一种步行者室内双层定位方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于室内定位技术领域，特别是涉及一种步行者室内双层定位方法及系 统。
【背景技术】
[0002] 随着微机电系统（MEMS)快速发展，使得利用微型惯性传感器和三轴磁力计的来 跟踪步行者的运动特征，并对其运动进行推算得到实时的位置信息成为了可能。此类步行 者定位系统最大的优势在于拥有自完备特性。正是由于这种特性，此类步行者室内定位技 术越来越多得到了关注，其在某些特定的场景下有着非常重要的应用前景（应急救援，应 急医疗，商场位置确定等的）。但是由于受到传感器自身误差在长时间计算后会产生不可忽 略的误差累积问题，同时在位置推算的滤波器参数对不同步行者的运动习惯不具备自适应 性，使得这类算法在适用性上存在进一步提升的空间。于此种种问题都使得这种技术在定 位精度上一直无法满足人们的应用需求。
[0003] 在惯性定位的基础上，现有的技术提出了一种双层滤波定位架构，其基于粒子滤 波并结合室内地图信息辅助惯性定位的技术是另一种辅助定位的方法，该方法结合地图信 息利用粒子滤波算法纠正无效位置点，以达到提高定位精度的目的。这种方法在有丰富地 图信息的情况下，可以有效遏制了由于传感器误差而造成的位置误差的无休止的积累，能 得到相对较高的定位精度。但是在实际应用中，利用地图辅助修正位置信息的方法仍然存 在一定的应用难题和缺陷。当无法得到详细地图信息时，例如仅仅是建筑物轮廓图，或者步 行者长期在某个建筑物内自由运动时，地图信息不能有效的对估算位置的累积误差进行修 正。
[0004] 因此，如何提供一种步行者室内双层定位方法及系统，以解决现有技术中的利用 地图辅助步行者定位方法及系统对室内人员的定位精度不高，无法对估算的室内人员的位 置信息的累积误差进行自适应地修正等种种缺陷，实已成为本领域从业者亟待解决的技术 问题
【发明内容】
[0005] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种步行者室内双层定位 方法及系统，用于解决现有技术中利用地图辅助步行者定位方法及系统对室内人员的定位 精度不高，耦合性低、无法对估算的室内人员的位置信息的累积误差进行自适应地修正的 问题。
[0006] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种步行者室内双层定位方 法，包括：下层滤波步骤；所述下层滤波步骤包括：选取所述步行者的一只脚为检测对象， 并采集所述检测对象的运动数据；根据预定静止检测方式判断所述检测对象在当前时刻 是否处于静止状态；若是，继续执行下一步骤；若否，继续判断；所述静止状态分为非零速 度阶段和零速度阶段；所述零速度阶段的运动数据存在运动数据误差状态；利用预存位置 坐标信息推算法推算所述步行者在当前时刻的移动位置坐标信息，对所述运动数据误差状 态进行误差状态偏置估计以修正所述运动数据误差状态并获取当前时刻校准后的移动位 置坐标信息；上层滤波步骤；所述上层滤波步骤包括：查找当前时刻中所述零速度阶段的 结束时刻，利用地图信息，在所述结束时刻对当前时刻校准后的移动位置坐标信息执行预 制修正，并获取修正后的移动位置坐标信息和上一时刻校准后的移动位置坐标信息的第一 差；将所述第一差与下层滤波后当前时刻校准后的移动位置坐标信息和上一时刻校准后的 移动位置坐标信息的第二差进行比较，以检测所述步行者的当前步伐是存在逆时针偏移还 是存在顺时针偏移，若所述步行者的当前步伐存在逆时针偏移，执行逆时针校正；若所述步 行者的当前步伐存在顺时针偏移，执行顺时针校正。
[0007] 可选地，所述下层滤波步骤中的所述预存位置坐标信息推算法为捷联惯导算法； 所述步骤三采用所述捷联惯导算法计算所述步行者在当前时刻的加速度和角速度以推算 所述步行者当前时刻未校准的移动位置坐标信息。
[0008] 可选地，所述下层滤波步骤中采用误差状态卡尔曼滤波对所述运动数据误差状态 进行误差状态偏置估计；误差状态偏置估计包括姿态误差估计、角速度误差估计、位置误差 估计、速度误差估计、及加速度误差估计。
[0009] 可选地，姿态误差估计为通过一姿态误差矩阵对方向余弦矩阵进行修正；角速度 误差估计为采用角速度误差对下一时刻的角速度进行补偿；其中，下一时刻的角速度=当 前时刻的角速度+角速度误差；位置误差估计为采用位置误差对当前时刻未校准的移动位 置坐标信息进行补偿；其中，所述当前时刻校准后的移动位置坐标信息=当前时刻未校准 的移动位置坐标信息一位置误差；速度误差估计为采用速度误差对当前时刻的速度进行 补偿；其中，所述当前时刻的速度=未校准的所述步行者当前时刻的移动位置坐标信息中 的速度一速度误差；加速度误差估计为采用加速度误差对下一时刻的加速度进行补偿；其 中，下一时刻的加速度=当前时刻的加速度+加速度误差。
[0010] 可选地，在所述上层滤波步骤中执行的预制修正为执行粒子滤波算法以完成位置 校准。
