一種步行者室內(nèi)雙層定位方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于室內(nèi)定位技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種步行者室內(nèi)雙層定位方法及系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)快速發(fā)展，使得利用微型慣性傳感器和三軸磁力計(jì)的來 跟蹤步行者的運(yùn)動(dòng)特征，并對其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行推算得到實(shí)時(shí)的位置信息成為了可能。此類步行 者定位系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于擁有自完備特性。正是由于這種特性，此類步行者室內(nèi)定位技 術(shù)越來越多得到了關(guān)注，其在某些特定的場景下有著非常重要的應(yīng)用前景（應(yīng)急救援，應(yīng) 急醫(yī)療，商場位置確定等的）。但是由于受到傳感器自身誤差在長時(shí)間計(jì)算后會產(chǎn)生不可忽 略的誤差累積問題，同時(shí)在位置推算的濾波器參數(shù)對不同步行者的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣不具備自適應(yīng) 性，使得這類算法在適用性上存在進(jìn)一步提升的空間。于此種種問題都使得這種技術(shù)在定 位精度上一直無法滿足人們的應(yīng)用需求。
[0003] 在慣性定位的基礎(chǔ)上，現(xiàn)有的技術(shù)提出了一種雙層濾波定位架構(gòu)，其基于粒子濾 波并結(jié)合室內(nèi)地圖信息輔助慣性定位的技術(shù)是另一種輔助定位的方法，該方法結(jié)合地圖信 息利用粒子濾波算法糾正無效位置點(diǎn)，以達(dá)到提高定位精度的目的。這種方法在有豐富地 圖信息的情況下，可以有效遏制了由于傳感器誤差而造成的位置誤差的無休止的積累，能 得到相對較高的定位精度。但是在實(shí)際應(yīng)用中，利用地圖輔助修正位置信息的方法仍然存 在一定的應(yīng)用難題和缺陷。當(dāng)無法得到詳細(xì)地圖信息時(shí)，例如僅僅是建筑物輪廓圖，或者步 行者長期在某個(gè)建筑物內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)時(shí)，地圖信息不能有效的對估算位置的累積誤差進(jìn)行修 正。
[0004] 因此，如何提供一種步行者室內(nèi)雙層定位方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的利用 地圖輔助步行者定位方法及系統(tǒng)對室內(nèi)人員的定位精度不高，無法對估算的室內(nèi)人員的位 置信息的累積誤差進(jìn)行自適應(yīng)地修正等種種缺陷，實(shí)已成為本領(lǐng)域從業(yè)者亟待解決的技術(shù) 問題

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種步行者室內(nèi)雙層定位 方法及系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中利用地圖輔助步行者定位方法及系統(tǒng)對室內(nèi)人員的定位 精度不高，耦合性低、無法對估算的室內(nèi)人員的位置信息的累積誤差進(jìn)行自適應(yīng)地修正的 問題。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明一方面提供一種步行者室內(nèi)雙層定位方 法，包括：下層濾波步驟；所述下層濾波步驟包括：選取所述步行者的一只腳為檢測對象， 并采集所述檢測對象的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；根據(jù)預(yù)定靜止檢測方式判斷所述檢測對象在當(dāng)前時(shí)刻 是否處于靜止?fàn)顟B(tài)；若是，繼續(xù)執(zhí)行下一步驟；若否，繼續(xù)判斷；所述靜止?fàn)顟B(tài)分為非零速 度階段和零速度階段；所述零速度階段的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)存在運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)誤差狀態(tài)；利用預(yù)存位置 坐標(biāo)信息推算法推算所述步行者在當(dāng)前時(shí)刻的移動(dòng)位置坐標(biāo)信息，對所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)誤差狀 態(tài)進(jìn)行誤差狀態(tài)偏置估計(jì)以修正所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)誤差狀態(tài)并獲取當(dāng)前時(shí)刻校準(zhǔn)后的移動(dòng)位 置坐標(biāo)信息；上層濾波步驟；所述上層濾波步驟包括：查找當(dāng)前時(shí)刻中所述零速度階段的 