CN107911786A - 一种基于路网校正的混合室内定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于路网校正的混合室内定位方法，涉及室内定位领域，包括如下步骤：地图制作与定位基站铺设；无线信号采集与处理；混合室内定位算法。本发明的优越性为：支持多种无线传感器信号，包括蓝牙、Wi‑Fi、UWB、RFID等；采用了无线信号滤波和区域判定方法，进一步剔除了无关信号，减少了环境因素对定位结果的影响；基于室内地图数据的定位矫正方法，进一步提高了室内定位精度；采用了基于定位基站和空间数据库的定位计算结构，进一步提高了定位计算的效率。
Description
技术领域
本发明涉及室内定位领域，特别涉及一种接收多传感器信号基于室内地图数据的定位矫正方法采用了基于定位基站和空间数据库的定位计算结构的基于路网校正的混合室内定位方法。
背景技术
传统的定位技术，主要适用于室外空旷位置，利用同步卫星建立的定位***进行定位，例如全球定位***(Global Positioning System，通常简称GPS)、北斗***等。
然而随着城市的发展，建筑的规模越来越大，人们对室内定位的需求越来越大，然而室内接收卫星信号较差，无法使用卫星定位***。针对这一问题现有技术中出现了一些使用无线信号进行室内定位的方案。在这些方案中，利用无线信号强度随着距离增加，逐渐衰减的原理，在需要定位的室内设置无线信号发射器，由移动目标上的信号接收装置获取无线信号，将获取的无线信号强度作为参数通过信号强度衰减公式计算得出距离无线信号发射器的距离，并进一步实现定位。
但是由于以上距离计算公式在近距离时较为准确，当距离变远，由于电磁波的多径效应、信号干扰、物体遮挡等影响，计算得到的距离的准确度会下降，进而导致定位精度不高。
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的室内定位***和相应的室内定位方法。本发明一个进一步的目的是要使得室内定位精度更高。
发明内容
本发明实施例提供一种基于路网校正的混合室内定位方法，本发明方法支持多种无线传感器信号，包括蓝牙、Wi-Fi、UWB、RFID等。采用了无线信号滤波和区域判定方法，进一步剔除了无关信号，减少了环境因素对定位结果的影响。基于室内地图数据的定位矫正方法，进一步提高了室内定位精度。采用了基于定位基站和空间数据库的定位计算结构，进一步提高了定位计算的效率。
本发明实施例提供一种基于路网校正的混合室内定位方法，其中该方法包括如下步骤：
地图制作与定位基站铺设：对室内定位区域进行室内地图制作，将制作完成的室内地图数据保存至空间数据库；在室内定位区域内铺设定位传感器，基于空间数据库中的室内地图数据提取定位传感器坐标数据，连同定位基站信息共同保存；
无线信号采集与处理：对定位终端发射的无线信号采用滤波的方式进行噪声处理，根据滤波后无线信号数据，判定定位终端所在区域，根据区域判定结果，去除无关区域定位基站扫描到的无线信号，提取定位区域内定位基站接收到的无线信号数据；
混合室内定位算法：选取定位终端当前所在区域内的定位基站所扫描到的无线信号，计算定位基站至定位终端之间的实际距离；利用距离估算值，查询数据库中定位基站所在位置坐标信息，采用最小二乘的计算方法计算定位终端所在坐标位置；根据最小二乘定位计算结果，结合室内地图路网数据对定位结果进行校正。
一种基于路网校正的混合室内定位方法，其中所述地图制作与定位基站铺设包括如下步骤：
室内地图制作：室内地图制作是利用现有室内结构及分布数据制作矢量室内地图及室内通行路网，实现室内定位结果的地图显示及基于室内路网数据的室内定位结果校正，其次定位基站的铺设坐标数据基于室内地图提取；
室内地图数据入库：将制作完成的室内地图数据保存至空间数据库，对入库的室内路网数据进行空间拓扑检查，构建室内地图空间数据引擎，为定位基站坐标提取及定位校正提供基础地图数据依据；
定位基站铺设与坐标提取：定位基站铺设是在建筑物内部铺设定位基站设备；定位基站设备通过网络与定位引擎连接；定位基站可同时接收定位终端发射的无线信号，并通过网络发送至定位引擎。定位基站部署完成后，在室内地图标定定位基站所在室内坐标位置，并将定位基站信息录入定位引擎数据库；
定位基站数据录入：将定位终端基本信息数据连同位置坐标数据保存至空间数据库，为定位计算提供基准数据依据。
