專利名稱：一種無線室內(nèi)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線室內(nèi)定位領(lǐng)域，涉及一種無線室內(nèi)定位方法。
背景技術(shù)：
手機的普及和普適計算的推廣催生了大量關(guān)于無線室內(nèi)定位的研究。目前大多數(shù)的室內(nèi)定位方法利用接收信號強度(Received Signal Strength, RSS)來確定位置。而RSS指紋可以很容易地從現(xiàn)成的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(比如WiFi或ZigBee兼容的設(shè)備)獲得。傳統(tǒng)的無線指紋定位技術(shù)采用兩階段的模式。第一個階段是訓(xùn)練階段，或稱為信號采集階段，即采用人工的方法預(yù)先將室內(nèi)各個位置上的無線信號強度(如不同無線路由的W1-Fi信號強度或Zig-Bee信號強度)進行多次記錄，并將記錄結(jié)果處理后存儲在數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)物理位置的條目中。由于無線信號傳播和室內(nèi)情況的不確定性，信號強度數(shù)據(jù)的采集需要大量多次的重復(fù)。同時，物理位置的精確程度也影響到最終定位結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要消耗大量的人力和時間進行準(zhǔn)備和現(xiàn)場勘查(Site Survey)，提前建立無線信號地圖(Radio Map)。經(jīng)過第一階段的訓(xùn)練，指紋數(shù)據(jù)庫建立好以后，系統(tǒng)進入第二階段，即實際的服務(wù)階段。用戶可以在已有無線信號分布圖的區(qū)域獲得自己的無線指紋信息，并將該信息作為查詢的依據(jù)發(fā)送給定位服務(wù)模塊。通過定位算法，將用戶發(fā)送的無線指紋信息與數(shù)據(jù)庫中的無線指紋進行比對，返回相似度最接近的位置信息給用戶。由于無線指紋定位技術(shù)利用已有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施進行定位，不增加系統(tǒng)的額外開銷，因此國內(nèi)外學(xué)者對無線指紋定位方法進行了大量深入的研究。但如上所述，現(xiàn)有的無線指紋定位技術(shù)還存在以下的缺陷:(I)需要進行高成本、低效率的人工現(xiàn)場勘測現(xiàn)場勘測需要對定位區(qū)域的每一位置進行無線信號指紋的采樣與人工標(biāo)注，耗時費力，而且難以覆蓋定位區(qū)域的所有位置。(2)對環(huán)境變化以及無線信號波動的容忍性差室內(nèi)環(huán)境的一大特征是環(huán)境多變，且無線信號傳播特性復(fù)雜，信號波動性大?；诂F(xiàn)場勘測的方法，難以適應(yīng)環(huán)境的動態(tài)變化；傳統(tǒng)的方法直接利用無線信號指紋之間的歐式距離作為特征，難以適應(yīng)無線信號的波動性。(3)無法實現(xiàn)房間級別的邏輯定位傳統(tǒng)的方法大多旨在實現(xiàn)絕對坐標(biāo)的定位，無法實現(xiàn)區(qū)分不同的房間。而事實上，房間信息在實際中具有更大的應(yīng)用價值。當(dāng)前，智能手機擁有強大的計算和通信能力，內(nèi)置各種各樣功能豐富的傳感器，并且?guī)缀蹼S時隨地和用戶綁定在一起。因此，手機可以被視為用戶和環(huán)境之間的一個越來越重要的信息的接口。通過智能手機及其內(nèi)置的傳感器，不僅可以感知豐富的環(huán)境數(shù)據(jù)，還能捕獲用戶的運動信息，這位非現(xiàn)場勘測型的室內(nèi)定位提供了可能
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術(shù)問題之一或至少提供一種有用的商業(yè)選擇。為此，本發(fā)明的目的在于提出一種具有數(shù)據(jù)采集靈活方便，定位結(jié)果邏輯性好的無線室內(nèi)定位方法。根據(jù)本發(fā)明實施例的一種無線室內(nèi)定位方法，包括以下步驟:S1.利用智能手機自動采集無線指紋數(shù)據(jù)和用戶移動數(shù)據(jù)，形成指紋集F和距離矩陣D'，并進行預(yù)處理；
S2.根據(jù)預(yù)處理后的所述指紋集F和距離矩陣D'，構(gòu)建指紋空間；S3.生成無應(yīng)力平面圖，進行關(guān)鍵特征提取，以及進行空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，其中，所述關(guān)鍵特征提取包括走廊識別、房間識別和參考點匹配，所述空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換包括樓層級的轉(zhuǎn)換和房間級的轉(zhuǎn)換。在本發(fā)明的一個實施例中，所述SI進一步包括:Sll.通過智能手機采集無線網(wǎng)絡(luò)的信號以及加速度傳感器和方向傳感器的讀數(shù)，假設(shè)區(qū)域中有m個無線網(wǎng)絡(luò)接入點，則所述智能手機在區(qū)域內(nèi)某個位置的得到的RSS指紋記為一個m維的向量f=(si，s2，...，sm)，其中Si表示第i個無線網(wǎng)絡(luò)接入點的RSS值，又定義d' ^為4和&之間的距離，即為用戶在兩個位置之間行走的步數(shù)，在指紋收集階段結(jié)束后，得到指紋集F={fi, i=l...η},其中η是指紋的條數(shù)，以及距離矩陣D' =[(Γ ;S12.對所述指紋集F進行預(yù)處理，對兩條指紋A=G1, S2, , sm)和A=U1, t2,...，tm),定義&和fj差異度為
權(quán)利要求
