CN107806878A - 一种基于智能手机室内外一体化定位和导航的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于智能手机室内外一体化定位和导航的方法，包括如下步骤：步骤1：定位信息获取及定位信息预处理，利用智能手机内置功能提取信息，再通过算法进行预处理得到定位特征信息；步骤2：设置GPS阈值系数与判断所处位置是室内或是室外；步骤3：如若是室外，采取高德API形式进行室外精准定位，若是室内，则利用手机传感器基于自己开发的室内融合技术方法，再随意提取自己手机内存地图，进行室内精准定位，从而达到室内外精准定位和导航一体化。本发明可实现室内外定位一体化和及时更新地图信息，提高了定位信息和定位精度并且增强了定位和导航的便捷度。
Description
技术领域
本发明涉及室内外地图定位和导航技术领域，具体涉及一种基于智能手机室内外一体化定位和导航的方法。
背景技术
在整个现代人类的生活中，定位技术的应用已从原先单一的定位功能已逐步延伸到消费、娱乐、社交等众多应用领域。在业界内广泛使用的GPS***能够较好地解决室外定位问题，然而在室内以及其他遮蔽环境下，GPS信号的强度和质量急剧下降，无法解决室内复杂环境下的可靠定位问题，需要寻求其他的定位技术以适应室内定位的需求。室内环境非常复杂，信号传播往往会受到天花板、墙壁、隔板等障碍物的阻挡，信号发生反射、折射、衍射、散射现象，出现多径传播影响和非视距效应，使得室内定位极具挑战。现有的室内定位技术包括红外(IR)、超声波、射频识别(RFID)、无线局域网(WLAN)、蓝牙(Blue Tooth)、超宽带(Ultra Wideband)等。这些室内定位技术完全依赖于定位场景中的信号特征，而这些信号容易受到环境的干扰，并且需要通过数学估计模型对位置进行估算，导致位置估计结果精度和误差较大。现有的定位技术各具有优缺点，目前仍然没有一种有效的定位方法能够满足室内LBS定位的准确度要求的同时实现室内外定位一体化和及时更新地图信息。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所解决的问题是如何满足室内LBS定位的准确度要求的同时实现室内外定位一体化和及时更新地图信息问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种基于智能手机室内外一体化定位和导航的方法，包括如下步骤：
步骤1：定位信息获取及定位信息预处理，利用智能手机内置功能提取信息，再通过算法进行预处理得到定位特征信息；
步骤2：设置GPS阈值系数与判断所处位置是室内或是室外；
步骤3：如若是室外，采取高德API形式进行室外精准定位，若是室内，则利用手机传感器基于自己开发的室内融合技术方法，再随意提取自己手机内存地图，进行室内精准定位，从而达到室内外精准定位和导航一体化。
步骤1中，所述定位信息获取包括了加速度，角度，地磁信息，WiFi信号强度，ibeacon基站蓝牙信号强度，和GPS信号强度。
步骤1中，所述定位信息预处理是提取采集定位信号的特征值，转化成定位特征数据。
步骤1中，所述定位特征信息数据包括：
(1)室外数据即GPS数据，令用户真实位置坐标为(X，Y，Z)对应最佳卫星坐标为(Xi，Yi，Zi)，i＝1，2，3，4，手机用户钟差为Δtj，c为光速，伪距表示为ρi；
(2)室外数据：
加速度数据，v0，vm分别表示t0，tm时刻手机线速度，a表示手机一个方向的加速度，为t0到tm的平均速度，Δs手机的相对位移；
地磁数据，不同经纬度和高度下地球表面地磁场强度不同，从而构成了不同经纬度和高度下的一种矢量特征，通过手机内置陀螺仪可以得到主地磁场Mz、地壳地磁场Md和干扰地磁场Mg；
WiFi数据和蓝牙接收数据，当使用指纹识别方法进行室内目标定位时，需要部署少量位置固定的AP节点，接收节点使用接收到的多个AP信号强度构建RSS向量；假设接收节点观测到的RSS向量表示为s＝(s1，s2，…si，…，sp)，其中si，为第i信标节点发射、接收节点接收到的RSS值，p为信标节点总数。
步骤2中，所述设置GPS阈值系数是根据GPS信号强度计算权重，再进行设置阈值系数，具体做法如下，
根据以上采集得到的GPS数据得到伪距：
其中，(X0，Y0，Z0)为用户近似位置坐标，
令
则得到精度系数矩阵为：
则GPS定位精度系数为：
步骤2中，所述判断所处位置是室内或是室外是通过室内、室外GPS信号强度的测试数据计算权重值，再设计系数GPS信号表，依据GPS信号的强弱和GPS信号系数表来判断。
步骤3中，所述采取高德API形式进行室外精准定位是指采取高德地图的定位和导航原理利用其API进行精准的室外定位和导航。