一种基于路网校正的混合室内定位方法，其中所述无线信号采集与处理包括如下步骤：
无线信号扫描与滤波：定位基站每隔固定时间对定位终端发射的无线信号进行扫描；定位基站扫描到的无线信号中存在噪声，采用滤波方法对接收到的无线信号进行去除噪声处理，滤波方法为均值滤波，即对同一定位基站对同一信号源采集的多次数据进行均值处理，滤波公式如下：
WmA为定位基站A扫描到的Wi-Fi传感器m的平均信号强度值，即实际用于距离估算的信号强度；
Wm1、Wm2…Wmn为定位基站A扫描到Wi-Fi传感器的n次信号强度值；
BmA为定位基站A扫描到的蓝牙传感器m平均信号强度值，即实际用于距离估算的信号强度；
Bm1、Bm2…Bmn为定位基站A扫描到蓝牙传感器m的n次信号强度值；
通过公式(1)、(2)得到滤波处理后的无线信号强度值，以计算定位终端当前位置。
定位终端区域判定：依据滤波处理后的信号强度的范围，判定定位终端所在区域，设定每个区域所对应的不同定位终端信号强度的最大值与最小值，将数据存储于数据库，根据定位基站接收的定位终端信号强度，对定位区域进行投票，最大投票结果的区域就为定位终端所在的区域；
区域定位基站数据提取：根据区域判定的结果，提取判定区域内定位基站接收到的无线信号数据，剔除其他区域不相干数据，利用提取后的无线信号数据进行定位计算。
一种基于路网校正的混合室内定位方法，其中对所述混合室内定位算法包括如下步骤：
基于无线信号强度测距：基于信号强度的距离估算方法，基于定位基站接收到的定位终端无线信号强度估算定位终端距定位基站的实际距离，无线信号传输中采用的模型为：
RSSI＝-10nlgd-A (3)
其中：RSSI为定位基站接收到的定位终端发射的无线信号强度；
n为信号衰减因子，范围一般为2～4；
d为定位终端与定位基站之间的欧式距离；
A为定位终端与定位基站之间的距离为1m时测得RSSI值；
基于信号强度的蓝牙、Wi-Fi测距模型中A和n使用多次试验结果的经验值，其中A为-50，n为2；
最小二乘定位计算：采用最小二乘的计算方法根据距离测算结果计算定位终端所在位置。
当3个或3个以上的定位基站时扫描到同一定位终端信号,就可以得到多组方程组。
从(4)第一个方程开始，分别减去最后一个方程得：
公式(5)可改写为线性方程组为：
Az＝b (6)
其中：
公式(4)、(5)、(7)中：
(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)...(xk,yk)为定位基站的坐标；
d1，d2，d3...dk为基于无线信号强度测算的定位终端和定位基站之间的距离；
利用最小二乘法原理得：
Q(z)＝||b-Az||2 (8)
式(8)对z求导得：
z＝(ATA)-1ATb (10)
公式(8)、(9)、(10)中Q为残差平方和函数，d为求导函数，z为定位终端初步定位结果；
基于室内路网的定位校正：
采用基于路网数据的校正方法对定位结果进一步进行校正，根据最小二乘计算的初步定位点确定候选校正路段；对候选校正路段采用基于权值的计算方法确定校正路段；利用计算出的校正路段对初步定位结果进行校正。
一种基于路网校正的混合室内定位方法，其中所述基于室内路网的定位校正具体包括如下步骤：
候选校正路段计算：以初始定位点为中心、设定以半径为R的圆形区域为置信区域，R取经验值3米，与置信区域相交的室内路网路段都将被列为候选校正路段；
基于权值的校正路段确定：候选校正路段计算完成后，分别计算初始定位点到各候选校正路段的距离权值、速度和运动方向权值，加权得出各候选校正路段的总权值，取总权值最大的路段作为校正路段；
候选路段Si的总权值定义为：
Wi＝Wim+Win (11)
其中，Wim表示初始定位点与候选校正路段的接近程度，候选路段越接近初始定位点，其距离权值就大；
定义为：
其中，s是距离权值系数；R是置信区域半径；di是初始定位点与候选路段的垂直距离，如果垂足不在路段上，则取轨迹点到路段两个端点连线长度的最小值；
Win表示定位终端运动速度、运动方向与路段方向的接近程度对候选路段选取的影响程度，其定义为：
Win＝vh|cos(as-at)| (13)
其中，v是定位终端移动的速度；h是权值系数；as是定位终端前进方向；at是候选路段的方向或反方向；