1.一種無線室內(nèi)定位方法，其特征在于，包括以下步驟: 51.利用智能手機自動采集無線指紋數(shù)據(jù)和用戶移動數(shù)據(jù)，形成指紋集F和距離矩陣D,，并進行預(yù)處理； 52.根據(jù)預(yù)處理后的所述指紋集F和距離矩陣D'，構(gòu)建指紋空間； 53.生成無應(yīng)力平面圖，進行關(guān)鍵特征提取，以及進行空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換， 其中，所述關(guān)鍵特征提取包括走廊識別、房間識別和參考點匹配，所述空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換包括樓層級的轉(zhuǎn)換和房間級的轉(zhuǎn)換。
2.如權(quán)利要求1所述的無線室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述SI進一步包括: 511.通過智能手機采集無線網(wǎng)絡(luò)的信號以及加速度傳感器和方向傳感器的讀數(shù)，假設(shè)區(qū)域中有m個無線網(wǎng)絡(luò)接入點，則所述智能手機在區(qū)域內(nèi)某個位置的得到的RSS指紋記為一個m維的向量fKsp s2，...，sm),其中Si表示第i個無線網(wǎng)絡(luò)接入點的RSS值,又定義d' 為&和&之間的距離，即為用戶在兩個位置之間行走的步數(shù)，在指紋收集階段結(jié)束后，得到指紋集？=比，1=1...11}，其中11是指紋的條數(shù)，以及距離矩陣1)' =[d' ,j]； 512.對所述指紋集F進行預(yù)處理,對兩條指紋
3.如權(quán)利要求1所述的無線室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述S2包括:根據(jù)預(yù)處理后的所述指紋集F和距離矩陣D'，通過MDS算法將所有指紋映射到一個d維的歐幾里得空間。
4.如權(quán)利要求1所述的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述走廊識別包括:利用中間度獲取走廊上的指紋，其中，根據(jù)指紋間的距離，建立最小生成樹T，計算所述最小生成樹上各點的中間度，中間度高的部分視為走廊上的指紋，記為走廊指紋集F。，其中所述中間度B(V)定義為:對于一個由頂點集V和邊集E構(gòu)成的圖G=(V，E)，B(v) =Σ卿對其中，σ st為從s到t的最短路徑數(shù)，σ st(v)為從s到t且經(jīng)過V的最短路徑數(shù)。
5.如權(quán)利要求1所述的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述房間識別包括:利用聚類獲取房間指紋集，其中，在所有指紋空間中去除所述走廊指紋集F。,采用K-means算法對剩下的指紋F-F。進行聚類，得到k個k個群集(記為 β ，i=l，2，…，k)，聚類后認(rèn)為同一個^^中的所有點來自同一個房間。
6.如權(quán)利要求1所述的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述參考點匹配包括:利用房間的門作為建立無應(yīng)力平面圖和指紋空間之間聯(lián)系的關(guān)鍵參考點，其中，首先定義$，1、(
7.如權(quán)利要求1所述的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述樓層級的轉(zhuǎn)換包括:利用一個變換矩陣來實現(xiàn)無應(yīng)力平面圖和指紋空間可視化圖的樓層級的轉(zhuǎn)換，其中，假設(shè)在Fd中的一條指紋的坐標(biāo)為Xi2...XitT，其中d為指紋空間的維數(shù)，與之相應(yīng)的位置的坐標(biāo)Yi=Lyi1 Ii…丫^]1'，定義八為(1\(1的變換矩陣,8=[131 b2...bd]T,由于有k=|FD|條等式y(tǒng)fAXi+B,將所述k條等式重寫成HiZ=Gi,其中I], z=[A,聯(lián)合所述k條等式，有Hz=G，其中Hi和Gi為H和G的第i行，由最小二乘法解得f=(H lHyW 1G,求得A和B，從而對于坐標(biāo)為χ=[χ/ Xi2...Xid]T的一條指紋，離Αχ+Β最近的采樣點可視為它的實際位置。
8.如權(quán)利要求1所述的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述房間級的轉(zhuǎn)換包括:進一步利用MDS算法將來自同一個房間的指紋變換到一個d維的空間，使對應(yīng)房間的采樣點形成一個d維的無應(yīng)力平面 圖，將離房間門最近和最遠(yuǎn)的點作為參考點，可以確定指紋房間與物理房間之間的變換關(guān)系，通過對所有房間逐一重復(fù)上述操作，實現(xiàn)了各個房間的無應(yīng)力平面圖和指紋空間可視化圖的房間級的轉(zhuǎn)換。
全文摘要
本發(fā)明提出一種無線室內(nèi)定位方法，包括步驟利用智能手機自動采集無線指紋數(shù)據(jù)和用戶移動數(shù)據(jù)，形成指紋集F和距離矩陣D′，并進行預(yù)處理；根據(jù)預(yù)處理后的指紋集F和距離矩陣D′，構(gòu)建指紋空間；生成無應(yīng)力平面圖，進行關(guān)鍵特征提取，以及進行空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，其中，關(guān)鍵特征提取包括走廊識別、房間識別和參考點匹配，空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換包括樓層級的轉(zhuǎn)換和房間級的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明的無線室內(nèi)定位方法無需對定位區(qū)域進行人工的現(xiàn)場勘測，可以方便地由系統(tǒng)中的多個用戶協(xié)同提供指紋信息，其定位結(jié)果精度高，邏輯性好，并且在查詢與平時移動時產(chǎn)生的冗余信息均可作為升級信息。
文檔編號H04W64/00GK103152823SQ201310060708
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月26日
發(fā)明者楊錚, 吳陳沭, 劉云浩 申請人:清華大學(xué)