CN109099926B - 一种室内定位指纹的采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种室内定位指纹的采集方法，通过将第一惯导模块和第二惯导模块分别安装于目标对象的脚部位，保证第一惯导模块与脚、第二惯导模块与脚不发生位置偏移，然后利用零速修正和多模块之间的相对位置关系约束进行组合解算得到的高精度位置信息，接下来通过指纹采集设备同时接收室内定位指纹和惯导模块的位置信息，并以位置信息与定位指纹的到达时间作为基准完成时间同步；再将处理后的位置信息结合采集到的室内定位指纹，从而进一步提升惯导模块的定位精度，进而完成室内定位指纹数据的采集。本发明实现了高精度、高效率的室内定位指纹的采集。

Description

一种室内定位指纹的采集方法

技术领域

本发明涉及室内定位技术领域，尤其涉及一种室内定位指纹的采集方法。

背景技术

随着位置服务(LBS Location Based Service)对人们日常生活的影响不断增加，无处不在的定位需求将变得越来越强烈。室内定位作为打通导航定位“最后一公里”的实现方式，已然成为了重要的需求和研究热点。

目前采用的室内定位的方法包括光源、音频、超宽带、地磁、Wi-Fi(Wireless-Fidelity)、蓝牙、ZigBee(紫蜂协议)、激光/视觉SLAM(Simultaneous Localization andMapping)、伪卫星和惯性导航等。由于成本限制和用户需求的因素，基于Wi-Fi、蓝牙、地磁等指纹的定位***是当前应用最为广泛室内导航定位途径之一。基于指纹定位的基本原理为，数据库训练阶段，在需要定位服务的区域进行均匀的参考点坐标测量，且在每个参考点采集定位指纹，然后将定位指纹与参考坐标一一映射构建定位指纹数据库；实时定位阶段，将接收采集的各种传感器信号与数据库中的信号进行相似性计算，相似度最高的指纹对应的坐标即为最终定位结果。其中，定位指纹数据库的质量是决定最终定位效果的基础条件。

然而，现阶段的室内定位指纹采集过程繁琐且精度低，同时定位指纹随时间易发生变动，***维护的高成本严重限制了指纹定位技术的推广。因此，精确、快速地采集室内指纹信号，是提高基于指纹的室内定位精度、提高维护效率、降低成本的关键。

发明内容

本发明实施例提供了一种室内定位指纹的采集方法，用以解决或者至少部分解决现有技术中的方法存在的精度较低的技术问题。

本发明提供了一种室内定位指纹的采集方法，应用于室内定位指纹采集***，所述***包括第一惯导模块、第二惯导模块和指纹采集设备，所述方法包括：

步骤S101：将所述第一惯导模块和所述第二惯导模块分别安装于目标对象的左脚与右脚，并建立所述第一惯导模块与所述指纹采集设备之间、所述第二惯导模块与室内指纹采集设备之间的通信链路；

步骤S102：初始化所述第一惯导模块和所述第二惯导模块的导航状态信息，并基于零速修正和相对位置关系约束对所述导航状态信息进行处理，获得处理后的位置信息，其中，所述相对位置关系约束为所述第一惯导模块与所述第二惯导模块之间的相对位置关系约束；

步骤S103：所述指纹采集设备采集所述目标对象的室内定位指纹信息的同时，通过所述通信链路接收所述处理后的位置信息；

步骤S104：基于所述室内定位指纹信息和所述处理后的位置信息，获得定位指纹数据。

进一步地，步骤S101中，通过蓝牙或者Wi-Fi构建所述通信链路。

进一步地，所述相对位置关系约束包括不等式约束和等式约束，步骤S102具体包括：

步骤S1021：利用所述第一惯导模块和所述第二惯导模块提取约束信息，基于所述约束信息对所述导航状态信息进行修正；

步骤S1022：对修正后的导航状态信息通过所述不等式约束和所述等式约束进行处理，获得所述处理后的位置信息。

进一步地，所述导航状态信息包括位置、速度和姿态，步骤S1021具体包括：

判断所述目标对象的脚底与地面是否处于接触状态，如果是，则所述第一惯导模块和所述第二惯导模块的真实速度为零，然后采用扩展卡尔曼滤波进行数据融合修正所述导航状态中的速度误差，并改善位置估计和姿态估计，获得修正后的导航状态信息；

