一种基于气压指纹的室内楼层定位方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于气压指纹的室内楼层定位方法，该方法包括离线阶段和在线阶段，所述的离线阶段是指在实际楼层定位开始前，采集目标室内定位场景的不同楼层的气压数据，经过气压数据处理后形成气压指纹库；所述的在线阶段是指在实际楼层定位时，现场采集待定位位置的气压数据，并与气压指纹库里面的气压指纹匹配，选取最匹配的气压指纹对应的楼层作为当前定位楼层。本发明有益的效果：本发明专利提供的方法可以结合已有的室内平面定位方法，实现室内高精度的三维定位，促进室内定位应用和服务更好的开展。
【专利说明】
一种基于气压指纹的室内楼层定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及室内定位领域，具体涉及一种基于气压指纹的室内楼层定位方法。
【背景技术】
[0002] 随着人民生活水平的逐步提高和无线通信技术的不断进步，人们对基于位置的服 务的需求日益增大。基于位置的服务的前提在于位置信息如何获取，即如何对目标进行定 位，它又分为室外定位和室内定位。目前，随着以GPS、北斗为代表的卫星定位系统的成熟， 室外定位已经可以商用。例如，目前各种车载导航系统、或者智能手机的导航系统，都是采 用的基于GPS、北斗的卫星定位，再辅助室外道路地图信息完成。但是，在许多结构复杂的室 内环境中，由于卫星信号被被墙体等障碍物阻隔的原因，无法采用GPS、北斗等定位系统提 供室内定位。因此，室内定位技术是目前定位领域的关键技术之一。
[0003] 室内定位中最常用有基于接收信号强度(Received Signal Strength，RSS)的质 心定位法、三边/多边定位法和指纹定位法等。质心定位是利用周围信标节点的质心作为定 位结果，它是一种简单的定位算法，非常适合在嵌入式设备(如手机）中实现，但存在定位精 度不高的缺点。三边/多边定位是测量未知节点到三个或多个信标节点之间的距离，然后利 用此距离和信标节点位置构建3个或3个以上的方程，最后采用各种数学优化方法，如最大 似然法、内点法、线性规划等求出最优的未知节点位置。指纹定位方法分为离线和在线阶 段，离线阶段采集不同室内位置的RSS指纹，并录入到数据库;在线阶段利用采集到的RSS指 纹与数据库中的指纹进行比对，选取数据库中最匹配的指纹的位置作为定位位置。
[0004] 总体上说，目前室内定位技术研究大多集中在平面定位，即二维定位。但在实际的 商用应用中，仅仅二维定位还是不够，需要三维定位。如室内定位系统用于跟踪有特殊需求 的人、远离视线监管的小孩等，这都需要三维信息，即不仅要知道平面的二维坐标，还要知 道对象在哪个楼层。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是克服现有技术中的不足，而提供一种基于气压指纹的室内楼层定 位方法，该方法可以与现有的室内平面定位结合，从而实现室内三维定位。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的。这种基于气压指纹的室内楼层定位方 法，该方法包括离线阶段和在线阶段，所述的离线阶段是指在实际楼层定位开始前，采集目 标室内定位场景的不同楼层的气压数据，经过气压数据处理后形成气压指纹库;所述的在 线阶段是指在实际楼层定位时，现场采集待定位位置的气压数据，并与气压指纹库里面的 气压指纹匹配，选取最匹配的气压指纹对应的楼层作为当前定位楼层。
[0007] 本发明解决室内楼层定位问题采用的技术方案是基于气压指纹的室内楼层定位 方法，它分为离线阶段和在线阶段。
[0008] 所述的离线阶段是指在实际楼层定位开始前，采集目标室内定位场景的不同楼层 的气压数据，经过处理后形成气压指纹库。
[0009] 所述的离线阶段采集楼层的气压数据的特征是多个、实时和室内。
[0010] 所述的气压数据的"多个"特征是指不能仅采集几个，避免数据量少而引起的样本 代表性不足问题。现场实验表明，30个以上即可。
[0011] 所述的气压数据的"实时"特征是指离线阶段气压指纹采集时间和在线阶段气压 采集时间的时间差不能太长，避免气压指纹失效。现场实验表明，60分钟以内即可。
[0012] 所述的气压数据的"室内"特征是指采集地点为室内。
[0013] 所述的离线阶段的气压数据处理包括预处理和均值计算。预处理用来消除采集的 气压数据的粗大误差。
[0014] 所述的气压指纹库的表项形式为<P，F，T> 1代表所在楼层的室内气压平均值，F代 表楼层，Τ代表气压指纹采集时间。
[0015] 所述的在线阶段是指在实际楼层定位时，现场采集待定位位置的气压数据，并与 气压指纹库里面的气压指纹匹配，选取最匹配的气压指纹对应的楼层作为当前定位楼层。