[0011] 本发明另一方面还提供一种步行者室内双层定位系统，包括：下层滤波单元，所述 下层滤波单元包括：选取模块，用于选取所述步行者的一只脚为检测对象；采集模块，与所 述选取模块连接，用于采集所述检测对象的运动数据；判断模块，与所述采集模块连接，用 于根据预定静止检测方式判断所述检测对象在当前时刻是否处于静止状态，其中，所述静 止状态分为非零速度阶段和零速度阶段；所述零速度阶段的运动数据存在运动数据误差状 态；若是，调用用于利用预存位置坐标信息推算法推算所述步行者在当前时刻的移动位置 坐标信息，对所述运动数据误差状态进行误差状态偏置估计以修正所述运动数据误差状态 并获取当前时刻校准后的移动位置坐标信息的第一处理模块；若否，继续调用所述判断模 块；与所述下层滤波单元连接的上层滤波单元，所述上层滤波单元包括：第二处理模块，与 所述判断模块和第一处理模块连接，用于查找当前时刻中所述零速度阶段的结束时刻，利 用地图信息，在所述结束时刻对当前时刻校准后的移动位置坐标信息执行预制修正，并获 取修正后的移动位置坐标信息和上一时刻校准后的移动位置坐标信息的第一差；；检测模 块，与所述第一处理模块和第二处理模块连接，用于将将所述第一差与下层滤波后当前时 刻校准后的移动位置坐标信息和上一时刻校准后的移动位置坐标信息的第二差进行比较， 以检测所述步行者的当前步伐是存在逆时针偏移还是存在顺时针偏移，若所述步行者的当 前步伐存在逆时针偏移，调用用于执行逆时针校正的校准模块；若所述步行者的当前步伐 存在顺时针偏移，继续调用所述校准模块执行顺时针校正。
[0012] 可选地，所述第一处理模块中的所述预存位置坐标信息推算法为捷联惯导算法； 所述第一处理模块还用于采用所述捷联惯导算法计算所述步行者在当前时刻的加速度和 角速度以推算所述步行者当前时刻未校准的移动位置坐标信息。
[0013] 可选地，所述第一处理模块还用于采用误差状态卡尔曼滤波对所述运动数据误差 状态进行误差状态偏置估计；误差状态偏置估计包括姿态误差估计、角速度误差估计、位置 误差估计、速度误差估计、及加速度误差估计。
[0014] 如上所述，本发明的步行者室内定位方法及系统，具有以下有益效果：
[0015] 本发明增加了两个滤波层次之间的耦合度，提高了数据的融合效果。使基于惯性 传感器的室内定位精度更高，实用性更强，并延长了算法有效计算的生命周期。
【附图说明】
[0016] 图1显示为本发明的步行者室内定位方法流程示意图。
[0017] 图2显示为本发明的基于三轴加速度与三轴陀螺仪采集的数据计算的零速度阶 段与零速度阶段结束的结束时刻的计算效果示意图。
[0018] 图3显示为本发明的步行者室内定位系统的原理结构示意图。
[0019] 元件标号说明
[0020] 1步行者室内定位系统
[0021] 11下层滤波单元
[0022] 12上层滤波单元
[0023] 111选取模块
[0024] 112采集模块
[0025] 113判断模块
[0026] 114第一处理模块
[0027] 121第二处理模块
[0028] 122检测模块
[0029] 123校准模块
[0030] S1 ~S2 步骤
【具体实施方式】
[0031] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书 所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实 施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离 本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施 例中的特征可以相互组合。
[0032] 需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构 想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸 绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也 可能更为复杂。
[0033] 本发明的基本技术方案如下：
[0034] 底层基于安装于脚步的微型传感器所采集的数据，利用零速度更新（ZUPT，Zero VelocityUpdate)和零角速度更新（ZARU,ZeroAngularRateUpdate)辅助策略的误差状 态卡尔曼滤波器进行初步的步行者位置推算，然后基于检出的信号特征，判断出每一步的 结束时刻，在此时刻将计算的这一步所运动的位移长度和运动方向信息传输到上一层滤波 器，上一层滤波采用粒子滤波方法，基于地图信息，对本步所计算的步长和方向进行再次滤 波处理，得出最优结果。然后将最优结果与底层滤波数据的结果进行对比，将此对比的差值 反馈回底层误差状态卡尔曼滤波器，用以自适应修正卡尔曼滤波器的计算参数。
[0035] 实施例一
[0036] 本实施例提供一种步行者室内双层定位方法，请参阅图1，显示为步行者室内定位 方法流程示意图。如图1所示，所述步行者室内双层定位方法包括以下步骤：
[0037] S1，下层滤波步骤，所述下层滤波步骤具体包括：