基于路网的定位结果校正：确定校正路段后，利用垂直投影将初始定位点P投影到校正路段Si上，垂足即为校正后的定位结果。
由此可见：
本发明实施例中的基于路网校正的混合室内定位方法具有以下优点：
1、支持多种无线传感器信号，包括蓝牙、Wi-Fi、UWB、RFID等。
2、采用了无线信号滤波和区域判定方法，进一步剔除了无关信号，减少了环境因素对定位结果的影响。
3、基于室内地图数据的定位矫正方法，进一步提高了室内定位精度。
4、采用了基于定位基站和空间数据库的定位计算结构，进一步提高了定位计算的效率。
附图说明
图1为本发明的实施例提供的基于路网校正的混合室内定位方法的整体流程示意图；
图2为本发明的实施例提供的基于路网校正的混合室内定位方法中地图制作与定位基站铺设步骤的流程示意图；
图3为本发明的实施例提供的基于路网校正的混合室内定位方法中无线信号采集与处理步骤的流程示意图；
图4为本发明的实施例提供的基于路网校正的混合室内定位方法中混合室内定位算法步骤的流程示意图；
图5为本发明的实施例提供的基于路网校正的混合室内定位方法中基于室内路网的定位校正步骤的流程示意图。
图6为本发明的实施例提供的基于路网校正的混合室内定位方法中定位终端区域判定步骤的流程示意图。
图7为本发明的实施例提供的基于路网校正的混合室内定位方法中基于室内路网的定位校正示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1：
图1为本实施例提供的基于路网校正的混合室内定位方法的流程示意图，如图1所示，一种基于路网校正的混合室内定位方法，该方法包括如下步骤：
地图制作与定位基站铺设：对室内定位区域进行室内地图制作，将制作完成的室内地图数据保存至空间数据库；在室内定位区域内铺设定位传感器，基于空间数据库中的室内地图数据提取定位传感器坐标数据，连同定位基站信息共同保存；
无线信号采集与处理：对定位终端发射的无线信号采用滤波的方式进行噪声处理，根据滤波后无线信号数据，判定定位终端所在区域，根据区域判定结果，去除无关区域定位基站扫描到的无线信号，提取定位区域内定位基站接收到的无线信号数据；
混合室内定位算法：选取定位终端当前所在区域内的定位基站所扫描到的无线信号，计算定位基站至定位终端之间的实际距离；利用距离估算值，查询数据库中定位基站所在位置坐标信息，采用最小二乘的计算方法计算定位终端所在坐标位置；根据最小二乘定位计算结果，结合室内地图路网数据对定位结果进行校正。
如图2所示，一种基于路网校正的混合室内定位方法，所述地图制作与定位基站铺设包括如下步骤：
室内地图制作：室内地图制作是利用现有室内结构及分布数据制作矢量室内地图及室内通行路网，实现室内定位结果的地图显示及基于室内路网数据的室内定位结果校正，其次定位基站的铺设坐标数据基于室内地图提取；
室内地图数据入库：将制作完成的室内地图数据保存至空间数据库，对入库的室内路网数据进行空间拓扑检查，构建室内地图空间数据引擎，为定位基站坐标提取及定位校正提供基础地图数据依据；
定位基站铺设与坐标提取：定位基站铺设是在建筑物内部铺设定位基站设备；定位基站设备通过网络与定位引擎连接；定位基站可同时接收定位终端发射的无线信号，并通过网络发送至定位引擎。定位基站部署完成后，在室内地图标定定位基站所在室内坐标位置，并将定位基站信息录入定位引擎数据库；
定位基站数据录入：将定位终端基本信息数据连同位置坐标数据保存至空间数据库，为定位计算提供基准数据依据。
如图3所示，一种基于路网校正的混合室内定位方法，所述无线信号采集与处理包括如下步骤：
无线信号扫描与滤波：定位基站每隔固定时间对定位终端发射的无线信号进行扫描；定位基站将扫描到的无线信号中存在噪声，采用滤波方法对接收到的无线信号进行处理去除噪声处理，滤波方法为均值滤波，即对统一定位终端对同一信号源采集的多次数据进行均值处理，滤波公式如下：
其中WmA为定位基站A扫描到的Wi-Fi传感器m的平均信号强度值，即实际用于距离估算的信号强度；
Wm1、Wm2…Wmn为定位基站A扫描到Wi-Fi传感器的n次信号强度值；
BmA为定位基站A扫描到的蓝牙传感器m平均信号强度值，即实际用于距离估算的信号强度；
Bm1、Bm2…Bmn为定位基站A扫描到蓝牙传感器m的n次信号强度值；
通过公式(1)、(2)得到滤波处理后的无线信号强度值，以计算定位终端当前位置。
