CN111207738B - 一种可见光辅助的地磁室内定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可见光辅助的地磁室内定位方法，利用无处不在的地磁源以及室内常见的可见光源实现低成本、高精度的室内定位，针对利用地磁指纹进行室内定位有较高的误匹配现象，本发明构建了可见光RSS与地磁混合指纹库，通过利用可见光指纹进行粗略的定位，根据其定位结果及定位误差缩小地磁指纹匹配的范围，无需额外的硬件设备，在室内复杂的环境下具有良好的抗干扰能力，具有广阔的应用前景。

Description

一种可见光辅助的地磁室内定位方法
技术领域
本发明涉及室内定位技术领域，尤其是一种可见光辅助的地磁室内定位方法。
背景技术
主流的全球卫星导航***目前虽然已经被大规模商业应用，在室外开阔环境下定位精度可以解决大部分定位需求，但该类信号，无法覆盖室内，难以形成定位。室内定位技术目前还不够成熟，但是变得越来越重要。根据美国环境保护局的报告统计，人们有近70％～90％的时间都在室内度过。室内定位技术是应急安全、智能仓储、人群监控、精准营销、移动健康、虚拟现实游戏及人类社交等需求的基础。
为了提供室内的位置服务，用于室内环境的无线定位技术已被广泛的研究，包括Wi-Fi，蓝牙，红外线，UWB，RFID,超声波等。Wi-Fi接入点通常都只能覆盖半径90米左右的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，***的能耗也较高；蓝牙定位对于复杂的空间环境，蓝牙定位***的稳定性稍差，受噪声信号干扰大；红外射线仅能视距传播，容易受其他灯光干扰，并且红外线的传输距离较短，使红外线室内定位的效果很差；UWB虽然定位精度较高，但是成本较大；RFID定位技术还不够成熟，成本高，安全性不够强，技术标准不统一；超声波定位容易受多径效应和非视距传播的影响，降低定位精度；同时，它还需要大量的底层硬件设施投资，总体成本较高。
可见光将需要传输的信息编码成一段特殊信号，用某种调制方法将这个信号附加到LED灯具的驱动电流上，使LED灯具以极高的频率闪烁。虽然人眼看不到这种闪烁，但是通过光敏设备可以检测到这种高频闪烁并将其还原为要传输的信息，从而通过灯具完成信息传输的目的。白光通信具有保密性强，不占用无线信道资源，由于照明灯具的大量存在，这种技术可以集成到广大灯具中。由于室内建筑和铁磁物体的影响，地球磁场在室内被扭曲，不过这种扭曲的磁场在局部范围内是独一无二的，所以扭曲的磁场可以作为一种定位信息。地磁室内定位的优势在于室内地磁场无处不在，并且不需要任何额外的信号发射装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：鉴于以上的分析，本发明提出一种可见光辅助地磁的室内定位方法，利用室内无处不在的地磁源以及常见的LED光源，无需部署额外的硬件设施，只需低成本的光电接收器、磁强计和加速度计就能实现低成本、低复杂度、高精度的室内定位***。
本发明为了解决以上技术问题而采用以下技术方案实现：
本发明提出一种可见光辅助地磁的室内定位方法，包括以下步骤：
步骤S1、离线阶段：将定位区域划分为网格，在每个网格内选取参考点，对于每个参考点进行数据采集，包括可见光数据的采集、地磁数据的采集、步数计算、地磁序列梯度化，然后进行混合指纹库的构建；
步骤S2、定位阶段：实时采集可见光数据、地磁数据、行走步数，以及梯度化地磁序列；利用可见光指纹定位结果提供粗略的位置信息，根据该位置信息在混合指纹库中缩小地磁匹配的范围，利用序列动态时间规整算法在缩小的指纹库中搜索最优解，得到定位结果。
进一步的，本发明所提出的一种可见光辅助的室内定位方法，所述步骤S1中可见光数据的采集是采用时分复用技术，将每盏LED灯发出的信号在时域上错开，采用光电接收器接收到从不同LED发出的可见光频率，将接收到的不同可见光频率组成的向量作为该参考点指纹。