步骤3中，所述利用手机传感器基于自己开发的室内融合技术方法是指采取自己改动的算法，融合了PDR、地磁、Wi-Fi和蓝牙的技术手段能够室内定位和导航，具体处理方法如下：
(1)改进惯导辅助MSD匹配算法
根据手机加速度计获得3个线加速度数值，经过坐标变换，导航计算，可得到手机的位置、速度和姿态等导航信息：
M(r,t)＝Mz(r,t)+Md(r)+Mg(r,t)
令磁场投射的水平强度为H，磁偏角为磁倾角为φ，则：
(2)决策级多模融合算法
某一位置接收的信号强度与其所在的位置存在一定的映射关系为：
l＝f(s)
基于该映射关系，在离线训练阶段，在空间中每一个坐标点采集多次AP信号数据，构成多个RSS向量r＝(r1，r，…ri，…，rp)；如果对每个坐标点的所有RSS向量的各分量分别求平均值，所得到的平均RSS向量值便可作为该点的特征值
式中rjk为rj的第k个分量，rik为ri第k个分量且满足，n为该坐标点采集的RSS向量总数；这样场景中每个坐标都可以得到一个这样的特征向量，而所有坐标的特征向量便可以构成本文中所用到的指纹库从而建立相应的映射关系；
AP种类不止一种时，为了在决策级上进行多模融合，还需要对每个模型的定位结果加权求和；设第i类AP的定位结果为li＝(xi，yi)，多模融合后的定位结果为L＝(X，Y)，则可以根据以下公式进行决策级的融合：
其中wi是第i类AP定位结果的权值且∑wi＝1，n为多模AP的总数。
步骤3中，所述随意提取自己手机内存地图是指自己可以手动拍照、网上下载以及手动绘画的室内地图，上传至开发的APP里，结合开发的多信息融合手段，能快速、高效率地进行进准室内定位和导航。
与现有技术相比，本发明在地图定位和导航能够实现室内外定位一体化，定位和导航的精度高，而且能够结合实时提供地图进行导航和定位，解决了现有定位无法实现室内外定位一体化和无法及时更新地图信息的问题，同时解决了定位信息不准确和定位精度不高问题，提高了定位和导航的便捷度、准确度和精准度，改善了定位的性能。
附图说明
图1为基于智能手机室内外一体化定位和导航的方法的流程图；
图2为本发明室外定位效果图像；
图3为本发明室内定位和导航的实际效果图像。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但不是对本发明的限定。
实施例1：
如附图1，一种基于智能手机室内外一体化定位和导航的方法,包括以下步骤：
步骤1：定位信息获取及定位信息预处理，利用智能手机内置功能提取信息，再通过算法进行预处理得到定位特征信息；
步骤2：设置GPS阈值系数与判断所处位置是室内或是室外；
步骤3：如若是室外，采取高德API形式进行室外精准定位，若是室内，则利用手机传感器基于自己开发的室内融合技术方法，再随意提取自己手机内存地图，进行室内精准定位，从而达到室内外精准定位和导航一体化。
步骤1中，所述定位信息获取包括了加速度，角度，地磁信息，WiFi信号强度，ibeacon基站蓝牙信号强度，和GPS信号强度。
步骤1中，所述定位信息预处理是提取采集定位信号的特征值，转化成定位特征数据。
步骤1中，所述定位特征信息数据包括：
(1)室外数据即GPS数据，令用户真实位置坐标为(X，Y，Z)对应最佳卫星坐标为(Xi，Yi，Zi)，i＝1，2，3，4，手机用户钟差为Δtj，c为光速，伪距表示为ρi；
(2)室外数据：
加速度数据，v0，vm分别表示t0，tm时刻手机线速度，a表示手机一个方向的加速度，为t0到tm的平均速度，Δs手机的相对位移；
地磁数据，不同经纬度和高度下地球表面地磁场强度不同，从而构成了不同经纬度和高度下的一种矢量特征，通过手机内置陀螺仪可以得到主地磁场Mz、地壳地磁场Md和干扰地磁场Mg；
WiFi数据和蓝牙接收数据，当使用指纹识别方法进行室内目标定位时，需要部署少量位置固定的AP节点，接收节点使用接收到的多个AP信号强度构建RSS向量；假设接收节点观测到的RSS向量表示为s＝(s1，s2，…si，…，sp)，其中si，为第i信标节点发射、接收节点接收到的RSS值，p为信标节点总数。
步骤2中，所述设置GPS阈值系数是根据GPS信号强度计算权重，再进行设置阈值系数，具体做法如下，
根据以上采集得到的GPS数据得到伪距：
其中，(X0，Y0，Z0)为用户近似位置坐标，
令
则得到精度系数矩阵为：
则GPS定位精度系数为：
所述步骤2中，所述判断所处位置是室内或是室外是通过室内、室外GPS信号强度的测试数据计算权重值，再设计系数GPS信号表，依据GPS信号的强弱和GPS信号系数表来判断。
步骤3中，所述采取高德API形式进行室外精准定位是指采取高德地图的定位和导航原理利用其API进行精准的室外定位和导航，实验效果如图2所示。
