所在位置的海拔高度位置信息

b：加速度传感器采集腿部在Y轴、Z轴上的运动加速度，并经处理器判断腿部Y轴加速度、Z轴加速度是再增大还是减小，

如果Y轴加速度增大、Z轴加速度增大，则为向前迈步状态；

如果Y轴加速度增大、Z轴加速度减小，则为向后收步状态；

如果Y轴加速度减小、Z轴加速度减小，则为计步状态；

c：判断计步时间是否介于上阈值与下阈值之间，如为否，则回到步骤二，如为是则进行如下：

当步骤a为向前迈步状态时，如果Y轴加速度减小、Z轴加速度增大，转化为计步状态，当步骤a为向后收步状态，如果Y轴加速度减小、Z轴加速度减小，转化为计步状态，步长信息采集结束，向前迈步或向后收步状态的起始时间为计步时间的起点，计步状态的结束时间为计步时间的终点；

d：坐标计算模块计算步频及步长值；

e：坐标计算模块根据步长值及运动方向信息，得到手机持有者所在位置的X/Y坐标值；

f：无线发送模块将X/Y坐标值发送给上位机，上位机进行对应手机客户端位置信息显示。

进一步的，最大时间阈值为2S，最小时间阈值为0.2S.

进一步的，步骤d中计算步频的公式为：f＝5/step_Interval，其中f是步频，step_Interval是计步时间。

计算步长的公式为：

$S=\left\{\begin{array}{cc}0.4375& 0<f\&le;1.35Hz\\ 0.45f-0.17& 1.35Hz<f<2.45Hz\\ 0.9325& 2.45\&le;f<+\mathrm{\&infin;}\end{array}\right.$

其中，S为步长，单位是米。

进一步的，步骤e计算X/Y坐标值的的公式具体为：

$\left\{\begin{array}{c}Displacement\_X=Displacement\_X+Step\_Dis\tan ce*Math.\sin (orientation*Math.PI/180)\\ Displacement\_Y=Displacement\_Y+Step\_Dis\tan ce*Math.\cos (orientation*Math.PI/180)\end{array}\right.$

式子中，Displacement_X,Displacement_Y分别代表X坐标值、Y坐标值，orientation*Math.PI/180代表手机在XY平面上的投影与Y轴正向方向的弧度值。

本发明的有益效果为：

本发明利用手机现有的零部件实现了手机持有者的室内定位，成本低，操作方便，完全满足室内定位的技术需求，具备很好的经济价值和实用价值。

附图说明

图1是计步流程图。

具体实施方式

本发明的设计构思为：利用手机加速度传感器的加速度数据估算每一步的步长，结合方位角得到测量人员的二维坐标，由压力传感器的压力值推算出海拔高度，进而实现室内人员的精确定位。

为了使用传感器的数据，需要在传感器注册方法中注册加速度和方向传感器以及气压传感器，考虑到正常成年人行走一步的时间介于0.2秒到2秒之间，设置传感器每0.2秒进行一次传感器状态判断。如果传感器状态发生改变，则实时更新传感器的数据值。

此次发明的主要技术核心在于三维坐标值的获取和计算，以及数据的实时传输和显示。

下面进行详细介绍。

所述基于手机内置传感器的室内三维定位***，包括具有无线接收模块的上位机端、至少一个手机客户端，所述手机客户端设置有处理器、坐标计算模块、加速度传感器、计时器、方向传感器、压力传感器、无线发送模块；

上位机端用于与各个手机客户端进行通信，采集其在室内的位置信息，并进行位置显示。上位机端有一个窗口界面，可视化的显示定位人员的行走轨迹。为了实现界面窗口，并且结合java的编程原则，在程序中，新建一个server类，继承ApplicationFrame类。

上位机端的实现，采用JFreechart进行数据的处理，包括继承ApplicationFrame的类的构造函数、实现数据接收和处理的主函数、绘制折线图的函数、设置图表参数的函数、实现DataSet接口函数。

手机客户端固定于手机持有者的腿部。指定腿部的原因是因为腿部运动能直接反应人体运动的速度和状态。

所述坐标计算模块内置室内三维坐标系信息，所述室内三维坐标系以正北方向为Y轴正向，正东方向为X轴正向，垂直于地面且向上的方向为Z轴正向。XY坐标系的确定利用了方向传感器。