結(jié)束時(shí)刻，利用地圖信息，在所述結(jié)束時(shí)刻對當(dāng)前時(shí)刻校準(zhǔn)后的移動(dòng)位置坐標(biāo)信息執(zhí)行預(yù) 制修正，并獲取修正后的移動(dòng)位置坐標(biāo)信息和上一時(shí)刻校準(zhǔn)后的移動(dòng)位置坐標(biāo)信息的第一 差；將所述第一差與下層濾波后當(dāng)前時(shí)刻校準(zhǔn)后的移動(dòng)位置坐標(biāo)信息和上一時(shí)刻校準(zhǔn)后的 移動(dòng)位置坐標(biāo)信息的第二差進(jìn)行比較，以檢測所述步行者的當(dāng)前步伐是存在逆時(shí)針偏移還 是存在順時(shí)針偏移，若所述步行者的當(dāng)前步伐存在逆時(shí)針偏移，執(zhí)行逆時(shí)針校正；若所述步 行者的當(dāng)前步伐存在順時(shí)針偏移，執(zhí)行順時(shí)針校正。
[0007] 可選地，所述下層濾波步驟中的所述預(yù)存位置坐標(biāo)信息推算法為捷聯(lián)慣導(dǎo)算法； 所述步驟三采用所述捷聯(lián)慣導(dǎo)算法計(jì)算所述步行者在當(dāng)前時(shí)刻的加速度和角速度以推算 所述步行者當(dāng)前時(shí)刻未校準(zhǔn)的移動(dòng)位置坐標(biāo)信息。
[0008] 可選地，所述下層濾波步驟中采用誤差狀態(tài)卡爾曼濾波對所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)誤差狀態(tài) 進(jìn)行誤差狀態(tài)偏置估計(jì)；誤差狀態(tài)偏置估計(jì)包括姿態(tài)誤差估計(jì)、角速度誤差估計(jì)、位置誤差 估計(jì)、速度誤差估計(jì)、及加速度誤差估計(jì)。
[0009] 可選地，姿態(tài)誤差估計(jì)為通過一姿態(tài)誤差矩陣對方向余弦矩陣進(jìn)行修正；角速度 誤差估計(jì)為采用角速度誤差對下一時(shí)刻的角速度進(jìn)行補(bǔ)償；其中，下一時(shí)刻的角速度=當(dāng) 前時(shí)刻的角速度+角速度誤差；位置誤差估計(jì)為采用位置誤差對當(dāng)前時(shí)刻未校準(zhǔn)的移動(dòng)位 置坐標(biāo)信息進(jìn)行補(bǔ)償；其中，所述當(dāng)前時(shí)刻校準(zhǔn)后的移動(dòng)位置坐標(biāo)信息=當(dāng)前時(shí)刻未校準(zhǔn) 的移動(dòng)位置坐標(biāo)信息一位置誤差；速度誤差估計(jì)為采用速度誤差對當(dāng)前時(shí)刻的速度進(jìn)行 補(bǔ)償；其中，所述當(dāng)前時(shí)刻的速度=未校準(zhǔn)的所述步行者當(dāng)前時(shí)刻的移動(dòng)位置坐標(biāo)信息中 的速度一速度誤差；加速度誤差估計(jì)為采用加速度誤差對下一時(shí)刻的加速度進(jìn)行補(bǔ)償；其 中，下一時(shí)刻的加速度=當(dāng)前時(shí)刻的加速度+加速度誤差。
[0010] 可選地，在所述上層濾波步驟中執(zhí)行的預(yù)制修正為執(zhí)行粒子濾波算法以完成位置 校準(zhǔn)。
[0011] 本發(fā)明另一方面還提供一種步行者室內(nèi)雙層定位系統(tǒng)，包括：下層濾波單元，所述 下層濾波單元包括：選取模塊，用于選取所述步行者的一只腳為檢測對象；采集模塊，與所 述選取模塊連接，用于采集所述檢測對象的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；判斷模塊，與所述采集模塊連接，用 于根據(jù)預(yù)定靜止檢測方式判斷所述檢測對象在當(dāng)前時(shí)刻是否處于靜止?fàn)顟B(tài)，其中，所述靜 止?fàn)顟B(tài)分為非零速度階段和零速度階段；所述零速度階段的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)存在運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)誤差狀 態(tài)；若是，調(diào)用用于利用預(yù)存位置坐標(biāo)信息推算法推算所述步行者在當(dāng)前時(shí)刻的移動(dòng)位置 坐標(biāo)信息，對所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)誤差狀態(tài)進(jìn)行誤差狀態(tài)偏置估計(jì)以修正所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)誤差狀態(tài) 并獲取當(dāng)前時(shí)刻校準(zhǔn)后的移動(dòng)位置坐標(biāo)信息的第一處理模塊；若否，繼續(xù)調(diào)用所述判斷模 塊；與所述下層濾波單元連接的上層濾波單元，所述上層濾波單元包括：第二處理模塊，與 所述判斷模塊和第一處理模塊連接，用于查找當(dāng)前時(shí)刻中所述零速度階段的結(jié)束時(shí)刻，利 用地圖信息，在所述結(jié)束時(shí)刻對當(dāng)前時(shí)刻校準(zhǔn)后的移動(dòng)位置坐標(biāo)信息執(zhí)行預(yù)制修正，并獲 取修正后的移動(dòng)位置坐標(biāo)信息和上一時(shí)刻校準(zhǔn)后的移動(dòng)位置坐標(biāo)信息的第一差；；檢測模 塊，與所述第一處理模塊和第二處理模塊連接，用于將將所述第一差與下層濾波后當(dāng)前時(shí) 刻校準(zhǔn)后的移動(dòng)位置坐標(biāo)信息和上一時(shí)刻校準(zhǔn)后的移動(dòng)位置坐標(biāo)信息的第二差進(jìn)行比較， 以檢測所述步行者的當(dāng)前步伐是存在逆時(shí)針偏移還是存在順時(shí)針偏移，若所述步行者的當(dāng) 前步伐存在逆時(shí)針偏移，調(diào)用用于執(zhí)行逆時(shí)針校正的校準(zhǔn)模塊；若所述步行者的當(dāng)前步伐 存在順時(shí)針偏移，繼續(xù)調(diào)用所述校準(zhǔn)模塊執(zhí)行順時(shí)針校正。