步骤3中，所述利用手机传感器基于自己开发的室内融合技术方法是指采取自己改动的算法，融合了PDR、地磁、Wi-Fi和蓝牙的技术手段能够室内定位和导航，具体处理方法如下：
(3)改进惯导辅助MSD匹配算法
根据手机加速度计获得3个线加速度数值，经过坐标变换，导航计算，可得到手机的位置、速度和姿态等导航信息：
M(r，t)＝Mz(r，t)+Md(r)+Mg(r，t)
令磁场投射的水平强度为H，磁偏角为磁倾角为φ，则：
(4)决策级多模融合算法
某一位置接收的信号强度与其所在的位置存在一定的映射关系为：
l＝f(s)
基于该映射关系，在离线训练阶段，在空间中每一个坐标点采集多次AP信号数据，构成多个RSS向量r＝(r1，r，…ri，…，rp)；如果对每个坐标点的所有RSS向量的各分量分别求平均值，所得到的平均RSS向量值便可作为该点的特征值
式中rjk为rj的第k个分量，rik为ri第k个分量且满足，n为该坐标点采集的RSS向量总数；这样场景中每个坐标都可以得到一个这样的特征向量，而所有坐标的特征向量便可以构成本文中所用到的指纹库从而建立相应的映射关系；
AP种类不止一种时，为了在决策级上进行多模融合，还需要对每个模型的定位结果加权求和；设第i类AP的定位结果为li＝(xi，yi)，多模融合后的定位结果为L＝(X，Y)，则可以根据以下公式进行决策级的融合：
其中wi是第i类AP定位结果的权值且∑wi＝1，n为多模AP的总数。
步骤3中，所述随意提取自己手机内存地图是指自己可以手动拍照、网上下载以及手动绘画的室内地图，上传至开发的APP里，结合开发的多信息融合手段，能快速、高效率地进行进准室内定位和导航，实验效果如图3所示。
实施例2：
根据图2实验效果，通过实施例1中的地图定位和导航处理算法，提取定位信息特征，经过数据分析统计和融合手段，制定了地图的定位和导航的方法。
总体流程说明定位处理的信息通过一层层的预处理和分析最终实现室内外定位和导航一体化的效果。首先预处理GPS信息，判定是室内或是室外，若是室外，则根据GPS信号进行高精准度定位和导航。若是室内，则进一步处理室内信息，并将其融合，再结合手机提供的地图进行实时更新室内地图信息，进行室内定位和导航，最终实现室内外定位一体化。
与现有技术相比，本发明在地图定位和导航能够实现室内外定位一体化，定位和导航的精度高，而且能够结合实时提供地图进行导航和定位，解决了现有定位无法实现室内外定位一体化和无法及时更新地图信息的问题，同时解决了定位信息不准确和定位精度不高问题，提高了定位和导航的便捷度、准确度和精准度，改善了定位的性能。
以上结合附图对本发明的实施方式做出了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施方式进行各种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于智能手机室内外一体化定位和导航的方法，包括如下步骤：
步骤1：定位信息获取及定位信息预处理，利用智能手机内置功能提取信息，再通过算法进行预处理得到定位特征信息；
步骤2：设置GPS阈值系数与判断所处位置是室内或是室外；
步骤3：如若是室外，采取高德API形式进行室外精准定位，若是室内，则利用手机传感器基于自己开发的室内融合技术方法，再随意提取自己手机内存地图，进行室内精准定位，从而达到室内外精准定位和导航一体化。
2.根据权利要求1所述的基于智能手机室内外一体化定位和导航的方法，其特征在于：步骤1中，所述定位信息获取包括了加速度，角度，地磁信息，WiFi信号强度，ibeacon基站蓝牙信号强度，和GPS信号强度。
3.根据权利要求1所述的基于智能手机室内外一体化定位和导航的方法，其特征在于：步骤1中，所述定位信息预处理是提取采集定位信号的特征值，转化成定位特征数据。
4.根据权利要求1所述的基于智能手机室内外一体化定位和导航的方法，其特征在于：步骤1中，所述定位特征信息数据包括：
(1)室外数据即GPS数据，令用户真实位置坐标为(X，Y，Z)对应最佳卫星坐标为(Xi，Yi，Zi)，i＝1，2，3，4，手机用户钟差为Δtj，c为光速，伪距表示为ρi；
(2)室外数据：
加速度数据，v0，vm分别表示t0，tm时刻手机线速度，a表示手机一个方向的加速度，为t0到tm的平均速度，Δs手机的相对位移；
地磁数据，不同经纬度和高度下地球表面地磁场强度不同，从而构成了不同经纬度和高度下的一种矢量特征，通过手机内置陀螺仪可以得到主地磁场Mz、地壳地磁场Md和干扰地磁场Mg；
WiFi数据和蓝牙接收数据，当使用指纹识别方法进行室内目标定位时，需要部署少量位置固定的AP节点，接收节点使用接收到的多个AP信号强度构建RSS向量；假设接收节点观测到的RSS向量表示为s＝(s1，s2，…si，…，sp)，其中si为第i信标节点发射、接收节点接收到的RSS值，p为信标节点总数。