所述坐标计算模块根据步频及步长信息、运动方向信息、海拔高度位置信息进行位置运算。

所述处理器用于判断腿部的运动状态，进行计步。本发明的计步过程共分为五部分：静止状态、计步初始化状态、迈步判断状态、收步判断状态和计步状态。步行的五个状态在判断时，都需要首先调用计时器，判断每步的时间是否介于上阈值与下阈值之间，由于人正常行走频率为0.5Hz-5Hz，行走一步的时间在0.2s和2s之间。如果步行时间小于0.2s或者大于2s，则应重新回到计步静止状态，并且把计步时间清零，重新开始计步。如果小于则继续执行，大于的话就重新回到静止状态判断，并将计时器清零。

加速度传感器根据采集腿部在Y轴、Z轴上运动的加速度，进而使得坐标计算模块得到步频及步长信息。

方向传感器采集手机持有者运动方向信息。

压力传感器采集其所在位置的海拔高度位置信息。

无线发送模块用于将坐标计算模块计算得到的位置信息传递给上位机的无线接收模块。

上述定位***的定位方法包括如下步骤：

步骤一：设定每步步行时间的上阈值和下阈值，手机客户端进入初始状态。

上阈值为2秒，下阈值为0.2秒。

步骤二：定时器清零，开始计时，手机处理器开始计步，并判断是否介于上阈值与下阈值之间：如果否，处理器判断手机持有者为静止状态，重复进行步骤二；如果是，则周期循环执行a～f(优选的，监听周期为0.2s)：

a.方向传感器采集手机持有者运动方向信息，压力传感器采集其所在位置的海拔高度位置信息。

b.加速度传感器采集腿部在Y轴、Z轴上的运动加速度，并经处理器判断腿部Y轴加速度、Z轴加速度是再增大还是减小。

如果Y轴加速度增大、Z轴加速度增大，则为向前迈步状态；

如果Y轴加速度增大、Z轴加速度减小，则为向后收步状态；

如果Y轴加速度减小、Z轴加速度减小，则为计步状态。

c：判断计步时间是否介于上阈值与下阈值之间，如为否，则回到步骤二，如为是则进行如下：

如图1所示，当步骤a为向前迈步状态时，如果Y轴加速度减小、Z轴加速度增大，转化为计步状态，当步骤a为向后收步状态，如果Y轴加速度减小、Z轴加速度减小，转化为计步状态，步长信息采集结束，向前迈步或向后收步状态的起始时间为计步时间的起点，计步状态的结束时间为计步时间的终点；

步频探测可以根据计时器的计时结果进行计算，步频计算方程为：

f＝1/0.2*timer_count

(公式3-1)

公式3-1通常会简化成：

f＝5/step_Interval

(公式3-2)

其中的step_Interval是计步程序中代表计步总时间的符号，因为timer_count只能代表一次计数的数值，而当一次行走中，出现突然的静止状态时，需要考虑计步前一部分time_count和后一部分time_count的计数总和。

步长估计程序，负责根据计步时得到的步频值估算具体的步长，根据人体步行的时间规律，当步行人员步频大小处于合适的范围，步频和步长的关系可以近似理解为线性关系。本文的步长估计就选择了线性步长估计模型,实时的步频与步长的模型如公式3-3：

$s=\left\{\begin{array}{cc}0.4375& 0<f\&le;1.35Hz\\ 0.45f-0.17& 1.35Hz<f<2.45Hz\\ 0.9325& 2.45\&le;f<+\mathrm{\&infin;}\end{array}\right.$ (公式3-3)

式中：S为步幅，单位是米；f为步频。

d：坐标计算模块计算步频及步长值。

e：坐标计算模块根据步长值及运动方向信息，得到手机持有者所在位置的X/Y坐标值。

由步长值和方向角，就可以求出定位人员的X/Y坐标值，满足如下公式：

$\left\{\begin{array}{c}Displacement\_X=Displacement\_X+Step\_Dis\tan ce*Math.\sin (orientation*Math.PI/180)\\ Displacement\_Y=Displacement\_Y+Step\_Dis\tan ce*Math.\cos (orientation*Math.PI/180)\end{array}\right.$ (公式3-4)

Displacement_X,Displacement_Y分别代表X坐标值、Y坐标值，orientation*Math.PI/180代表手机在XY平面上的投影与Y轴正向方向的弧度值。

f：无线发送模块将X/Y坐标值发送给上位机，上位机进行对应手机客户端位置信息显示。

本领域技术人员应该理解，坐标值的传输，首先需要设置socket传输协议的IP地址和端口号。在数据的写入时，使用DataOutputInstream包装类，新建一个数据输出流。这两部分均是在程序的初始化部分完成。另外如果要避免使用socket协议出现错误提示，同时需要对当前的android版本号进行设置。