进一步的，本发明所提出的一种可见光辅助的室内定位方法，所述步骤S1中地磁数据的采集，是通过磁强计测量得到载体坐标系下磁强计三轴数据
Figure GDA0002714510710000021
将磁强计三轴数据代入公式
Figure GDA0002714510710000022
计算地磁强度。
进一步的，本发明所提出的一种可见光辅助的室内定位方法，所述步骤S1中步数计算所需数据是通过加速度计获得，包括载体坐标系下加速度计三轴数据
Figure GDA0002714510710000023
将加速度计三轴数据代入公式
Figure GDA0002714510710000024
计算加速度模值。
进一步的，本发明所提出的一种可见光辅助的室内定位方法，在步数计算时，进行步点检测的方法为：
1)在加速度计读数的峰值检测中，若连续上升两次，并且波峰值大于设定波峰阈值，则认为是有效波峰；
2)两个步点之间的时间差超过设定时间阈值，将之前的计步清空；
3)当检测到t0时刻开始行走时，磁强计同时收集地磁数据，记录从开始时刻到当前时刻的地磁强度序列
Figure GDA0002714510710000025
从开始时刻到前一时刻的地磁强度序列
Figure GDA0002714510710000026
在判断当前时刻是否为行走状态时，利用动态时间规整算法计算
Figure GDA0002714510710000031
与
Figure GDA0002714510710000032
之间序列距离d，若当d＜T阈值，认为用户处于静止状态，否则认为用户处于行走状态；
当认为用户处于行走状态时，开始计步：若当d＜T阈值＝1，步数减1，否则步数加1，或者波峰波谷的差值大于2并且波峰波谷时间差大于250ms，步数加1。
进一步的，本发明所提出的一种可见光辅助的室内定位方法，所述步骤S1中地磁序列梯度化具体步骤为：
S1.1、将地磁序列的长度设为T步，使用校准之后的磁强计收集地磁模值数据；
S1.2、在一个地磁序列中，将第二个地磁数据到最后一个地磁数据分别减去第一个地磁数据，构建地磁梯度序列；后续的地磁梯度序列构建中，将地磁序列中第一步地磁数据剔除，将最新一步测量的地磁数据入列；每一个地磁梯度序列对应该序列最后一个点的位置；指纹库中第k个参考点对应的地磁梯度序列用下式表示：
Gk＝[mk-mk,mk-1-mk,…mk-N-mk]
式中N＝(M+1)·T，T＝10为构建序列走的步数，M＝8为两步之间内插的点数。
进一步的，本发明所提出的一种可见光辅助的室内定位方法，所述步骤S1中，所述混合指纹库的构建包括：将定位区域划分为网格，在每个网格内选取参考点，根据在每个参考点处接收光频率向量RSS与地磁强度，第k个参考点的混合指纹库可以表示为：FPk＝{Xk,Yk,(IDk,1,RSSk,1),(IDk,2,RSSk,2),…,(IDk,n,RSSk,n),Gk}，其中Xk，Yk代表第k个参考点的横、纵坐标，Gk代表第k个参考点对应的地磁梯度序列，(IDk,n,RSSk,n)代表第k个参考点所接收到的n个编号及其对应的可见光频率值。
进一步的，本发明所提出的一种可见光辅助的室内定位方法，所述步骤S2中利用可见光指纹定位结果提供粗略的位置信息，所述可见光匹配过程为计算在待定位点采集的可见光RSS序列与指纹库中的每个参考点处可见光RSS序列的距离：di＝|RSSmes-RSSDB,i|，所述RSSmes为测量值，RSSDB,i为指纹库中第i个参考点处的RSS向量；计算反距离权重ci＝1/di；权重归一化处理
Figure GDA0002714510710000033
加权平均得到可见光估计位置
Figure GDA0002714510710000034
所述Li为第i个参考点处坐标向量(Xi,Yi),所述
Figure GDA0002714510710000035
为可见光估计位置向量
Figure GDA0002714510710000036
进一步的，本发明所提出的一种可见光辅助的室内定位方法，所述步骤S2中利用可见光指纹定位结果缩小地磁匹配范围的具体步骤为：