定位终端区域判定：依据滤波处理后的信号强度的范围，判定定位终端所在区域，设定每个区域所对应的不同定位终端信号强度的最大值与最小值，将数据存储于数据库，根据定位基站接收的定位终端信号强度，对定位区域进行投票，最大投票结果的区域就为定位终端所在的区域；
区域定位基站数据提取：根据区域判定的结果，提取判定区域内定位基站接收到的无线信号数据，剔除其他区域不相干数据，利用提取后的无线信号数据进行定位计算。
如图4所示，一种基于路网校正的混合室内定位方法，对所述混合室内定位算法包括如下步骤：
基于无线信号强度测距：基于信号强度的距离估算方法，基于定位基站接收到的定位终端无线信号强度估算定位终端距定位基站的实际距离，无线信号传输中采用的模型为：
RSSI＝-10nlgd-A (3)
其中：RSSI为定位基站接收到的定位终端发射的无线信号强度；
n为信号衰减因子，范围一般为2～4；
d为定位终端与定位基站之间的欧式距离；
A为定位终端与定位基站之间的距离为1m时测得RSSI值；
基于信号强度的蓝牙、Wi-Fi测距模型中A和n使用多次试验结果的经验值，其中A为-50，n为2；
位置计算：采用最小二乘的计算方法根据距离测算结果计算定位终端所在位置。
当3个或3个以上的定位基站时扫描到同一定位终端信号,就可以得到多组方程组。
从第一个方程开始，分别减去最后一个方程得：
上式可改写为线性方程组为：
Az＝b (6)
其中：
公式(4)、(5)、(7)中：
(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)...(xk,yk)为定位基站的坐标；d1，d2，d3...dk为基于无线信号强度测算的定位终端和定位基站之间的距离；
利用最小二乘法原理得：
Q(z)＝||b-Az||2 (8)
上式对z求导得：
z＝(ATA)-1ATb (10)
公式(8)、(9)、(10)中Q为残差平方和函数，d为求导函数，z为定位终端初步定位结果；
基于室内路网的定位校正：采用基于路网数据的校正方法对定位结果进一步进行校正，根据最小二乘计算初步定位点候选校正路段；对候选校正路段采用基于权值的计算方法确定校正路段；利用计算出的校正路段对初步定位结果进行校正。
如图5所示，一种基于路网校正的混合室内定位方法，所述基于室内路网的定位校正具体包括如下步骤：
候选校正路段计算：以初始定位点为中心、设定以半径为R的圆形区域为置信区域，R取经验值3米，与置信区域相交的室内路网路段都将被列为候选校正路段；
基于权值的校正路段确定：候选校正路段计算完成后，分别计算初始定位点到各候选校正路段的距离权值、速度和运动方向权值，加权得出各候选校正路段的总权值，取总权值最大的路段作为校正路段；
候选路段Si的总权值定义为：
Wi＝Wim+Win (11)
其中，距离权值Wim表示初始定位点P与候选校正路段的接近程度，候选路段越接近初始定位点，其距离权值就大。
距离权值定义为：
其中，s是距离权值系数；R是置信区域半径；di是初始定位点与候选路段的垂直距离，如果垂足不在路段上，则取轨迹点到路段两个端点连线长度的最小值。
另外，公式中速度和朝向权值Win表示定位终端运动速度、运动方向与路段方向的接近程度对候选路段选取的影响程度。其定义为：
Win＝vh|cos(as-at)| (13)
其中，v是定位终端移动的速度；h是权值系数；as是定位终端前进方向；at是候选路段的方向或反方向；
基于路网的定位结果校正：确定校正路段后，利用垂直投影将初始定位点P投影到校正路段Si上，垂足即为校正后的定位结果。
下面以一个更具体的一个细节方面的例子来对上述内容加以说明。
如图1所示，一种基于路网校正的混合室内定位方法，通过架设室内定位基站，实时扫描收集定位终端发出的无线蓝牙、Wi-Fi无线信号；对无线信号进行滤波处理，去除无线信号噪声；根据无线信号判定定位终端所在区域，提取定位终端所在区域内基站数据；利用无线信号传播模型估算定位终端与各定位基站之间的绝对距离；根据多个定位基站与定位终端的距离估算，进行最小二乘解算，获得初步定位结果；最后结合室内地图路网数据，对定位结果进行校正，进一步提高定位精度。
该方法包括如下步骤：
地图制作与定位基站铺设：地图制作与定位基站铺设为室内定位基础准备工作；室内地图制作是根据建筑物结构及实际情况，制作建筑物内部室内地图。室内地图为定位结果显示提供基础底图，为定位基站的铺设提供坐标基准，为定位校正提供基础数据依据；定位基站铺设是在建筑物区域内铺设定位基站，定位基站通过局域网络与定位引擎服务器连接，将定位终端基本信息数据保存至数据库，为定位计算提供基准数据；
