基于imu数据的用户室内运动轨迹匹配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于IMU数据的用户室内运动轨迹匹配算法，具体涉及在室内定 位导航中实现基于MU数据的用户室内运动轨迹与实际室内地图之间的匹配定位，将用户 室内运动的相对位移和方向转换成室内地图中的绝对物理位置。
【背景技术】
[0002] 伴随着无线通信技术的进步和微机电系统的进步，装备有惯性测量单元 (Inertial Measurement Unit，IMU)的智能手机越来越普及。携带有智能手机的用户在室 内运动时，頂U会产生大量与位置相关的数据信息，如用户的运动距离和运动方向。但是这 些距离和方向都是一种相对的位移和方向，其在室内地图上的起始位置和终止位置都是未 知的。如何将用户的室内运动轨迹在室内地图上实现匹配定位，将一种相对位移和方向转 换成一种绝对物理位置，以用于室内导航或者在室内定位时提供建立Radio Map的位置信 息，是目前研究的一个热点问题。
【发明内容】
[0003] 本发明是为了解决现有的室内运动距离和运动方向都是一种相对的位移和方向， 其在室内地图上的起始位置和终止位置都是未知的，导致室内运动轨迹不能在室内地图上 实现匹配定位的问题。现提供基于IMU数据的用户室内运动轨迹匹配方法。
[0004] 基于頂U数据的用户室内运动轨迹匹配方法，它包括以下步骤：
[0005] 步骤一、采用节点构成室内参考地图；
[0006] 步骤二、根据室内参考地图获得室内参考地图的转角矩阵GD和室内参考地图的 权重矩阵W ;
[0007] 步骤三、采用頂U数据得到室内运动轨迹，根据室内运动轨迹获得转角方向和相 邻节点之间的距离矩阵TD，将室内运动轨迹与室内参考地图进行匹配，获得室内参考地图 中与室内运动轨迹包含节点数相同的轨迹集合A ;
[0008] 步骤四、从步骤三中的轨迹集合A中排除重复点的轨迹，获得轨迹集合B ;
[0009] 步骤五、在轨迹集合B中，将各轨迹中每3个连续节点利用室内参考地图的转角矩 阵GD确定三个节点之间的转角方向并与室内运动轨迹的转角方向比较，与室内运动轨迹 的转角方向完全相符的轨迹集合保留，获得轨迹集合C ;
[0010] 步骤六、利用室内参考地图的权重矩阵W和D算法得到最短距离矩阵R，通过最短 距离矩阵R获得轨迹集合C中各轨迹相邻两节点之间的直线距离，将轨迹集合C中各轨迹 相邻两节点之间的直线距离与室内运动轨迹各相邻节点之间距离TD对比，满足门限值Θ th 等距离条件的轨迹保留，获得轨迹集合D，从而获得室内运动轨迹上各点的绝对物理位置。
[0011] 本发明的有益效果为：利用节点组成的室内参考地图，然后构造关于参考地图的 三维转角矩阵GD以及权重矩阵W，再利用頂U数据生成的用户室内运动轨迹与室内地图的 匹配定位，由于室内地图中各点物理位置是已知的，由此便可将用户室内运动的相对位移 和方向转换成一种绝对物理位置。因此，获得在室内地图上的起始位置和终止位置，实现室 内运动轨迹在室内地图上实现匹配定位。
【附图说明】
[0012] 图1为实施例的平面图，
[0013] 图2为实施例的平面拓扑图，
[0014] 图3为实施例的参考地图，
[0015] 图4为基于頂U数据的用户室内运动轨迹图，
[0016] 图5为【具体实施方式】一所述的基于頂U数据的用户室内运动轨迹匹配方法的流程 图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0017] 一：参照图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于頂U数据 的
[0018] 用户室内运动轨迹匹配方法，它包括以下步骤：
[0019] 步骤一、采用节点构成室内参考地图；
[0020] 步骤二、根据室内参考地图获得室内参考地图的转角矩阵GD和室内参考地图的 权重矩阵W ;
[0021] 步骤三、采用頂U数据得到室内运动轨迹，根据室内运动轨迹获得转角方向和相 邻节点之间的距离矩阵TD，将室内运动轨迹与室内参考地图进行匹配，获得室内参考地图 中与室内运动轨迹包含节点数相同的轨迹集合A ;
[0022] 步骤四、从步骤三中的轨迹集合A中排除重复点的轨迹，获得轨迹集合B ;
[0023] 步骤五、在轨迹集合B中，将各轨迹中每3个连续节点利用室内参考地图的转角矩 阵GD确定三个节点之间的转角方向并与室内运动轨迹的转角方向比较，与室内运动轨迹 的转角方向完全相符的轨迹集合保留，获得轨迹集合C ;