步骤S1022具体包括：

构建所述目标对象左脚与右脚之间不等式约束，所述不等式约束如下：

其中，(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)分别为第一惯导模块的位置坐标和第二惯导模块的位置坐标，MaxDis为实际行走过程中左右双脚之间的实际可允许的最大距离，上标i为惯导模块的位置序号，当将所述第一惯导模块和所述第二惯导模块之间的距离不满足上述不等式约束时，则使用扩展卡尔曼滤波将所述第一惯导模块和所述第二惯导模块的相对位置关系约束到预设范围；

构建单个脚步周期内两脚之间距离的等式约束，所述等式约束为：

Min(d₁,d₂,…,d_n)＝Const

其中，Const为预设定值，d₁、d₂、d_n分别为每次检测到的两脚之间距离，当所述第一惯导模块与所述第二惯导模块达到最小距离时，则以Const作为观测量进行卡尔曼滤波，对修正后的导航状态信息进行处理，获得所述处理后的位置信息。

进一步地，步骤S103具体包括：

指纹采集设备在接收到所述处理后的位置信息时，标记***时间，并以所述***时间为基准，线性内插每个室内定位指纹信息的参考位置，存储于所述设备上。

进一步地，所述方法还包括：

以第一次经过路标点时所述第一惯导模块或所述第二惯导模块的位置估计结果，标定所述路标点的坐标，当再次经过所述路标点时，则采用所述路标点的坐标修正当前时刻的位置。

本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

在本发明提供的方法中，通过将第一惯导模块和第二惯导模块分别安装于目标对象的左脚与右脚，并建立第一惯导模块与指纹采集设备之间、第二惯导模块与室内指纹采集设备之间的通信链路；然后初始化第一惯导模块和第二惯导模块的导航状态信息，并基于零速修正和相对位置关系约束对导航状态信息进行处理，获得处理后的位置信息，指纹采集设备采集目标对象的室内定位指纹信息的同时，通过通信链路接收处理后的位置信息；再基于室内定位指纹信息和处理后的位置信息，获得定位指纹数据。利用零速修正和多模块之间的相对位置关系约束进行组合解算，可以得到的高精度位置信息，从而可以提高精度，并且指纹采集设备同时接收室内定位指纹信息和惯导模块的位置信息，以位置信息与定位指纹信息的到达时间作为基准完成时间同步，并结合采集到的室内定位指纹信息，从而可以进一步提升第一惯导模块和第二惯导模块的定位精度，完成室内定位指纹数据的采集。解决了现有技术中的方法存在的精度较低的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种室内定位指纹的采集方法的流程图。

图2为本发明实施例中一种室内定位指纹采集***的安装示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种室内定位指纹的采集方法，用以改善方法存在的精度较低的技术问题。

本申请实施例中的技术方案，总体思路如下：

将第一惯导模块和第二惯导模块分别安装于目标对象的脚部位，保证第一惯导模块与脚、第二惯导模块与脚不发生位置偏移，利用零速修正和多模块之间的相对位置关系约束进行组合解算得到的高精度位置信息，指纹采集设备同时接收室内定位指纹和惯导模块的位置信息，并以位置信息与定位指纹的到达时间作为基准完成时间同步；再将处理后的位置信息结合采集到的室内定位指纹，进一步提升惯导模块的定位精度，进而完成室内定位指纹数据的采集。

通过上述方法，本发明可解决室内定位指纹采集效率低、采集精度低、采集工作繁杂的问题，可以充分利用高精度自主导航定位方法--脚上安装惯导模块以提供定位指纹的参考轨迹，从而实现一种简单易行且高效率、高精度的室内定位指纹数据采集的方法。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种室内定位指纹的采集方法，应用于室内定位指纹采集***，请参见图1，该方法包括：