无线信号采集与处理：部署的定位基站不断扫描周边蓝牙、Wi-Fi无线信号，扫描到无线信号后对原始的无线信号进行处理，具体处理方法包括滤波、区域判定和区域定位基站数据提取。
混合室内定位算法：选取定位终端当前所在区域内的定位基站所扫描到的蓝牙、Wi-Fi无线信号，滤波处理后利用基于信号强度的测距方法计算定位基站至定位终端之间的实际距离；利用距离计算值，查询数据库中定位基站所在位置坐标信息，采用基于最小二乘的计算方法计算定位终端所在位置坐标；根据最小二乘定位计算结果，结合室内地图路网数据对定位结果进行校正。
如图2所示一种基于路网校正的混合室内定位方法，其中，所述地图制作与定位基站铺设：室内地图制作是根据建筑物结构及实际情况，制作建筑物内部室内地图。定位基站铺设指在建筑物区域内铺设定位基站，定位基站通过局域网络与定位引擎服务器连接，将定位终端基本信息数据保存至数据库；具体包括以下步骤：
室内地图制作：利用现有室内结构及分布数据制作矢量室内地图，实现室内定位结果的地图显示及基于室内路网数据的室内定位结果校正；室内地图数据制作内容包括建筑物信息、楼层信息、功能区信息、功能区门信息、通行设施、公共设施、室内路网。其中室内路网制作过程中需要将供行人通行的道路都制作路网，且同一楼层内的路网应相互连通，并处于楼层轮廓中。
室内地图数据入库：室内地图制作完成后，将室内地图数据录入空间数据库，实现对数据的更新管理、坐标提取和定位校正计算。室内地图数据录入到空间数据库后，利用空间数据库提供的空间分析功能对室内路网数据进行拓扑检查，以保证室内路网数据的连通性和准确性，以保证利用室内路网数据对定位结果校正的精度。
定位基站铺设与坐标提取：在建筑物内部铺设定位基站设备；定位基站设备通过网络与定位引擎连接；定位基站可同时接收定位终端发射的蓝牙或Wi-Fi无线信号，并通过网络发送至定位引擎。定位基站采用均匀铺设的方式，即在建筑物内部均匀分布。定位基站部署完成后，在室内地图标定定位基站所在室内坐标位置，并将定位基站信息录入定位引擎数据库。
定位基站数据录入：将定位基站的基本信息数据，包括基站编号、蓝牙MAC地址、Wi-Fi MAC地址、所处位置坐标、所在区域信息保存至定位数据库，为室内定位计算提供基础数据。
如图3所示一种基于路网校正的混合室内定位方法，其中，所述无线信号采集与处理：定位基站扫描周边蓝牙、Wi-Fi无线信号，对无线信号采集滤波的方式对信号中的噪声进行处理,根据滤波后RSSI值，判定定位终端所在区域；根据判定定位终端所在区域，去除无关区域定位基站扫描到的无线信号。具体包括以下步骤：
无线信号扫描与滤波：定位基站每隔固定时间对定位终端发射的无线信号进行扫描；定位基站扫描到的无线信号中存在噪声，采用滤波方法对接收到的无线信号进行去除噪声处理，滤波方法为均值滤波，即对同一定位基站对同一信号源采集的多次数据进行均值处理，滤波公式如下：
其中WmA为定位基站A扫描到的Wi-Fi传感器m的平均信号强度值，即实际用于距离估算的信号强度；
Wm1、Wm2…Wmn为定位基站A扫描到Wi-Fi传感器的n次信号强度值；
BmA为定位基站A扫描到的蓝牙传感器m平均信号强度值，即实际用于距离估算的信号强度；
Bm1、Bm2…Bmn为定位基站A扫描到蓝牙传感器m的n次信号强度值；
定位终端区域判定：定位终端区域判定主要根据滤波处理后的信号强度的范围，判定定位终端所在区域，判定流程如图5所示。
预先设定好每个区域所对应的不同定位终端信号强度的最大值与最小值(即RSSI范围)然后将数据存储于数据库中。分别为第i区第K个定位基站可接收到信号强度的最大值与最小值；
在定位的过程中，由定位基站接收定位终端的信号强度，RSSIK为第K个定位基站的信号强度；
若对该定位基站所对应的区域进行投票，并且所有可接收定位终端信号的定位基站所在区域都执行该过程。最后，拥有最大投票结果的区域就为定位终端所在区域。
利用上述判定区域的方法，可增强定位算法的鲁棒性、减小计算量、缩短定位时间。
区域定位基站数据提取：定位终端所在区域判定结束后,根据区域判定的结果，提取判定区域内定位基站接收到的无线信号数据，剔除其他区域不相干数据，以减少无关数据对定位计算结果的影响。