5.根据权利要求1所述的基于智能手机室内外一体化定位和导航的方法，其特征在于：步骤2中，所述设置GPS阈值系数是根据GPS信号强度计算权重，再进行设置阈值系数，具体做法如下：
根据以上采集得到的GPS数据得到伪距：
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6.根据权利要求1所述的基于智能手机室内外一体化定位和导航的方法，其特征在于：步骤2中，所述判断所处位置是室内或是室外是通过室内、室外GPS信号强度的测试数据计算权重值，再设计系数GPS信号表，依据GPS信号的强弱和GPS信号系数表来判断。
7.根据权利要求1所述的基于智能手机室内外一体化定位和导航的方法，其特征在于：步骤3中，所述采取高德API形式进行室外精准定位是指采取高德地图的定位和导航原理利用其API进行精准的室外定位和导航。
8.根据权利要求1所述的基于智能手机室内外一体化定位和导航的方法，其特征在于：步骤3中，所述利用手机传感器基于自己开发的室内融合技术方法是指采取自己改动的算法，融合了PDR、地磁、Wi-Fi和蓝牙的技术手段能够室内定位和导航，具体处理方法如下：
(1)改进惯导辅助MSD匹配算法
根据手机加速度计获得3个线加速度数值，经过坐标变换，导航计算，可得到手机的位置、速度和姿态等导航信息：
M(r,t)＝Mz(r,t)+Md(r)+Mg(r,t)
令磁场投射的水平强度为H，磁偏角为磁倾角为φ，则：
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<mo>;</mo>
</mrow>
(2)决策级多模融合算法
某一位置接收的信号强度与其所在的位置存在一定的映射关系为：
l＝f(s)
基于该映射关系，在离线训练阶段，在空间中每一个坐标点采集多次AP信号数据，构成多个RSS向量r＝(r1，r，…ri，…，rp)；如果对每个坐标点的所有RSS向量的各分量分别求平均值，所得到的平均RSS向量值便可作为该点的特征值
式中rjk为rj的第k个分量，rik为ri第k个分量且满足，n为该坐标点采集的RSS向量总数；这样场景中每个坐标都可以得到一个这样的特征向量，而所有坐标的特征向量便可以构成本文中所用到的指纹库从而建立相应的映射关系；
AP种类不止一种时，为了在决策级上进行多模融合，还需要对每个模型的定位结果加权求和；设第i类AP的定位结果为li＝(xi，yi)，多模融合后的定位结果为L＝(X，Y)，则可以根据以下公式进行决策级的融合：
<mrow>
<mi>X</mi>
<mo>=</mo>
<munderover>
<mi>&Sigma;</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mi>n</mi>
</munderover>
<msub>
<mi>w</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<msub>
<mi>x</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<mi>Y</mi>
<mo>=</mo>
<munderover>
<mi>&Sigma;</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mi>n</mi>
</munderover>
<msub>
<mi>w</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<msub>
<mi>y</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mrow>
其中wi是第i类AP定位结果的权值且Σwi＝1，n为多模AP的总数。
9.根据权利要求1所述的基于智能手机室内外一体化定位和导航的方法，其特征在于：步骤3中，所述随意提取自己手机内存地图是指自己可以手动拍照、网上下载以及手动绘画的室内地图，上传至开发的APP里，结合开发的多信息融合手段，能快速、高效率地进行进准室内定位和导航。
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| CN201710953198.9A CN107806878A (zh) | 2017-10-13 | 2017-10-13 | 一种基于智能手机室内外一体化定位和导航的方法 |
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