S2.1、将匹配范围限制在以可见光指纹定位结果为圆心，R倍的可见光指纹定位误差为半径确定的圆形区域内；
S2.2、结合地图信息，确定X轴，Y轴的最大最小范围[Xmin,Xmax]，[Ymin,Ymax]；根据X轴，Y轴范围将S2.1确定的圆形区域删除多余部分，变为不规则多边形区域。
进一步的，本发明所提出的一种可见光辅助的室内定位方法，所述地磁匹配过程包括：首次匹配时，需要采集10步的地磁强度序列，梯度化地磁强度序列，使用序列动态时间规整算法计算测量的地磁强度序列与不规则多边形区域内的所有地磁强度序列之间的距离，将距离最小值对应的参考点位置输出作为匹配结果；连续定位时，每走一步将最新采集的地磁强度序列入列，剔除原始低强度序列中第一步对应的地磁强度序列，用与首次匹配相同的方法得到地磁匹配的结果。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比具有以下技术效果：
本发明构建了可见光RSS与地磁混合指纹库，通过利用可见光指纹进行粗略的定位，根据其定位结果及定位误差缩小地磁指纹匹配的范围，无需额外的硬件设备，在室内复杂的环境下具有良好的抗干扰能力，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明一种可见光辅的地磁地室内定位方法流程框图。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明作进一步详细的说明。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明公开了一种可见光辅助的地磁室内定位方法；如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤S1、离线阶段，包括可见光数据的采集、地磁数据的采集、步数计算、地磁序列梯度化、混合指纹库的构建。
1.定位区域内可见光数据的采集：
所述定位区域内可见光数据的采集包括采用时分复用技术，将每盏LED灯发出的信号在时域上错开，光电接收器接收到从不同LED发出的光频率，由不同的接收可见光频率组成的向量作为该参考点指纹。
2.地磁数据的采集：
地磁数据为磁强计测量得到，包括
Figure GDA0002714510710000051
所述
Figure GDA0002714510710000052
为载体坐标系下磁强计三轴数据，将磁强计三轴数据代入公式
Figure GDA0002714510710000053
计算地磁强度。
3.步数计算：
1)所述步数计算所需数据为加速度计所得，包括
Figure GDA0002714510710000054
所述
Figure GDA0002714510710000055
为载体坐标系下加速度计三轴数据。将加速度三轴数据代入公式
Figure GDA0002714510710000056
计算加速度模值。
2)比较实时采集的加速度模值，规定连续上升两次，并且波峰值大于20才认为是一个有效波峰。
3)波峰波谷的差值大于2并且波峰波谷时间差大于250ms，步数加1。
4)当检测到t0时刻开始行走时，记录从开始时刻到当前时刻的地磁强度序列
Figure GDA0002714510710000057
从开始时刻到前一时刻的地磁强度序列
Figure GDA0002714510710000058
在判断当前时刻是否为行走状态时，利用动态时间规整算法计算
Figure GDA0002714510710000059
与
Figure GDA00027145107100000510
之间序列距离d，若当d＜T阈值＝1，步数减1，否则步数加1。
4.地磁序列梯度化：
所述地磁序列梯度化步骤包括：
1)地磁序列的长度设为10步，磁强计采样频率身为10HZ,当计步器显示已经走了10步后，内插相邻两步之间的地磁数据，相邻两步内插点数为8。