如图4所示一种基于路网校正的混合室内定位方法，其中，所述混合室内定位算法：选取定位终端当前所在区域内的定位基站所扫描到的无线信号，滤波处理后利用基于信号强度的测距方法计算定位基站至定位终端之间的实际距离；查询数据库中定位基站所在位置坐标信息，采用基于最小二乘的计算方法计算定位终端所在位置坐标，最后结合室内地图路网数据对定位结果进行校正。具体包括以下步骤：
基于无线信号强度测距：根据采集处理后的无线信号，采用基于信号强度的测距方法，测算定位基站与定位终端之间的实际距离。
其中，基于无线信号强度的测距模型为：
RSSI＝-10nlgd-A (3)
其中，RSSI为定位基站接收到的定位终端发射的无线信号强度；
n为信号衰减因子，范围一般为2～4；
d为定位终端与定位基站之间的欧式距离；
A为定位终端与定位基站之间的距离为1m时测得RSSI值；
基于信号强度的蓝牙、Wi-Fi测距模型中A和n使用多次试验结果的经验值，其中A为-50，n为2；最小二乘定位计算：距离估算完成后采用最小二乘的计算方法根据距离测算结果计算定位终端所在位置。
当3个或3个以上的定位基站时扫描到同一定位终端信号,就可以得到多组方程组。
从第一个方程开始，分别减去最后一个方程得：
上式可改写为线性方程组为：
Az＝b (6)
其中：
公式(4)、(5)、(7)中：
(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)...(xk,yk)为定位基站的坐标；d1，d2，d3...dk为基于无线信号强度测算的定位终端和定位基站之间的距离；
利用最小二乘法原理得：
Q(z)＝||b-Az||2 (8)
上式对z求导得：
z＝(ATA)-1ATb (10)
公式公(8)、(9)、(10)中Q为残差平方和函数，d为求导函数，z为定位终端初步定位结果。
基于室内路网的定位校正：定位计算结果在一定程度上会与路网数据存在偏差，采用基于路网数据的校正方法对定位结果进一步进行校正，如图5所示，以提高定位精度。
如图7所示，N1～N7是室内路网道路的节点，S1～S6是相连的室内路段，P是最小二乘计算得出的初始定位点。以初始定位点为中心、以半径为R的圆形区域为置信区域。置信区域与定位终端和基站设备有关，R取经验值3米，与置信区域相交的路网路段都将被列为候选校正路段。
在确定S1、S4是P的候选校正路段之后，分别计算初始定位点到各候选校正路段的距离权值、速度和运动方向权值，加权得出各候选校正路段的总权值，取总权值最大的路段作为校正路段。候选路段Si的总权值定义为：
Wi＝Wim+Win (11)
其中，距离权值Wim表示初始定位点P与候选校正路段的接近程度，候选路段越接近初始定位点，其距离权值就大。
距离权值定义为：
其中，s是距离权值系数；R是置信区域半径；di是初始定位点与候选路段的垂直距离，如果垂足不在路段上，则取轨迹点到路段两个端点连线长度的最小值。
另外，公式中速度和朝向权值Win表示定位终端运动速度、运动方向与路段方向的接近程度对候选路段选取的影响程度。其定义为：
Win＝vh|cos(as-at)| (13)
其中，v是定位终端移动的速度；h是权值系数；as是定位终端前进方向；at是候选路段的方向或反方向。一定范围内速度越快且候选路段方向与定位终端运动方向越接近，其权值越大。
确定了定位点所在校正路段后，利用垂直投影将初始定位点P投影到校正路段Si上，垂足即为校正后的定位结果。当没有合适候选校正路段时，将直接采用未校正的初始定位点。
由此可见：
本发明实施例中的基于路网校正的混合室内定位方法具有以下优点：
1、支持多种无线传感器信号，包括蓝牙、Wi-Fi、UWB、RFID等。
2、采用了无线信号滤波和区域判定方法，进一步剔除了无关信号，减少了环境因素对定位结果的影响。
3、基于室内地图数据的定位矫正方法，进一步提高了室内定位精度。
4、采用了基于定位基站和空间数据库的定位计算结构，进一步提高了定位计算的效率。
虽然通过实施例描绘了本发明实施例，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。
Claims (5)
1.一种基于路网校正的混合室内定位方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
