專利名稱：基于慣性傳感器與無線信號特征的室內(nèi)定位方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種移動通信領(lǐng)域的定位方法及系統(tǒng)，尤其是涉及一種基于慣性傳感器與無線信號特征的室內(nèi)定位方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著信息的急速增長，如何處理大數(shù)據(jù)以及如何提供可靠的信息成了關(guān)鍵。將信息附上定位標(biāo)簽成了一種最常用的處理方式。伴隨著移動設(shè)備和個人設(shè)備的流行，定位成為熱門。定位系統(tǒng)能夠判斷設(shè)備的位置信息，同時將位置信息用于基于位置的服務(wù)，如導(dǎo)航、跟蹤、監(jiān)測等。根據(jù)使用范圍劃分，基于位置的服務(wù)主要包括室外定位應(yīng)用和室內(nèi)定位應(yīng)用。下面主要說一下他們的實現(xiàn)原理
I.室外定位GPS系統(tǒng)能夠很好的提高室外的個人定位信息，利用GPS進(jìn)行定位的優(yōu)勢是衛(wèi)星有效覆蓋范圍大，且定位導(dǎo)航信號免費。但是GPS依靠衛(wèi)星和接受者的之間信號(line-of-sight)的傳輸,而GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線信號太微弱,無法穿透大部分的建筑物等障礙物，導(dǎo)致在室內(nèi)的情況下，GPS系統(tǒng)定位不準(zhǔn)，而且定位器終端的成本很高。2.室內(nèi)定位室內(nèi)定位系統(tǒng)用于提供個人和設(shè)備的位置信息。精度和計算收斂時間被認(rèn)為是定位技術(shù)最重要的因素?，F(xiàn)在已有很多的定位技術(shù)。(I)紅外室內(nèi)定位技術(shù)紅外(Infrared)是用于室內(nèi)定位的最早的技術(shù),紅外線室內(nèi)定位技術(shù)定位的原理是，紅外線IR標(biāo)識發(fā)射調(diào)制的紅外射線，通過安裝在室內(nèi)的光學(xué)傳感器接收進(jìn)行定位。雖然紅外線具有相對較高的室內(nèi)定位精度，但是由于光線不能穿過障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播。直線視距和傳輸距離較短這兩大主要缺點使其室內(nèi)定位的效果很差。當(dāng)標(biāo)識放在口袋里或者有墻壁及其他遮擋時就不能正常工作，需要在每個房間、走廊安裝接收天線，造價較高。因此，紅外線只適合短距離傳播，而且容易被熒光燈或者房間內(nèi)的燈光干擾，在精確定位上有局限性。(2)射頻識別(RFID)技術(shù)射頻(Radio Frequency)也常用于個人室內(nèi)定位(IPS)。射頻識別技術(shù)利用射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達(dá)到識別和定位的目的。這種技術(shù)作用距離短，一般最長為幾十米。但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息，且傳輸范圍很大，成本較低，同時系統(tǒng)需要更少的硬件設(shè)備。(3)無線局域網(wǎng)(WLAN)定位技術(shù)無線局域網(wǎng)(WLAN)基于IEEE802. 11協(xié)議，是以無線信道作傳輸媒介的計算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)，是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它以無線多址信道作為傳輸媒介，提供傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)的功能，能夠使用戶真正實現(xiàn)隨時、隨地、隨意的寬帶網(wǎng)絡(luò)接入。移動用戶對信息的即時性和就地性的需求越來越強(qiáng)烈，這就給基于WLAN系統(tǒng)的位置服務(wù)提供了廣闊的發(fā)展空間。WLAN系統(tǒng)中定位技術(shù)主要有GPS衛(wèi)星定位、基于RSSI (Received SignalStrength Indication,接收的信號強(qiáng)度指示)或T0A/TD0A/A0A的三角定位、信號強(qiáng)度定位等技術(shù)。其中，信號強(qiáng)度定位技術(shù)主要包括信號強(qiáng)度指紋/信號傳播模型定位等兩類方法。