2)一个地磁序列中，将第二个地磁数据到最后一个地磁数据分别减去第一个地磁数据，构建地磁梯度序列。后续的地磁梯度序列构建中，将地磁序列中第一步地磁数据剔除，将最新一步测量的地磁数据入列。每一个地磁梯度序列对应该序列最后一个点的位置，指纹库中第k个参考点对应的地磁梯度序列用下式表示：
Gk＝[mk-mk,mk-1-mk,…mk-N-mk]
所述N＝(M+1)·T，T＝10为构建序列走的步数，M＝8为两步之间内插的点数。
5.混合指纹库的构建：
所述混合指纹库的构建包括，将定位区域划分为网格，在每个网格内选取参考点，在每个参考点处接收光功率向量(RSS)与地磁强度，第k个参考点的混合指纹库可以表示为：FPk＝{Xk,Yk,(IDk,1,RSSk,1),(IDk,2,RSSk,2),…,(IDk,n,RSSk,n),Gk}。
步骤S2、定位阶段，实时采集可见光数据以及地磁数据，梯度化地磁序列。利用可见光指纹定位结果提供粗略的位置信息，根据该位置信息在混合指纹库中缩小地磁匹配的范围，利用序列动态时间规整算法在缩小的指纹库中搜索最优解，得到定位结果。
1.可见光提供粗略的位置信息：
所述可见光匹配过程为计算在待定位点采集的可见光RSS序列与指纹库中的每个参考点处可见光RSS序列的距离，di＝|RSSmes-RSSDB,i|，所述RSSmes为测量值，RSSDB,i为指纹库中第i个参考点处的RSS向量；计算反距离权重ci＝1/di；权重归一化处理
Figure GDA0002714510710000061
加权平均得到可见光估计位置
Figure GDA0002714510710000062
所述Li为第i个参考点处坐标向量(Xi,Yi),所述
Figure GDA0002714510710000063
为可见光估计位置向量
Figure GDA0002714510710000064
2.可见光定位结果缩小地磁匹配范围：
1)匹配范围限制在以可见光定位结果为圆心，3倍的可见光定位误差为半径确定的圆形区域内。
2)结合地图信息，确定X轴，Y轴的最大最小范围[Xmin,Xmax]，[Ymin,Ymax]。根据X轴，Y轴范围将1)确定的圆形区域删除多余部分，变为不规则多边形区域。
3.地磁序列匹配：
所述地磁序列匹配过程包括，首次匹配时，需要采集10步的地磁强度序列，梯度化地磁强度序列，使用序列动态时间规整算法计算测量的地磁强度序列与不规则多边形区域内的所有地磁强度序列之间的距离，将距离最小值对应的参考点位置输出作为匹配结果；连续定位时，每走一步将最新采集的地磁强度序列入列，剔除原始低强度序列中第一步对应的地磁强度序列，用与首次匹配相同的方法得到地磁匹配的结果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种可见光辅助的室内定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、离线阶段：将定位区域划分为网格，在每个网格内选取参考点，对于每个参考点进行数据采集，包括可见光数据的采集、地磁数据的采集、步数计算、地磁序列梯度化，然后进行混合指纹库的构建；具体的：
所述步骤S1中可见光数据的采集是采用时分复用技术，将每盏LED灯发出的信号在时域上错开，采用光电接收器接收到从不同LED发出的可见光频率，将接收到的不同可见光频率组成的向量作为该参考点指纹；
所述步骤S1中地磁数据的采集，是通过磁强计测量得到载体坐标系下磁强计三轴数据将磁强计三轴数据代入公式计算地磁强度；
所述步骤S1中步数计算所需数据是通过加速度计获得，包括载体坐标系下加速度计三轴数据将加速度计三轴数据代入公式计算加速度模值；在步数计算时，进行步点检测的方法为：
1)在加速度计读数的峰值检测中，若连续上升两次，并且波峰值大于设定波峰阈值，则认为是有效波峰；
2)两个步点之间的时间差超过设定时间阈值，将之前的计步清空；
3)当检测到t0时刻开始行走时，磁强计同时收集地磁数据，记录从开始时刻到当前时刻的地磁强度序列