地图制作与定位基站铺设：对室内定位区域进行室内地图制作，将制作完成的室内地图数据保存至空间数据库；在室内定位区域内铺设定位传感器，基于空间数据库中的室内地图数据提取定位传感器坐标数据，连同定位基站信息共同保存；
无线信号采集与处理：对定位终端发射的无线信号采用滤波的方式进行噪声处理，根据滤波后无线信号数据，判定定位终端所在区域，根据区域判定结果，去除无关区域定位基站扫描到的无线信号，提取定位区域内定位基站接收到的无线信号数据；
混合室内定位算法：选取定位终端当前所在区域内的定位基站所扫描到的无线信号，计算定位基站至定位终端之间的实际距离；利用距离估算值，查询数据库中定位基站所在位置坐标信息，采用最小二乘的计算方法计算定位终端所在坐标位置；根据最小二乘定位计算结果，结合室内地图路网数据对定位结果进行校正。
2.根据权利要求1所述的一种基于路网校正的混合室内定位方法，其特征在于，所述地图制作与定位基站铺设包括如下步骤：
室内地图制作：室内地图制作是利用现有室内结构及分布数据制作矢量室内地图及室内通行路网，实现室内定位结果的地图显示及基于室内路网数据的室内定位结果校正，其次定位基站的铺设坐标数据基于室内地图提取；
室内地图数据入库：将制作完成的室内地图数据保存至空间数据库，对入库的室内路网数据进行空间拓扑检查，构建室内地图空间数据引擎，为定位基站坐标提取及定位校正提供基础地图数据依据；
定位基站铺设与坐标提取：定位基站铺设是在建筑物内部铺设定位基站设备；定位基站设备通过网络与定位引擎连接；定位基站可同时接收定位终端发射的无线信号，并通过网络发送至定位引擎。定位基站部署完成后，在室内地图标定定位基站所在室内坐标位置，并将定位基站信息录入定位引擎数据库；
定位基站数据录入：将定位终端基本信息数据连同位置坐标数据保存至空间数据库，为定位计算提供基准数据依据。
3.根据权利要求1所述的一种基于路网校正的混合室内定位方法，其特征在于，所述无线信号采集与处理包括如下步骤：
无线信号扫描与滤波：定位基站每隔固定时间对定位终端发射的无线信号进行扫描；定位基站扫描到的无线信号中存在噪声，采用滤波方法对接收到的无线信号进行去除噪声处理，滤波方法为均值滤波，即对定位基站对同一信号源采集的多次数据进行均值处理，滤波公式如下：
<mrow>
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</mrow>
WmA为定位基站A扫描到的Wi-Fi传感器m的平均信号强度值，即实际用于距离估算的信号强度；
Wm1、Wm2…Wmn为定位基站A扫描到Wi-Fi传感器的n次信号强度值；
<mrow>
<msub>
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</mrow>
</mrow>
BmA为定位基站A扫描到的蓝牙传感器m平均信号强度值，即实际用于距离估算的信号强度；
Bm1、Bm2…Bmn为定位基站A扫描到蓝牙传感器m的n次信号强度值；
通过公式(1)、(2)得到滤波处理后的无线信号强度值，以计算定位终端当前位置。
定位终端区域判定：依据滤波处理后的信号强度的范围，判定定位终端所在区域，设定每个区域所对应的不同定位终端信号强度的最大值与最小值，将数据存储于数据库，根据定位基站接收的定位终端信号强度，对定位区域进行投票，最大投票结果的区域就为定位终端所在的区域；
区域定位基站数据提取：根据区域判定的结果，提取判定区域内定位基站接收到的无线信号数据，剔除其他区域不相干数据，利用提取后的无线信号数据进行定位计算。
4.根据权利要求1所述的一种基于路网校正的混合室内定位方法，其特征在于，对所述混合室内定位算法包括如下步骤：
基于无线信号强度测距：基于信号强度的距离估算方法，基于定位基站接收到的定位终端无线信号强度估算定位终端距定位基站的实际距离，无线信号传输中采用的模型为：
RSSI＝-10nlgd-A (3)
其中：RSSI为定位基站接收到的定位终端发射的无线信号强度；
n为信号衰减因子，范围一般为2～4；
d为定位终端与定位基站之间的欧式距离；
A为定位终端与定位基站之间的距离为1m时测得RSSI值；
基于信号强度的蓝牙、Wi-Fi测距模型中A和n使用多次试验结果的经验值，其中A为-50，n为2；
最小二乘定位计算：采用最小二乘的计算方法根据距离测算结果计算定位终端所在位置。