有很多著名的WLAN定位系統(tǒng)，如RADAR系統(tǒng)將信號強(qiáng)度和信噪比(signal-to-noise)用于三角定位技術(shù)，通過建立射頻信道傳播模型，多個WLAN接入點(APs)能夠根據(jù)信號空間(NNSS)定位算法里最近的鄰居來定位出移動基站。COMPASS系統(tǒng)通過WLAN基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字指南針，為攜帶有WLAN設(shè)備的用戶提供低成本以及相對高精度的定位服務(wù)。3.航位推算(Dead Reckoning)傳感器定位技術(shù)航位推算技術(shù)是一種很重要的導(dǎo)航技術(shù),Dead Reckoning起源于17世紀(jì)航海,指由已知的定點以羅盤及航速推算出目前所在位置的方法；根據(jù)上次所測定的位置，以及前進(jìn)方向、速度、時間、距離就能夠算出當(dāng)前的位置信息?；诓煌奈锢硖匦院蛻?yīng)用環(huán)境，航位推算傳感器可以相互組合實現(xiàn)不同的配置方案，如陀螺儀和加速度計組合的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，磁力計和加速度計組成的無漂移定位方法，陀螺儀、磁力計和加速度計元余定位方法等。Dead Reckoning在短距離定位上有較高的精度,但是具有累積誤差的缺點。4. RSSI 技術(shù)RSSI技術(shù)是通過接收到的信號強(qiáng)弱測定信號點與接收點的距離，進(jìn)而根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位計算的一種定位技術(shù)。RSSI具有檢測設(shè)備和機(jī)制簡單、硬件成本低、實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，但是由于在室內(nèi)無線信號受反射、多徑和衰退的影響，接受信號強(qiáng)度的分布有可能有過個峰值，這樣就導(dǎo)致了就算通過多次測量平均值，也不能通過起計算距離。所以對無線信號不能采用平均值的方式，而是要采用特征值分布的方式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種定位精度高、動靜結(jié)合的基于慣性傳感器與無線信號特征的室內(nèi)定位方法及系統(tǒng)，既能克服無線信號在移動中信號不穩(wěn)定導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確的問題，又能解決使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)累計誤差大，無法長時間使用的問題。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種基于慣性傳感器與無線信號特征的室內(nèi)定位方法，該方法包括以下步驟I)采用無線信號特征方法初始化定位目標(biāo)在給定空間中的位置，在初始過程中定位目標(biāo)保持相對靜止?fàn)顟B(tài)；2)檢測定位目標(biāo)的運動狀態(tài)，如果定位目標(biāo)處在靜止?fàn)顟B(tài)，則執(zhí)行步驟3)，如果定位目標(biāo)處在移動狀態(tài)，則執(zhí)行步驟4)；3)采用無線信號特征方法對定位目標(biāo)進(jìn)行定位；4)慣性傳感器以上一個靜止?fàn)顟B(tài)的定位點位為起點產(chǎn)生定位目標(biāo)的移動軌跡，并將定位目標(biāo)的位置和移動軌跡實時地顯示在手持設(shè)備上，同時通過無線網(wǎng)絡(luò)將實時的位置信息上傳到后臺處理裝置。所述的無線信號特征方法具體為在給定空間中部署多個無線接收節(jié)點，定位目標(biāo)處于靜止?fàn)顟B(tài)時，手持設(shè)備連續(xù)發(fā)出一系列定位用的廣播包，在無線接收節(jié)點將產(chǎn)生實時的RSSI概率分布，將該概率分布與預(yù)先存儲的RSSI概率分布進(jìn)行匹配處理，確定定位目標(biāo)的位置。所述的預(yù)先存儲的RSSI概率分布根據(jù)以下方法獲得離線采集手持設(shè)備在給定空間中針對每個無線接收節(jié)點的指紋圖，對每一個無線節(jié)點產(chǎn)生一個在指定RSSI值域上的概率分布。所述的匹配處理指尋找使兩個概率分布的統(tǒng)計相似度參數(shù)最大化的指紋點，該指紋點即定位目標(biāo)的位置。