Figure FDA0003087003960000011
从开始时刻到前一时刻的地磁强度序列
Figure FDA0003087003960000012
在判断当前时刻是否为行走状态时，利用动态时间规整算法计算
Figure FDA0003087003960000013
与
Figure FDA0003087003960000014
之间序列距离d，若当d＜T阈值，认为用户处于静止状态，否则认为用户处于行走状态；
当认为用户处于行走状态时，开始计步：若当d＜T阈值＝1，步数减1，否则步数加1，或者波峰波谷的差值大于2并且波峰波谷时间差大于250ms，步数加1；
所述步骤S1中地磁序列梯度化具体步骤为：
S1.1、将地磁序列的长度设为T步，使用校准之后的磁强计收集地磁模值数据；
S1.2、在一个地磁序列中，将第二个地磁数据到最后一个地磁数据分别减去第一个地磁数据，构建地磁梯度序列；后续的地磁梯度序列构建中，将地磁序列中第一步地磁数据剔除，将最新一步测量的地磁数据入列；每一个地磁梯度序列对应该序列最后一个点的位置；指纹库中第k个参考点对应的地磁梯度序列用下式表示：
Gk＝[mk-mk,mk-1-mk,…,mk-N-mk]
式中N＝(M+1)·T，T＝10为构建序列走的步数，M＝8为两步之间内插的点数；
所述步骤S1中，所述混合指纹库的构建包括：将定位区域划分为网格，在每个网格内选取参考点，根据在每个参考点处接收光功率向量RSS与地磁强度，第k个参考点的混合指纹库表示为：FPk＝{Xk,Yk,(IDk,1,RSSk,1),(IDk,2,RSSk,2),…,(IDk,n,RSSk,n),Gk}，其中Xk，Yk代表第k个参考点的横、纵坐标，Gk代表第k个参考点对应的地磁梯度序列，(IDk,n,RSSk,n)代表第k个参考点所接收到的n个编号及其对应的可见光功率值；
步骤S2、定位阶段：实时采集可见光数据、地磁数据、行走步数，以及梯度化地磁序列；利用可见光指纹定位结果提供粗略的位置信息，根据该位置信息在混合指纹库中缩小地磁匹配的范围，利用序列动态时间规整算法在缩小的指纹库中搜索最优解，得到定位结果；具体的：
所述步骤S2中利用可见光指纹定位结果提供粗略的位置信息，所述可见光匹配过程为计算在待定位点采集的可见光RSS序列与指纹库中的每个参考点处可见光RSS序列的距离：di＝|RSSmes-RSSDB,i|，所述RSSmes为测量值，RSSDB,i为指纹库中第i个参考点处的RSS向量；计算反距离权重ci＝1/di；权重归一化处理
Figure FDA0003087003960000021
加权平均得到可见光估计位置
Figure FDA0003087003960000022
所述Li为第i个参考点处坐标向量(Xi,Yi),所述
Figure FDA0003087003960000023
为可见光估计位置向量
Figure FDA0003087003960000024
所述步骤S2中利用可见光指纹定位结果缩小地磁匹配范围的具体步骤为：
S2.1、将匹配范围限制在以可见光指纹定位结果为圆心，3倍的可见光指纹定位误差为半径确定的圆形区域内；
S2.2、结合地图信息，确定X轴，Y轴的最大最小范围[Xmin,Xmax]，[Ymin,Ymax]；根据X轴，Y轴范围将S2.1确定的圆形区域删除多余部分，变为不规则多边形区域。
2.根据权利要求1所述一种可见光辅助的室内定位方法，其特征在于，所述地磁匹配过程包括：首次匹配时，需要采集10步的地磁强度序列，梯度化地磁强度序列，使用序列动态时间规整算法计算测量的地磁强度序列与不规则多边形区域内的所有地磁强度序列之间的距离，将距离最小值对应的参考点位置输出作为匹配结果；连续定位时，每走一步将最新采集的地磁强度序列入列，剔除原始地磁强度序列中第一步对应的地磁强度序列，用与首次匹配相同的方法得到地磁匹配的结果。
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