[0016] 所述的在线阶段采集待定位位置的气压数据，要求采集5个以上的数据。
[0017] 所述的与气压指纹库匹配的气压数据是现场采集的气压数据的平均值Pc。
[0018] 所述的匹配准则是欧氏距离(d= |pc-pf |，pc为场采集的气压数据的平均值，Pf为 指纹数据库里面的气压值)最近准则。
[0019] 所述的选取最匹配的气压指纹对应的楼层作为当前定位楼层即在气压指纹库里 面找到与P。最接近的Pf，将Pf对应的F作为定位楼层结果输出。
[0020] 更进一步的，该方法包括如下步骤：
[0021] 步骤1.离线采集阶段
[0022] 1.1楼层定位服务器每隔t分钟，通过通信网络启动每层楼内的气压采集装置采集 室内气压数据；
[0023] 1.2楼层气压装置收到气压采集命令后，采集η个气压数据，通过通信网络将这些 数据及其所在楼层发送给楼层定位服务器；
[0024] 1.3楼层定位服务器收到每个楼层返回的气压数据后，对η个气压数据按3S准则进 行预处理，具体方式如下：
[0025] 假设采集到的气压数据为P1，Ρ2，…，ρη ;
[0028] (3)若某个数据不在区间?-3S，p+3s]内，则认为此数据存在粗大误差，剔除此数 据，直到所有数据都在区间[罗-3s.，尹如]内；
[0029] 1.4楼层定位服务器计算经过预处理的每个楼层的气压数据的平均值，并按<P，F， τ>三元组的方式更新指纹数据库中对应楼层的气压指纹，其中，P代表所在楼层的室内气压 平均值，F代表楼层，Τ代表气压指纹采集时间；
[0030] 步骤2.在线定位阶段
[0031] 2.1智能手机上的楼层定位应用程序通过手机内部的气压传感器测试待定位位置 的气压数据m次；
[0032] 2.2智能手机上的楼层定位应用程序计算当前位置的气压数据平均值，并将此值 上传给楼层定位服务器；
[0033] 2.3楼层定位服务器在气压指纹库中查询与此气压平均值最接近的气压值，具体 方式如下：
[0034]假设当前位置的气压数据平均值为p，气压指纹库中共有η个气压指纹，分别为〈 Pi，Fi，Ti>，i = l，2，."，n〇
[0035] (1)计算p到每条气压指纹的距离|p-P山
[0036] (2)找出最小的dmin=min{di，i = 1，2,…，n}，min为取最小值函数，此dmin对应的Pi 即为最接近的气压指纹值；
[0037] 2.4楼层定位服务器将Pi对应的h作为楼层定位结果发送给智能手机，从而实现准 确的楼层定位。
[0038] 本发明有益的效果:本发明专利提供的方法可以结合已有的室内平面定位方法， 实现室内高精度的三维定位，促进室内定位应用和服务更好的开展。
【附图说明】
[0039]图1是本发明的系统连接示意图。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。
[0041] 具体实施例的室内楼层定位系统由每层的室内气压采集装置、楼层定位服务器和 通信网络组成。待定位目标是手持智能手机的行人，该智能手机硬件包含气压传感器，软件 安装有本发明公开的基于气压指纹的室内楼层定位应用程序。此外，还需要室内气压采集 装置、智能手机都可以通过通信网络与楼层定位服务器双向通信。
[0042]本发明的【具体实施方式】是：
[0043] 1.离线采集阶段
[0044] 1.1楼层定位服务器每隔t分钟，通过通信网络启动每层楼内的气压采集装置采集 室内气压数据。此处，可以取t = 60。
[0045] 1.2楼层气压装置收到气压采集命令后，采集η个气压数据，通过通信网络将这些 数据及其所在楼层发送给楼层定位服务器。此处，可以取η = 30
[0046] 1.3楼层定位服务器收到每个楼层返回的气压数据后，对η个气压数据按3S准则 (莱以特准则)进行预处理。具体方式如下：
[0047]假设采集到的气压数据为pi，Ρ2，…，Ρη，η = 30。
[0050] (3)若某个数据不在区间?-3s，f+3s]内，则认为此数据存在粗大误差，剔除此数 据，直到所有数据都在区间[p_3s，p+3s]内。
[0051] 1.4楼层定位服务器计算经过预处理的每个楼层的气压数据的平均值，并按<P，F， τ>三元组的方式更新指纹数据库中对应楼层的气压指纹。此处，P代表所在楼层的室内气压 平均值，F代表楼层，Τ代表气压指纹采集时间。
[0052] 2.在线定位阶段
[0053] 2.1智能手机上的楼层定位应用程序通过手机内部的气压传感器测试待定位位置 的气压数据m次，比如取m = 5。
[0054] 2.2智能手机上的楼层定位应用程序计算当前位置的气压数据平均值，并将此值 上传给楼层定位服务器。