所述的慣性傳感器以上一個靜止?fàn)顟B(tài)的定位點位為起點產(chǎn)生定位目標(biāo)的移動軌跡具體為41)慣性傳感器對定位目標(biāo)的腳步進(jìn)行檢測并記錄，判斷步頻和加速度方差是否超過設(shè)定的峰值，若是，則定位目標(biāo)為跑步模式，若否，則定位目標(biāo)為走路模式；42)根據(jù)定位目標(biāo)的移動模式實時調(diào)整定位目標(biāo)移動的步長,并檢測定位目標(biāo)移動的步數(shù)，根據(jù)步長與步數(shù)的乘積獲得定位目標(biāo)的位移，并通過航位算法確定定位目標(biāo)的位置與移動軌跡。所述的檢測定位目標(biāo)移動的步數(shù)的過程中包括判斷定位目標(biāo)是否進(jìn)行跳躍，若是，則步數(shù)不變。所述的判斷定位目標(biāo)是否進(jìn)行跳躍的方法為通過慣性傳感器檢測定位目標(biāo)移動時在z軸方向上連續(xù)兩個加速度是否在O. 2秒內(nèi)都出現(xiàn)了類正弦的變化，若是，則定位目標(biāo)進(jìn)行跳躍，若否，則定位目標(biāo)正常走步。一種基于慣性傳感器與無線信號特征的室內(nèi)定位系統(tǒng)，包括手持設(shè)備、后臺處理裝置和多個無線接收節(jié)點，所述的手持設(shè)備上設(shè)有慣性傳感器，所述的后臺處理裝置通過無線網(wǎng)絡(luò)與慣性傳感器相連，所述的多個無線接收節(jié)點部署在室內(nèi)空間中。所述的手持設(shè)備為可穿戴式手持設(shè)備。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用無線信號特征的辦法提高了定位的精度，并且使用慣性傳感器在運動時進(jìn)行航位推算，具有計算速度快的特點，同時無線信號特征在靜止?fàn)顟B(tài)介入，有效地修正了航位推算的累計誤差，兩個系統(tǒng)結(jié)合保證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、定位的精度和運算的速度，同時通過對移動和靜止兩種狀態(tài)的定位來對定位數(shù)據(jù)集進(jìn)行整合。通過結(jié)合航位推算和無線信號特征值的優(yōu)勢，不僅規(guī)避了 RFID測量距離短的缺點，同時也最小化了航位推算帶來的累積誤差。


圖I為本發(fā)明定位方法的流程圖；圖2為本發(fā)明適應(yīng)性步長算法的流程圖；圖3為本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實施例如圖I所示，一種基于慣性傳感器與無線信號特征的室內(nèi)定位方法，該方法包括以下步驟
I)采用無線信號特征方法初始化定位目標(biāo)在給定空間中的位置，在初始過程中定位目標(biāo)保持相對靜止?fàn)顟B(tài)。所述的無線信號特征方法具體為；在給定空間中部署多個無線接收節(jié)點，定位目標(biāo)處于靜止?fàn)顟B(tài)時，手持設(shè)備連續(xù)發(fā)出一系列定位用的廣播包，在無線接收節(jié)點將產(chǎn)生實時的RSSI概率分布，將該概率分布與預(yù)先存儲的RSSI概率分布進(jìn)行匹配處理，確定定位目標(biāo)的位置。所述的預(yù)先存儲的RSSI概率分布根據(jù)以下方法獲得離線采集手持設(shè)備在給定空間中針對每個無線接收節(jié)點的指紋圖，對每一個無線節(jié)點產(chǎn)生一個在指定RSSI值域上的概率分布。所述的匹配處理指尋找使兩個概率分布的統(tǒng)計相似度參數(shù)最大化的指紋點，該指紋點即定位目標(biāo)的位置。所述的統(tǒng)計相似度參數(shù)包括Kullback-Leibler divergence等相似度參數(shù)。2)檢測定位目標(biāo)的運動狀態(tài)，如果定位目標(biāo)處在靜止?fàn)顟B(tài)，則執(zhí)行步驟3)，如果定位目標(biāo)處在移動狀態(tài)，則執(zhí)行步驟4)。3)采用無線信號特征方法對定位目標(biāo)進(jìn)行定位，即步驟I)中所述的方法。4)慣性傳感器以上一個靜止?fàn)顟B(tài)的定位點位為起點產(chǎn)生定位目標(biāo)的移動軌跡，并將定位目標(biāo)的位置和移動軌跡實時地顯示在手持設(shè)備上，同時通過無線網(wǎng)絡(luò)將實時的位置信息上傳到后臺處理裝置。