步骤S101：将第一惯导模块和第二惯导模块分别安装于目标对象的左脚与右脚，并建立第一惯导模块与指纹采集设备之间、第二惯导模块与室内指纹采集设备之间的通信链路；

具体来说，室内定位指纹采集***的安装示意图如图2所示，包括第一惯导模块1、第二惯导模块2和指纹采集设备3，其中，第一惯导模块1安装于目标对象的左脚，第一惯导模块1安装于目标对象的右脚，目标对象为行人。在具体的实施过程中，为了采集数据的准确性，将第一惯导模块1安装在行人左脚的脚尖位置，第二惯导模块2安装在行人右脚的脚尖部位，并且保证第一惯导模块、第二惯导模块与脚不发生位置偏移。

第一惯导模块和第二惯导模块用于位置信息的采集，其集成了多种传感器，包括陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计，也可增加GNSS(Global Navigation Satellite System全球导航卫星***)芯片、视觉传感器和测距传感器(红外传感器、超声波传感器等)。在具体的实施过程中，利用蓝牙建立通信链路，将第一惯导模块1、第二惯导模块2的位置信息传输到指纹采集设备3。当然也可以用其他的方式建立通信链路，例如Wi-Fi等。

步骤S102：初始化第一惯导模块和第二惯导模块的导航状态信息，并基于零速修正和相对位置关系约束对导航状态信息进行处理，获得处理后的位置信息，其中，相对位置关系约束为第一惯导模块与第二惯导模块之间的相对位置关系约束。

具体来说，导航状态信息即为第一惯导模块和第二惯导模块采集的位置信息，具体包括位置、速度和姿态，结合本发明实施例，将两个惯导模块(第一惯导模块和第二惯导模块)的初始位置设置为坐标原点(0,0,0)，初始速度设置为(0,0,0)，姿态包括初始初始水平姿态，其中，初始水平姿态角包括横滚角φ和俯仰角θ，可以通过如下公式获得：

φ＝tan^-1(f_y/f_z)

其中，f_x、f_y及f_z分别为加速度计采集的x、y及z轴方向的比力值，φ为初始横滚角和θ为初始俯仰角，其中，初始航向角ψ可以通过磁强计输出值，通过如下公式获得：

ψ＝tan^-1(m_YH/m_XH)

其中mXH＝m_xcosθ+m_ysinφsinθ+m_z cosφsinθ，m_YH＝m_ycosφ-m_zsinφ，m_x、m_y及m_z分别为x、y及z轴方向的磁强计输出。

具体地，相对位置关系约束包括不等式约束和等式约束，步骤S102具体包括：

步骤S1021：利用第一惯导模块和第二惯导模块提取约束信息，基于约束信息对导航状态信息进行修正；

步骤S1022：对修正后的导航状态信息通过不等式约束和等式约束进行处理，获得处理后的位置信息。

具体来说，零速修正，是利用第一惯导模块和第二惯导模块中的加速度计、陀螺仪等具有感知运动状态的特性，来提取约束信息，然后通过提取的约束信息对导航状态信息进行修正。相对位置关系约束为第一惯导模块与第二惯导模块之间的相对位置关系约束。在具体的实施过程中，可以根据第一惯导模块与第二惯导模块之间的位置特性，建立相对位置关系约束。例如第一惯导模块与第二惯导模块之间的距离在一个预设范围等。

具体地，导航状态信息包括位置、速度和姿态，步骤S1021具体包括：

判断目标对象的脚底与地面是否处于接触状态，如果是，则第一惯导模块和第二惯导模块的真实速度为零，然后采用扩展卡尔曼滤波进行数据融合修正导航状态中的速度误差，并改善位置估计和姿态估计，获得修正后的导航状态信息；

步骤S1022具体包括：

构建目标对象左脚与右脚之间不等式约束，不等式约束如下：

其中，(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)分别为第一惯导模块的位置坐标和第二惯导模块的位置坐标，MaxDis为实际行走过程中左右双脚之间的实际可允许的最大距离，上标i为惯导模块的位置序号，当将第一惯导模块和第二惯导模块之间的距离不满足上述不等式约束时，则使用扩展卡尔曼滤波将第一惯导模块和第二惯导模块的相对位置关系约束到预设范围；