[0024] 步骤六、利用室内参考地图的权重矩阵W和D算法得到最短距离矩阵R，通过最短 距离矩阵R获得轨迹集合C中各轨迹相邻两节点之间的直线距离，将轨迹集合C中各轨迹 相邻两节点之间的直线距离与室内运动轨迹各相邻节点之间距离TD对比，满足门限值Θ th 等距离条件的轨迹保留，获得轨迹集合D，从而获得室内运动轨迹上各点的绝对物理位置。
[0025] 本实施方式中，如⑶（14, 15, 13) = 1，表示从V14到V15在经过V13时右转，并且只 发生这一个转角。⑶（15, 14, 13) =-1，表示从V15到V14在经过V13时左转，并且只发生这一 个转角。对于根本不经过节点V ni的情况以及以Vni为起点和终点的也记为〇,其它节点的矩 阵也按照此方式生成，由此便可得到维数为nXnXn的一个三维转角矩阵⑶。由此矩阵⑶ 具有以下性质：
[0026] ①⑶（:，：，m)的第m行和第m列均为0。
[0027] ② GD (:，：，m) = -GD (:，：，m) '。
[0028] 得到转角矩阵⑶后。利用权重矩阵W和D算法计算得到参考地图中各点间的最 短距离矩阵R。
[0029] 实施例：
[0030] 假设利用IMU数据得到的用户室内运动轨迹如图4所不，'\￥1、'\￥ 6表不用户运动时的 起始点和终止点，W2-W5表示的是用户运动过程中的转角点，设左转为-1，右转为1，记为转 角方向Direction = [-1 -I -I -1]。相邻两点之间红色的数字表示两点之间的距离记为 TD = [8 12 47 12 13] 〇
[0031] 对于用户室内运动轨迹与参考地图的匹配来说，用户的室内运动轨迹在参考地图 中的匹配结果应该是一条与之形状类似的轨迹，假设为TR(v a，vb，v。，vd，vf)，其中va、v b、 v。、vd、Vp vf分别与图4中用户室内运动轨迹中的节点w i、w2、w3、w4、w5、w6相对应。那么这 条轨迹TR (va, vb, vc, vd, ve, vf)应该满足以下几个条件：
[0032] (I) vb、vc、vd、Ve必须是转角节点，且V b、vc、vd、Ve处转角方向均为左转。这个条件 是否满足可以利用转角矩阵GD判断，即是否同时满足：
[0033] GD (a, c, b) = -I, GD (b, d, c) = -I, GD (c, e, d) = -I, GD (d, f, e) = -1
[0034] (2) a, b, c, d, e, f的值不相等，即不存在重复节点，轨迹不构成回路。
[0035] (3)由于頂U在使用时不可避免会受到噪声等的干扰以及用户步长之间也会存在 差异等原因，致使用户室内运动轨迹中相邻节点间的长度会存在一定的偏差，为此设置一 个允许误差门限值Θ th，同时还考虑到用户的出发点和终止点有可能是在参考地图中相邻 两个节点中间的情况，为此轨迹TR应该同时满足以下距离条件：
[0036] ①：I VaVb-8 I 彡 Θ th或者 v aVb> 8
[0037] ②：I vevf-13 I 彡 Θ th或者 V eVf 多 13
[0038] ③：|vbvc-12| 彡 Θ th
[0039] ④：I vcvd-47 I 彡 Θ th
[0040] ⑤：|vdve-12| 彡 0th
[0041] 其中，VaVb等表示的是两点间的直线距离可利用最短距离矩阵R获得。由此便可 在参考地图中匹配得到与图4所示的用户室内运动轨迹形似的轨迹TR，完成用户室内运动 轨迹在参考地图中的匹配定位。
[0042] 实验验证
[0043] 本发明选用图1所示的哈工大科学园信息大楼第12楼作为实验环境，平面拓扑图 和参考地图如图2和图3所示，允许误差门限值Θ th设置为2m，实际可根据頂U受噪声影 响的程度以及用户之间步长差异大小等加以调整，对含有不同转角数量的用户室内运动轨 迹进行匹配，得到以下仿真结果。室内轨迹集合D中每一行表示参考地图中的一条轨迹，数 字表示的是参考地图中点的编号。
[0044] 1、一个转角的情况：
[0045] 用户室内运动轨迹的距离矩阵TD = [11 48]
[0046] 用户室内运动轨迹的转角方向Direction = [-1]
[0047] 室内轨迹集合D =
[0048] 5 12 28
[0049] 5 12 30
[0050] 6 12 28
[0051] 6 12 30
[0052] 2、两个转角的情况：
[0053] 用户室内运动轨迹的距离矩阵TD = [12 11 48]
[0054] 用户室内运动轨迹的转角方向Direction = [I 1]
[0055] 室内轨迹集合D