如圖2所示，所述的慣性傳感器以上一個靜止?fàn)顟B(tài)的定位點位為起點產(chǎn)生定位目標(biāo)的移動軌跡具體為41)慣性傳感器對定位目標(biāo)的腳步進(jìn)行檢測并記錄，判斷步頻和加速度方差是否超過設(shè)定的峰值，若是，則定位目標(biāo)為跑步模式，若否，則定位目標(biāo)為走路模式；42)根據(jù)定位目標(biāo)的移動模式實時調(diào)整定位目標(biāo)移動的步長,并檢測定位目標(biāo)移動的步數(shù)，根據(jù)步長與步數(shù)的乘積獲得定位目標(biāo)的位移，并通過航位算法確定定位目標(biāo)的位置與移動軌跡。步長調(diào)整采用的公式為SL = α · f+β · V+Y ,其中，SL為步長，f為步頻，V為加速度方差，α、β、Y為可通過線性規(guī)劃方法得到的參數(shù)，在不同移動模式下，參數(shù)不同，這也是需要首先通過慣性傳感器判斷移動模式的原因。所述腳步記錄是指通過慣性傳感器檢測定位目標(biāo)移動時在前進(jìn)方向上的加速度值的變化獲得，包括通過峰值探測、過零探測和平帶探測方法。每一次定位目標(biāo)在開始走路抬腳的時候和結(jié)束走路放下腳的時候，在ζ軸的加速度大小的量都會產(chǎn)生一個類似于正弦波的變化，所以根據(jù)慣性傳感器ζ軸加速度感應(yīng)是否開始或者結(jié)束了一步。檢測定位目標(biāo)移動的步數(shù)的過程中包括判斷定位目標(biāo)是否進(jìn)行跳躍，若是，則步數(shù)不變，這是為了防止定位者跳躍造成兩個腳都產(chǎn)生了類似于走路的信號而系統(tǒng)自動認(rèn)為這是一步。所述的判斷定位目標(biāo)是否進(jìn)行跳躍的方法為通過慣性傳感器檢測定位目標(biāo)移動時在Z軸方向上連續(xù)兩個加速度是否在O. 2秒內(nèi)都出現(xiàn)了類正弦的變化，若是，則定位目標(biāo)進(jìn)行跳躍，若否，則定位目標(biāo)正常走步。如圖3所示，一種基于慣性傳感器與無線信號特征的室內(nèi)定位系統(tǒng)，包括手持設(shè)備I、后臺處理裝置2和多個無線接收節(jié)點3，所述的手持設(shè)備I上設(shè)有慣性傳感器4，所述的后臺處理裝置2通過無線網(wǎng)絡(luò)與慣性傳感器4相連，所述的多個無線接收節(jié)點3部署在室內(nèi)空間中。所述的手持設(shè)備I為可穿戴式手持設(shè)備，可穿戴在定位目標(biāo)上各部位，通過定位目標(biāo)移動的航向和位移，采用航位算法得到定位目標(biāo)在移動時的實時位置。
權(quán)利要求
1.一種基于慣性傳感器與無線信號特征的室內(nèi)定位方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 1)采用無線信號特征方法初始化定位目標(biāo)在給定空間中的位置，在初始過程中定位目標(biāo)保持相對靜止?fàn)顟B(tài)； 2)檢測定位目標(biāo)的運動狀態(tài)，如果定位目標(biāo)處在靜止?fàn)顟B(tài)，則執(zhí)行步驟3)，如果定位目標(biāo)處在移動狀態(tài)，則執(zhí)行步驟4)； 3)采用無線信號特征方法對定位目標(biāo)進(jìn)行定位； 4)慣性傳感器以上一個靜止?fàn)顟B(tài)的定位點位為起點產(chǎn)生定位目標(biāo)的移動軌跡，并將定位目標(biāo)的位置和移動軌跡實時地顯示在手持設(shè)備上，同時通過無線網(wǎng)絡(luò)將實時的位置信息上傳到后臺處理裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于慣性傳感器與無線信號特征的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述的無線信號特征方法具體為 在給定空間中部署多個無線接收節(jié)點，定位目標(biāo)處于靜止?fàn)顟B(tài)時，手持設(shè)備連續(xù)發(fā)出一系列定位用的廣播包，在無線接收節(jié)點將產(chǎn)生實時的RSSI概率分布，將該概率分布與預(yù)先存儲的RSSI概率分布進(jìn)行匹配處理，確定定位目標(biāo)的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于慣性傳感器與無線信號特征的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述的預(yù)先存儲的RSSI概率分布根據(jù)以下方法獲得離線采集手持設(shè)備在給定空間中針對每個無線接收節(jié)點的指紋圖，對每一個無線節(jié)點產(chǎn)生一