[0055] 2.3楼层定位服务器在气压指纹库中查询与此气压平均值最接近的气压值，具体 方式如下：
[0056] 假设当前位置的气压数据平均值为p，气压指纹库中共有η个气压指纹，分别为〈 Pi，Fi，Ti>，i = l，2，."，n〇
[0057] (1)计算p到每条气压指纹的距离|p-P山
[0058] (2)找出最小的dmin=min{di，i = 1，2,…，n}，min为取最小值函数。此dmin对应的Pi 即为最接近的气压指纹值。
[0059] 2.4楼层定位服务器将Pi对应的h作为楼层定位结果发送给智能手机，从而实现准 确的楼层定位。
[0060] 虽然本发明参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理 解，上述较佳实施方式仅用来说明本发明，并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明 的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、改进等，均应包含在本发明的权利保 护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于气压指纹的室内楼层定位方法，其特征在于：该方法包括离线阶段和在线 阶段，所述的离线阶段是指在实际楼层定位开始前，采集目标室内定位场景的不同楼层的 气压数据，经过气压数据处理后形成气压指纹库;所述的在线阶段是指在实际楼层定位时， 现场采集待定位位置的气压数据，并与气压指纹库里面的气压指纹匹配，选取最匹配的气 压指纹对应的楼层作为当前定位楼层。2. 根据权利要求1所述的基于气压指纹的室内楼层定位方法，其特征在于:所述的离线 阶段采集楼层的气压数据的特征是多个、实时和室内；所述的气压数据的"实时"特征是指 离线阶段气压指纹采集时间和在线阶段气压采集时间的时间差在60分钟以内；所述的气压 数据的"室内"特征是指采集地点为室内。3. 根据权利要求1所述的基于气压指纹的室内楼层定位方法，其特征在于:所述的在线 阶段采集待定位位置的气压数据，要求采集5个以上的数据;所述的与气压指纹库匹配的气 压数据是现场采集的气压数据的平均值P。;所述的匹配准则是欧氏距离最近准则，即d = Pc-Pfl，P。为场采集的气压数据的平均值，Pf为指纹数据库里面的气压值;所述的选取最匹 配的气压指纹对应的楼层作为当前定位楼层即在气压指纹库里面找到与P。最接近的P f，将 Pf对应的F作为定位楼层结果输出。4. 根据权利要求1所述的基于气压指纹的室内楼层定位方法，其特征在于： 步骤1.离线采集阶段 1.1楼层定位服务器每隔t分钟，通过通信网络启动每层楼内的气压采集装置采集室内 气压数据； 1.2楼层气压装置收到气压采集命令后，采集η个气压数据，通过通信网络将这些数据 及其所在楼层发送给楼层定位服务器； 1.3楼层定位服务器收到每个楼层返回的气压数据后，对η个气压数据按3S准则进行预 处理，具体方式如下： 假设采集到的气压数据为P1，P2，…，Pn;(1) 计算这η个数据的样本尨 (2) 计算这η个数据的样本Z (3) 若某个数据不在区间茂-:33,.麥+33]内，则认为此数据存在粗大误差，剔除此数据，直 到所有数据都在区间[P-3s，p+3s]内； 1.4楼层定位服务器计算经过预处理的每个楼层的气压数据的平均值，并按<P，F，T>三 元组的方式更新指纹数据库中对应楼层的气压指纹，其中，P代表所在楼层的室内气压平均 值，F代表楼层，T代表气压指纹采集时间； 步骤2.在线定位阶段 2.1智能手机上的楼层定位应用程序通过手机内部的气压传感器测试待定位位置的气 压数据m次； 2.2智能手机上的楼层定位应用程序计算当前位置的气压数据平均值，并将此值上传 给楼层定位服务器； 2.3楼层定位服务器在气压指纹库中查询与此气压平均值最接近的气压值，具体方式 如下： 假设当前位置的气压数据平均值为P，气压指纹库中共有η个气压指纹，分别为〈P^Fi， Ti>，i = l，2，···，n〇 ⑴计算P到每条气压指纹的距离di，di= |p-Pi| ; (2)找出最小的(1_ = 1^11{64 = 1，2，"_，11}，1^11为取最小值函数，此(1_对应的？1即为 最接近的气压指纹值； 2.4楼层定位服务器将P1对应的F1作为楼层定位结果发送给智能手机，从而实现准确的 楼层定位。
【文档编号】H04W64/00GK106028447SQ201610556355
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月12日
【发明人】姚英彪, 严军荣, 潘鹏
【申请人】三维通信股份有限公司