构建单个脚步周期内两脚之间距离的等式约束，等式约束为：

Min(d₁,d₂,…,d_n)＝Const

其中，Const为预设定值，d₁、d₂、d_n分别为每次检测到的两脚之间距离，当第一惯导模块与第二惯导模块达到最小距离时，则以Const作为观测量进行卡尔曼滤波，对修正后的导航状态信息进行处理，获得处理后的位置信息。

具体来说，可以通过构建目标对象的脚底与地面处于是否处于接触状态的检测判别式，来判断目标对象的脚底与地面是否处于接触状态，若状态判别等式返回为真则表明二者处于接触状态。EKF(扩展卡尔曼滤波)的基本思想是将非线性***线性化，然后进行卡尔曼滤波，因此EKF是一种次优滤波。

多模块之间的相对位置关系约束，是指在行走过程中，利用左右两脚的运动状态的弱相关性，通过合理地构建两模块之间的相对约束关系，以达到提升导航***的定位精度和稳定性的目的。申请人通过大量的实践发现：行人的左右双脚之间的距离不会超过一定距离，以及迈步阶段两脚之间的最短距离为定值，基于以上理论可以分别构建不等式约束关系和等式约束关系。当第一惯导模块与第二惯导模块之间距离不满足不等式约束时，则可以采用扩展卡尔曼滤波将两个惯导模块的相对位置关系约束到预设范围，其中，预设范围是根据已有的数据计算得到的。

通过零速修正、不等式约束和等式约束后，可以避免惯导***(第一惯导模块和第二惯导模块)因开机随机零偏造成的***不稳定性问题，同时增加了航向角的观测值，可保证惯导模块的导航精度在较长时间内能够满足室内定位数据采集的需求。

步骤S103：指纹采集设备采集目标对象的室内定位指纹信息的同时，通过通信链路接收处理后的位置信息。

具体来说，室内指纹采集设备包含陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计、Wi-Fi、蓝牙、光传感器、GSM等。在本发明实施例中，可以使用手机作为室内指纹采集设备。

具体地，步骤S103具体包括：

指纹采集设备在接收到处理后的位置信息时，标记***时间，并以***时间为基准，线性内插每个室内定位指纹信息的参考位置，存储于设备上。

在具体的实施过程中，可以通过调用手机端***内置的接口采集手机内置传感器的数据，并标记手机***时间。同时，在每接收到一个惯导模块发送的位置信息时，标记手机***时间。最后以手机***时间为基准，线性内插每个室内定位指纹的参考位置，并写入到本地存储。

步骤S104：基于室内定位指纹信息和处理后的位置信息，获得定位指纹数据。

具体来说，在获得惯导模块发送的高精度的位置信息后，则可以将其结合到室内定位指纹信息中，从而得到定位指纹数据。

为了进一步提高定位的精度，本实施例还包括：

以第一次经过路标点时第一惯导模块或第二惯导模块的位置估计结果，标定路标点的坐标，当再次经过路标点时，则采用路标点的坐标修正当前时刻的位置。

具体来说，为了保证室内定位指纹采集的参考点分布均匀，采集的指纹样本足够多，那么同一个路标可能会出现多次访问的现象。那么则以第一次经过路标点时惯导模块的位置估计结果标定路标点的坐标，当再次经过某一路标点并识别出来时，则使用路标点的坐标修正当前时刻的位置。其中，上述的路标点包括Wi-Fi/蓝牙基站(信号强度最大值超过一定阈值为判断准则)、环境磁场特征点(环境磁场的变化幅度大于一定阈值为判断准则)、楼梯口(高程坐标的变化幅度大于一定阈值为判断准则)、拐角(航向角的变化幅度大于一定阈值)。从而通过上述方案，进一步提高定位的精度。

惯导模块是相对递推的定位方法，存在位置误差累积的现象，当采用多模块之间的相对关系约束可以在一定程度上减缓位置误差累积速度。再通过室内定位指纹采集过程多次重访历史路标点，从而能够更有效地控制惯导模块的误差固定在一定水平，进而保证最终室内定位指纹数据采集的精度。