個在指定RSSI值域上的概率分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于慣性傳感器與無線信號特征的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述的匹配處理指尋找使兩個概率分布的統(tǒng)計相似度參數(shù)最大化的指紋點，該指紋點即定位目標(biāo)的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于慣性傳感器與無線信號特征的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述的慣性傳感器以上一個靜止?fàn)顟B(tài)的定位點位為起點產(chǎn)生定位目標(biāo)的移動軌跡具體為 41)慣性傳感器對定位目標(biāo)的腳步進(jìn)行檢測并記錄，判斷步頻和加速度方差是否超過設(shè)定的峰值，若是，則定位目標(biāo)為跑步模式，若否，則定位目標(biāo)為走路模式； 42)根據(jù)定位目標(biāo)的移動模式實時調(diào)整定位目標(biāo)移動的步長，并檢測定位目標(biāo)移動的步數(shù)，根據(jù)步長與步數(shù)的乘積獲得定位目標(biāo)的位移，并通過航位算法確定定位目標(biāo)的位置與移動軌跡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于慣性傳感器與無線信號特征的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述的檢測定位目標(biāo)移動的步數(shù)的過程中包括判斷定位目標(biāo)是否進(jìn)行跳躍，若是，則步數(shù)不變。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于慣性傳感器與無線信號特征的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述的判斷定位目標(biāo)是否進(jìn)行跳躍的方法為；通過慣性傳感器檢測定位目標(biāo)移動時在z軸方向上連續(xù)兩個加速度是否在O. 2秒內(nèi)都出現(xiàn)了類正弦的變化，若是，則定位目標(biāo)進(jìn)行跳躍，若否，則定位目標(biāo)正常走步。
8.—種如權(quán)利要求2所述的基于慣性傳感器與無線信號特征的室內(nèi)定位系統(tǒng)，其特征在于，包括手持設(shè)備、后臺處理裝置和多個無線接收節(jié)點，所述的手持設(shè)備上設(shè)有慣性傳感器，所述的后臺處理裝置通過無線網(wǎng)絡(luò)與慣性傳感器相連，所述的多個無線接收節(jié)點部署在室內(nèi)空間中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于慣性傳感器與無線信號特征的室內(nèi)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述的手持設(shè)備為可穿戴式手持設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于慣性傳感器與無線信號特征的室內(nèi)定位方法及系統(tǒng)，所述的方法包括以下步驟；采用無線信號特征方法初始化定位目標(biāo)在給定空間中的位置；檢測定位目標(biāo)的運動狀態(tài)，如果定位目標(biāo)處在靜止?fàn)顟B(tài)，則采用無線信號特征方法對定位目標(biāo)進(jìn)行定位；如果定位目標(biāo)處在移動狀態(tài)，則慣性傳感器以上一個靜止?fàn)顟B(tài)的定位點位為起點產(chǎn)生定位目標(biāo)的移動軌跡，并將定位目標(biāo)的位置和移動軌跡實時地顯示在手持設(shè)備上，同時通過無線網(wǎng)絡(luò)將實時的位置信息上傳到后臺處理裝置；所述的系統(tǒng)包括帶有慣性傳感器的手持設(shè)備、部署在室內(nèi)空間中的無線接收節(jié)點以及與慣性傳感器連接的后臺處理裝置。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有定位精度高、動靜結(jié)合等優(yōu)點。
文檔編號H04W4/04GK102932742SQ201210388669
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月12日
發(fā)明者陸佳亮 申請人:上海交通大學(xué)