一种基于信息融合的超市内定位导航方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种室内定位导航方法，具体为一种基于信息融合的超市内定位导航 方法。
【背景技术】
[0002] 随着物联网、智慧城市的发展，大量的信息服务需要位置信息的支撑，即基于位置 的信息服务（LB巧，W及导航服务。同样，在大型超市、卖场，由于场地大、商品繁多，需要定 位导航、商品查找等功能提升客户体验。
[000引传统的GPS定位导航由于室内信号差，难W承担室内定位的角色，因此室内定位 导航技术亟需解决。目前室内定位常采用WIFI、RFID、无线传感网络（zigbee)、蓝牙、红外 等实现定位，采用的技术有：基于信号强度巧SSI)、达到时间（T0A)、到达时间差（TD0A)、个 人航位推测（PDR)、指纹、=角定位等。使用上述单独的定位技术，定位精度不高，并且由于 不同应用场合，上述室内无线信号的缺失，易导致无法定位的结果，因此单一方法存在着只 能获得环境特征的部分信息段的局限性和鲁棒性不足的缺点。此外，部分定位技术除了需 要智能手机W外，还需要依靠其它检测设备实现定位，通用性不强。
[0004] 如：文献【王眷，赵方，彭金华.基于WI-FI和蓝牙融合的室内定位算法[J].计 算机研究与发展，2011，48(增刊）：28-33.】提出了一种基于WIFI和蓝牙多模融合的室内 定位算法。该定位算法WIFI信号易受用户使用数量的不同而出现信号强弱的不稳定。
[0005] 如：文献【谢波，江一夫，严恭敏等.人导航融合建筑平面信息的粒子滤波方法 [J].中国惯性技术学报，2013,21(1) :1-6.】提出了"卡捷联惯导系统+卡尔曼滤波器+零 速修正"方法，利用个人航位推测（PDR)、粒子滤波实现定位导航。此方法没有初始的定位 功能，因此在起步阶段就存在误差，并且长时间误差积累易导致定位精度下降。
[0006] 如：文献【张永拓.基于智能手机的室内行人定位与跟踪技术研究巧].青岛：中 国海洋大学，2014.】、【徐伟.基于Amlroid手机的室内定位技术研究与实现巧].武汉：华 中师范大学，2014.】等利用WIFI的RSSI信号、个人航位推测（PDR)和粒子滤波实现室内定 位导航。该研究由于没有合理的数学模型W及对PDR的有效误差校正，仍然容易产生积累 误差。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的技术问题是提供一种采用无线信号强度测距、行人航位推测，在 此基础上利用粒子滤波算法实现融合定位，特别是适合超市、商场的室内定位导航方法。 [000引为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
[0009] 本发明的一种基于信息融合的超市内定位导航方法，其使用一种定位导航系统， 该系统由电子货架标签、无线中继节点、WIFI路由、服务器组成；所述电子货架标签由显示 屏、带微控制器的蓝牙组成；所述无线中继节点由带微控制器的蓝牙和WIFI通信模块组 成；所述服务器可通过WIFI路由和无线中继节点向电子货架标签发送修改商品价格显示 信息、电子货架标签所在位置坐标等功能；待定位手机事先已安装定位导航APP软件；
[0010] 所述方法包括如下步骤：
[0011] 1)将超市或其它类似商场的商品布局、室内场地制作成一张室内地图，并对电子 货架标签、无线中继节点在此地图上进行坐标标记；定位导航APP软件已含有此地图信息；
[0012] 2)手机内带的巧螺仪D1完成角度测量、加速度传感器D2实现加速度测量，D1和 D2获取的数据通过转换获得W地面作为参考系，并已去除重力的加速度〇4(屯，ay,屯）；
[0013] 在行走时，a,波形为近似周期性波形，可通过D5实现起步、停止检测；通过D6实 现加速度滤波，并将连续的a,波形W-个完整周期的近似正弦波进行分割，通过D8实现加 速度零速补偿，补偿方法如式（1)所示：
[0015] 式中，ti，t2为分割后的一个完整周期加速度起始和结束时间，T为采样时间，a,n(t)为补偿前Z轴加速度，a'zn为补偿后Z轴加速度;速度Vn可表示为：
[0017] 式中，V。为初始速度，n为分割后完整周期加速度个数；
[0018] 通过加速度零速补偿D8后，进行卡尔曼滤波，进一步去除高斯噪声，获得更平稳 的加速度，并通过D9实现波峰、波谷检测；进一步的实现步数、步长检测D11 ;步长化可表 示为：
[0020] 式中，N为一个完整周期加速度采样点数，为加速度采样值，AtPP为加速度波峰 到波谷的时间，app加速度峰峰值，C1，C2为经验值；获得步长后，可由行人航位推算模型D12 估算第k步行人坐标：
[0024] ，AX比]=[Arx比]，Ary比]，Ar,比]，A0比]]T，0s=atan2(Ar"Arx)， ran血w(4, 1)为4个随机数，j为迭代次数，C3为经验常数；
[00巧]无线D3接收包括WIFI、蓝牙，通过D7对D3进行信号测量接收处理，包括RSSI、T0F测距、LQ信号质量，并信号送入自适应无线推算模型D13,自适应无线推算模型似然函 数为：
[0027] 式中m为收到信号的错节点个数，0KSSI为经验常数，若为WIFI或如NFC等其它无 线，则
[0029] 若为蓝牙信号，贝1J