[0012] 可選地，所述第一處理模塊中的所述預(yù)存位置坐標(biāo)信息推算法為捷聯(lián)慣導(dǎo)算法； 所述第一處理模塊還用于采用所述捷聯(lián)慣導(dǎo)算法計(jì)算所述步行者在當(dāng)前時(shí)刻的加速度和 角速度以推算所述步行者當(dāng)前時(shí)刻未校準(zhǔn)的移動(dòng)位置坐標(biāo)信息。
[0013] 可選地，所述第一處理模塊還用于采用誤差狀態(tài)卡爾曼濾波對所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)誤差 狀態(tài)進(jìn)行誤差狀態(tài)偏置估計(jì)；誤差狀態(tài)偏置估計(jì)包括姿態(tài)誤差估計(jì)、角速度誤差估計(jì)、位置 誤差估計(jì)、速度誤差估計(jì)、及加速度誤差估計(jì)。
[0014] 如上所述，本發(fā)明的步行者室內(nèi)定位方法及系統(tǒng)，具有以下有益效果：
[0015] 本發(fā)明增加了兩個(gè)濾波層次之間的耦合度，提高了數(shù)據(jù)的融合效果。使基于慣性 傳感器的室內(nèi)定位精度更高，實(shí)用性更強(qiáng)，并延長了算法有效計(jì)算的生命周期。
【附圖說明】
[0016] 圖1顯示為本發(fā)明的步行者室內(nèi)定位方法流程示意圖。
[0017] 圖2顯示為本發(fā)明的基于三軸加速度與三軸陀螺儀采集的數(shù)據(jù)計(jì)算的零速度階 段與零速度階段結(jié)束的結(jié)束時(shí)刻的計(jì)算效果示意圖。
[0018] 圖3顯示為本發(fā)明的步行者室內(nèi)定位系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 元件標(biāo)號說明
[0020] 1步行者室內(nèi)定位系統(tǒng)
[0021] 11下層濾波單元
[0022] 12上層濾波單元
[0023] 111選取模塊
[0024] 112采集模塊
[0025] 113判斷模塊
[0026] 114第一處理模塊
[0027] 121第二處理模塊
[0028] 122檢測模塊
[0029] 123校準(zhǔn)模塊
[0030] S1 ~S2 步驟
【具體實(shí)施方式】
[0031] 以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書 所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí) 施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離 本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。需說明的是，在不沖突的情況下，以下實(shí)施例及實(shí)施 例中的特征可以相互組合。
[0032] 需要說明的是，以下實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu) 想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸 繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也 可能更為復(fù)雜。
[0033] 本發(fā)明的基本技術(shù)方案如下：
[0034] 底層基于安裝于腳步的微型傳感器所采集的數(shù)據(jù)，利用零速度更新（ZUPT，Zero VelocityUpdate)和零角速度更新（ZARU,ZeroAngularRateUpdate)輔助策略的誤差狀 態(tài)卡爾曼濾波器進(jìn)行初步的步行者位置推算，然后基于檢出的信號特征，判斷出每一步的 結(jié)束時(shí)刻，在此時(shí)刻將計(jì)算的這一步所運(yùn)動(dòng)的位移長度和運(yùn)動(dòng)方向信息傳輸?shù)缴弦粚訛V波 器，上一層濾波采用粒子濾波方法，基于地圖信息，對本步所計(jì)算的步長和方向進(jìn)行再次濾 波處理，得出最優(yōu)結(jié)果。然后將最優(yōu)結(jié)果與底層濾波數(shù)據(jù)的結(jié)果進(jìn)行對比，將此對比的差值 反饋回底層誤差狀態(tài)卡爾曼濾波器，用以自適應(yīng)修正卡爾曼濾波器的計(jì)算參數(shù)。
[0035] 實(shí)施例一
[0036] 本實(shí)施例提供一種步行者室內(nèi)雙層定位方法，請參閱圖1，顯示為步行者室內(nèi)定位 方法流程示意圖。如圖1所示，所述步行者室內(nèi)雙層定位方法包括以下步驟：
[0037] S1，下層濾波步驟，所述下層濾波步驟具體包括：