本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

在本发明提供的方法中，通过将第一惯导模块和第二惯导模块分别安装于目标对象的左脚与右脚，并建立第一惯导模块与指纹采集设备之间、第二惯导模块与室内指纹采集设备之间的通信链路；然后初始化第一惯导模块和第二惯导模块的导航状态信息，并基于零速修正和相对位置关系约束对导航状态信息进行处理，获得处理后的位置信息，指纹采集设备采集目标对象的室内定位指纹信息的同时，通过通信链路接收处理后的位置信息；再基于室内定位指纹信息和处理后的位置信息，获得定位指纹数据。利用零速修正和多模块之间的相对位置关系约束进行组合解算，可以得到的高精度位置信息，从而可以提高精度，并且指纹采集设备同时接收室内定位指纹信息和惯导模块的位置信息，以位置信息与定位指纹信息的到达时间作为基准完成时间同步，并结合采集到的室内定位指纹信息，从而可以进一步提升第一惯导模块和第二惯导模块的定位精度，完成室内定位指纹数据的采集。解决了现有技术中的方法存在的精度较低的技术问题。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种室内定位指纹的采集方法，其特征在于，应用于室内定位指纹采集***，所述***包括第一惯导模块、第二惯导模块和室内指纹采集设备，所述方法包括：

步骤S101：将所述第一惯导模块和所述第二惯导模块分别安装于目标对象的左脚与右脚，并建立所述第一惯导模块与所述室内指纹采集设备之间、所述第二惯导模块与室内指纹采集设备之间的通信链路，其中，所述目标对象为行人；

步骤S102：初始化所述第一惯导模块和所述第二惯导模块的导航状态信息，并基于零速修正和相对位置关系约束对所述导航状态信息进行处理，获得处理后的位置信息，其中，所述相对位置关系约束为所述第一惯导模块与所述第二惯导模块之间的相对位置关系约束；

步骤S103：所述室内指纹采集设备采集所述目标对象的室内定位指纹信息的同时，通过所述通信链路接收所述处理后的位置信息，再通过室内定位指纹采集过程多次重访历史路标点；

步骤S104：基于所述室内定位指纹信息和所述处理后的位置信息，获得定位指纹数据；

其中，所述相对位置关系约束包括不等式约束和等式约束，步骤S102具体包括：

步骤S1021：利用所述第一惯导模块和所述第二惯导模块提取约束信息，基于所述约束信息对所述导航状态信息进行修正；

步骤S1022：对修正后的导航状态信息通过所述不等式约束和所述等式约束进行处理，获得所述处理后的位置信息；

所述导航状态信息包括位置、速度和姿态，步骤S1021具体包括：

判断所述目标对象的脚底与地面是否处于接触状态，如果是，则所述第一惯导模块和所述第二惯导模块的真实速度为零，然后采用扩展卡尔曼滤波进行数据融合修正所述导航状态中的速度误差，并改善位置估计和姿态估计，获得修正后的导航状态信息；

步骤S1022具体包括：

构建所述目标对象左脚与右脚之间不等式约束，所述不等式约束如下：

其中，(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)分别为第一惯导模块的位置坐标和第二惯导模块的位置坐标，MaxDis为实际行走过程中左右双脚之间的实际可允许的最大距离，上标i为惯导模块的位置序号，当将所述第一惯导模块和所述第二惯导模块之间的距离不满足上述不等式约束时，则使用扩展卡尔曼滤波将所述第一惯导模块和所述第二惯导模块的相对位置关系约束到预设范围；

构建单个脚步周期内两脚之间距离的等式约束，所述等式约束为：

Min(d₁,d₂,…,d_n)＝Const

其中，Const为预设定值，d₁、d₂、…、d_n分别为每次检测到的两脚之间距离，当所述第一惯导模块与所述第二惯导模块达到最小距离时，则以Const作为观测量进行卡尔曼滤波，对修正后的导航状态信息进行处理，获得所述处理后的位置信息。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S101中，通过蓝牙或者Wi-Fi构建所述通信链路。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S103具体包括：

室内指纹采集设备在接收到所述处理后的位置信息时，标记***时间，并以所述***时间为基准，线性内插每个室内定位指纹信息的参考位置，存储于所述室内指纹采集设备上。

4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

以第一次经过路标点时所述第一惯导模块或所述第二惯导模块的位置估计结果，标定所述路标点的坐标，当再次经过所述路标点时，则采用所述路标点的坐标修正当前时刻的位置。

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