[0031] 式中，RSSIm山为接收信号强度，RSSI。为距离节点1米时的信号强度，；,小；1为信 号链路衰减系数，为人（手机）所在位置，rwm为节点位置；C 4、C5、C6、C,为经验常数， 其中〇4+C5=l，LQIm为第m个节点的蓝牙链路信号质量；位置估计r-'i'w可通过T0F原理巧。量：
[003引ts山为巧慢时间，tp为步行时间；动态信号链路衰减系数；,"|7]估算方法如下：
[0034]设U.;，）为任意两错节点信号范围的交叉节点，（A"，Ayi)为已知的错节点坐标，则：
[0036] 式（10)通过Levenberg-Marquar化算法求解动态信号链路衰减系数旅"的.;；
[0037] 将D12、D13送入D14粒子滤波算法实现位置预测，每个粒子的权值按下式计算
[00測式中如吨'1|玄^抓表示无线信号（蓝牙，wiFLZigbee等）的似然函数，Kn表示 各似然函数特征信息的权值，通过模糊逻辑推测权值，且K1+K2+…K"= 1，当某个信号不 存在时，对应的10。= 0 ;
[0040] 3)粒子滤波D14输出后的平面位置值X=bx，r,，0 ]，通过超市地图匹配D15,在 超市地图上实现坐标标记。
[0041] 本发明的有益效果：本发明的定位导航方法采用无线信号强度测距、行人航位推 测，且在此基础上利用粒子滤波算法实现融合定位，通过WIFI路由和无线中继节点向电子 货架标签发送修改商品价格显示信息、电子货架标签所在位置坐标等功能，该定位导航方 法定位误差小，不会产生积累误差，信号稳定，定位导航准确，商品查找速度快，大大提高客 户查找商品的效率，适合大型超市、卖场内推广使用。
【附图说明】
[0042] 图1为本发明中定位导航系统的架构图；
[0043] 图2为本发明定位导航方法的流程图；
[0044] 图3为行走路线位移和方向角关系图；
[0045] 图4为发明中粒子滤波的定位预测结构图；
[0046] 图5为基于零速更新的速度检测比较图；
[0047] 图6为基于零速更新的步长检测算法测试结果图；
[004引图7为不同定位方法的均方根误差（RMS巧比较图；
[0049] 图8为基于信息融合的定位数据测试比较结果图。
【具体实施方式】
[0050] 参阅图1-3所示，本发明一种基于信息融合的超市内定位导航方法，其使用一种 定位导航系统，该系统由电子货架标签、无线中继节点、WIFI路由、服务器组成；所述电子 货架标签由显示屏、带微控制器的蓝牙或其它无线通信模块（如NFC)组成；所述无线中继 节点由带微控制器的蓝牙或其它无线通信模块（如NFC)和WIFI通信模块组成；所述服务 器可通过WIFI路由和无线中继节点向电子货架标签发送修改商品价格显示信息、电子货 架标签所在位置坐标等功能；待定位手机事先已安装定位导航APP软件；
[0051] 所述方法包括如下步骤：
[0052] 1)将超市或其它类似商场的商品布局、室内场地制作成一张室内地图，并对电子 货架标签、无线中继节点在此地图上进行坐标标记；定位导航APP软件已含有此地图信息；
[0053] 2)手机内带的巧螺仪D1完成角度测量、加速度传感器D2实现加速度测量，D1和 D2获取的数据通过转换获得W地面作为参考系，并已去除重力的加速度〇4(屯，ay,屯）；
[0054] 在行走时，a,波形为近似周期性波形，可通过D5实现起步、停止检测；通过D6实 现加速度滤波，并将连续的a,波形W-个完整周期的近似正弦波进行分割，通过D8实现加 速度零速补偿，补偿方法如式（1)所示：
[00 巧] CN105115487A 说明书 5/10 页
[0056] 式中，ti，t2为分割后的一个完整周期加速度起始和结束时间，T为采样时间，a,n(t)为补偿前Z轴加速度，a'zn为补偿后Z轴加速度;速度Vn可表示为：
[0058] 式中，V。为初始速度，n为分割后完整周期加速度个数；
[0059] 通过加速度零速补偿D8后，进行卡尔曼滤波，进一步去除高斯噪声，获得更平稳 的加速度，并通过D9实现波峰、波谷检测；进一步的实现步数、步长检测D11 ;步长化可表 示为：
[0061] 式中，N为一个完整周期加速度采样点数，au为加速度采样值，AtPP为加速度波峰 到波谷的时间，app加速度峰峰值，C1，C2为经验值；获得步长后，可由行人航位推算模型D12 估算第k步行人坐标：
[0065] ，AX比]=[A；Tx比]，Afy比],Ar,比]，A白比]]T，白s=atan2(Ar"A；Tx)， ran血w(4, 1)为4个随机数，j为迭代次数，C3为经验常数，Ary，Ar,，A0关系如图3所 示；
[0066] 无线D3接收包括WIFI、蓝牙（或者其它无线，如NFC)，通过D7对D3进行信号测 量接收处理，包括RSSI、T0F测距、LQ信号质量，并信号送入自适应无线推算模型D13,自适 应无线推算模型似然函数为：
[0068] 式中m为收到信号的错节点个数，0KSSI为经验常数，若为WIFI或如NFC等其它无 线，则
[007引式中，RSSIm山为接收信号强度，RSSI。为距离节点1米时的信号强度，仏,,|7]为信 号链路衰减系数，;为人（手机）所在位置，rwm为节点位置；C 4、C5、C6、C,为经验常数， 其中C4+Cs=l，LQIm为第m个节点的蓝牙链路信号质量；位置估计；可通过TOF原理测 量：
[0074]tji]为测量时间，tp为步行时间；动态信号链路衰减系数占小；]估算方法如下：
[00巧]设持J)为任意两错节点信号范围的交叉节点，（A"，Ayi)为已知的错节点坐标， 则：
[0077] 式（10)通过Levenberg-Marquar化算法求解动态信号链路衰减系数
[0078] 将D12、