当3个或3个以上的定位基站时扫描到同一定位终端信号,就可以得到多组方程组。
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
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从(4)第一个方程开始，分别减去最后一个方程得：
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公式(5)可改写为线性方程组为：
Az＝b (6)
其中：
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公式(4)、(5)、(7)中：
(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)...(xk,yk)为定位基站的坐标；
d1，d2，d3...dk为基于无线信号强度测算的定位终端和定位基站之间的距离；
利用最小二乘法原理得：
Q(z)＝||b-Az||2 (8)
式(8)对z求导得：
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z＝(ATA)-1ATb (10)
公式(8)、(9)、(10)中Q为残差平方和函数，d为求导函数，z为定位终端初步定位结果；
基于室内路网的定位校正：采用基于路网数据的校正方法对定位结果进一步进行校正，根据最小二乘计算的初步定位点确定候选校正路段；对候选校正路段采用基于权值的计算方法确定校正路段；利用计算出的校正路段对初步定位结果进行校正。
5.根据权利要求3所述的一种基于路网校正的混合室内定位方法，其特征在于：所述基于室内路网的定位校正具体包括如下步骤：
候选校正路段计算：以初始定位点为中心、设定以半径为R的圆形区域为置信区域，R取经验值3米，与置信区域相交的室内路网路段都将被列为候选校正路段；
基于权值的校正路段确定：候选校正路段计算完成后，分别计算初始定位点到各候选校正路段的距离权值、速度和运动方向权值，加权得出各候选校正路段的总权值，取总权值最大的路段作为校正路段；
候选路段Si的总权值定义为：
Wi＝Wim+Win (11)
其中，Wim表示初始定位点与候选校正路段的接近程度，候选路段越接近初始定位点，其距离权值就大；
定义为：
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其中，s是距离权值系数；R是置信区域半径；di是初始定位点与候选路段的垂直距离，如果垂足不在路段上，则取轨迹点到路段两个端点连线长度的最小值；
Win表示定位终端运动速度、运动方向与路段方向的接近程度对候选路段选取的影响程度，其定义为：
Win＝vh|cos(as-at)| (13)
其中，v是定位终端移动的速度；h是权值系数；as是定位终端前进方向；at是候选路段的方向或反方向；
基于路网的定位结果校正：确定校正路段后，利用垂直投影将初始定位点P投影到校正路段Si上，垂足即为校正后的定位结果。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711001182.4A CN107911786A (zh) | 2017-10-24 | 2017-10-24 | 一种基于路网校正的混合室内定位方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711001182.4A CN107911786A (zh) | 2017-10-24 | 2017-10-24 | 一种基于路网校正的混合室内定位方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107911786A true CN107911786A (zh) | 2018-04-13 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711001182.4A Pending CN107911786A (zh) | 2017-10-24 | 2017-10-24 | 一种基于路网校正的混合室内定位方法 |
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