Claims (6)

1.一种基于手机内置传感器的室内三维定位***，其特征在于，包括具有无线接收模块的上位机端、手机客户端，所述手机客户端设置有处理器、坐标计算模块、加速度传感器、计时器、方向传感器、压力传感器、无线发送模块；

上位机端用于与各个手机客户端进行通信，采集其在室内的位置信息，并进行位置显示；

手机客户端固定于手机持有者的腿部；

所述坐标计算模块内置室内三维坐标系信息，所述室内三维坐标系以正北方向为Y轴正向，正东方向为X轴正向，垂直于地面且向上的方向为Z轴正向；

所述坐标计算模块根据步频及步长信息、运动方向信息、海拔高度位置信息进行位置运算；

所述处理器用于判断腿部的运动状态；

加速度传感器根据采集腿部在Y轴、Z轴上运动的加速度，进而使得坐标计算模块得到步频及步长信息；

方向传感器采集手机持有者运动方向信息；

压力传感器采集其所在位置的海拔高度位置信息；

无线发送模块用于将坐标计算模块计算得到的位置信息传递给上位机的无线接收模块。

2.如权利要求1所述的基于手机内置传感器的室内三维定位***的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：设定每步步行时间的上阈值和下阈值，手机客户端进入初始状态；

步骤二：定时器清零，开始计时，手机处理器开始计步，并判断计步时间是否介于上阈值与下阈值之间：如果是，则周期循环执行步骤a～f；如果否则处理器判断人员为静止状态，重复进行步骤二；

a：方向传感器采集手机持有者运动方向信息，压力传感器采集其所在位置的海拔高度位置信息

b：加速度传感器采集腿部在Y轴、Z轴上的运动加速度，并经处理器判断腿部Y轴加速度、Z轴加速度是再增大还是减小，

如果Y轴加速度增大、Z轴加速度增大，则为向前迈步状态；

如果Y轴加速度增大、Z轴加速度减小，则为向后收步状态；

如果Y轴加速度减小、Z轴加速度减小，则为计步状态；

c：判断计步时间是否介于上阈值与下阈值之间，如为否，则回到步骤二，如为是则进行如下：

当步骤a为向前迈步状态时，如果Y轴加速度减小、Z轴加速度增大，转化为计步状态，当步骤a为向后收步状态，如果Y轴加速度减小、Z轴加速度减小，转化为计步状态，步长信息采集结束，向前迈步或向后收步状态的起始时间为计步时间的起点，计步状态的结束时间为计步时间的终点；

d：坐标计算模块计算步频及步长值；

e：坐标计算模块根据步长值及运动方向信息，得到手机持有者所在位置的X/Y坐标值；

f：无线发送模块将X/Y坐标值发送给上位机，上位机进行对应手机客户端位置信息显示。

3.如权利要求1所述的基于手机内置传感器的室内三维定位***的定位方法，其特征在于，步骤二中所述周期为0.2S。

4.如权利要求1所述的基于手机内置传感器的室内三维定位***的定位方法，其特征在于，最大时间阈值为2S，最小时间阈值为0.2S。

5.如权利要求3所述的基于手机内置传感器的室内三维定位***的定位方法，其特征在于，步骤d中计算步频的公式为：f＝5/step_Interval，其中f是步频，step_Interval是计步时间；

计算步长的公式为：

$S=\left\{\begin{array}{cc}0.4375& 0<f\&le;1.35Hz\\ 0.45f-0.17& 1.35Hz<f<2.45Hz\\ 0.9325& 2.45\&le;f<+\mathrm{\&infin;}\end{array}\right.$

其中，S为步长，单位是米。

6.如权利要求3所述的基于手机内置传感器的室内三维定位***的定位方法，其特征在于，步骤e计算X/Y坐标值的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}Displacement\_X=Displacement\_X+Step\_Dis\tan ce*Math.\sin (orientation*Math.PI/180)\\ Displacement\_Y=Displacement\_Y+Step\_Dis\tan ce*Math.\cos (orientation*Math.PI/180)\end{array}\right.$

式子中，Displacement_X,Displacement_Y分别代表X坐标值、Y坐标值，orientation*Math.PI/180代表手机在XY平面上的投影与Y轴正向方向的弧度值。