一种基于传感器的行人室内定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及行人定位方法，尤其是涉及一种基于传感器的行人室内定位方法。
【背景技术】
[0002] 导航技术在生产生活中是必不可少的，定位是导航的前提。很多情况下，我们需要 获取自己或是他人行走的位置信息以及行走的轨迹情况，以确保在生疏环境下可以导航到 目的地，或者监控他人位置以确保其安全。室外的GPS定位技术已经成熟，然而室内的定位 技术一直是个难点，目前主流的无需布设硬件基础设施的室内定位技术有Wi-Fi定位、磁 场定位、基于MEMS的室内导航等，其定位精度均未达到商用要求。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供具有功耗较小、准确度高、无需新硬件、实用性较强的一种 基于传感器的行人室内定位方法。
[0004] 本发明包括两种应用场景，分别是将手机放于裤子口袋以及手持手机两种场景， 包括如下步骤：
[0005] 步骤1，一个学习过程，学习过程区分两种不同场景：
[0006] 场景1为将手机放于裤子口袋，若该用户第一次使用，则让用户将内置陀螺仪和 加速度计的手机开启程序后放置于裤子口袋，并将放置手机那边腿向前迈出一步，且该条 腿膝盖不能弯曲；停顿3s后将手机从口袋中取出，自动完成该学习过程，并将学习结果存 储在该用户的账户下；若下次该用户想继续使用，则只需选择该用户的账户，便能直接使用 第一次的学习结果；具体的学习过程如下：
[0007] (1)将加速度矢量根据陀螺仪测得的角速度矢量构建的四元数作坐标转换，测出 这一步每个采样点的水平方向和竖直方向加速度；
[0008] (2)将这一步的竖直加速度进行二重积分，测出竖直位移h。；
[0009] (3)将这一步的水平加速度进行二重积分，测出水平位移h。；
[0010] (4)根据迈步前静止时的加速度矢量与迈步后稳定时的加速度矢量进行比较，测 出稳定时腿相对于竖直方向的角度Θ。；
[0011] 场景2为手持手机，若该用户第一次使用，则让用户双手持内置陀螺仪和加速度 计的手机并开启程序站直，将任一条腿向前迈出尽量大的一步，且该条腿膝盖不能弯曲，全 程保持双手及所持手机躯干相对静止，之后程序将自动完成该学习过程，并将学习结果存 储在该用户的账户下；若下次该用户想继续使用，则只需选择该用户的账户，便能直接使用 第一次的学习结果；具体的学习过程如下：
[0012] (1)将加速度矢量根据陀螺仪测得的角速度矢量构建的四元数作坐标转换，测出 这一步每个采样点的水平方向和竖直方向加速度；
[0013] (2)将这一步的竖直加速度进行二重积分，测出竖直位移h。；
[0014] (3)将这一步的水平加速度进行二重积分，测出水平位移S。；
[0015] 步骤2,用户选择对应账户或者让程序经过步骤1的学习过程后，手持手机或者将 手机置于裤子口袋中行走，待走完后便可以看到走过的轨迹；具体的轨迹计算过程同样可 以分为两种不同的场景。
[0016] 场景1为将手机放于裤子口袋：
[0017] (1)通过加速度计、重力传感器和陀螺仪记录每个采样点的加速度矢量、重力矢量 和角速度矢量；
[0018] (2)结合三轴重力矢量和三轴加速度矢量算出每个采样时刻竖直方向加速度值；
[0019] (3)通过设定阈值3和-4,滤出竖直方向加速度值超过阈值的极值点，大于3的极 值点即是脚掌与地面相平的时刻点，小于-4的极值点即是脚跟着地的时刻点；
[0020] (4)列出运动方程，将加速度矢量和角速度矢量通过卡尔曼滤波器算出每个采样 时刻的最优化后的竖直方向速度以及每个采样时刻的欧拉角Yaw分量Θ，同时将每个时刻 点与（3)中得出的时刻点对比，若吻合，则认为此刻竖直方向速度值为0,得出此刻的速度 偏移值，反馈给卡尔曼滤波器，从而消除了加速度计的漂移误差；
[0021] (5)将消除漂移误差后竖直方向速度的每一个波谷的小于零的部分进行积分，算 出每一步的竖直方向位移h ;
[0022] (6)每一步的步长D为
[0023] (7)起点坐标设为（0, 0)，每一步的X轴坐标为前一步的X轴坐标加上DXsin Θ， y轴坐标为前一步的y轴坐标加上DXcos Θ ;
[0024] 场景2为手持手机：
[0025] (1)通过加速度计、重力传感器和陀螺仪记录每个采样点的加速度矢量、重力矢量 和角速度矢量；
[0026] (2)结合三轴重力矢量和三轴加速度矢量算出每个采样时刻竖直方向加速度值；
[0027] (3)通过设定阈值1和-1，滤出竖直方向加速度值超过阈值的极值点，大于1的极 值点即是脚掌与地面相平的时刻点，小于-1的极值点即是脚跟着地的时刻点；
[0028] (4)列出运动方程，将加速度矢量和角速度矢量通过卡尔曼滤波器算出每个采样 时刻的最优化后的竖直方向速度以及每个采样时刻的欧拉角Yaw分量Θ，同时将每个时刻 点与（3)中得出的时刻点对比，若吻合，则认为此刻竖直方向速度值为0,得出此刻的速度 偏移值，反馈给卡尔曼滤波器，从而消除了加速度计的漂移误差
[0029] (5)将消除漂移误差后竖直方向速度的每一个波谷的小于零的部分进行积分，算 出每一步的竖直方向位移h ;
[0030] (6)每一步的步长为
[0031] (7)起点坐标设为（0, 0)，每一步的X轴坐标为前一步的X轴坐标加上DXsin Θ， y轴坐标为前一步的y轴坐标加上DXcos Θ ;
[0032] 经过学习和行走两个步骤后，轨迹便能绘制在手机屏幕上，且行走时可以做到一 边行走一边实时绘制出行走轨迹，用户就能做到在没有GPS信号或者GPS信号太弱无法正 确定位的室内靠已有的手机作为唯一的硬件设备实现行人室内定位；再配合室内地图，就 能让用户明白自己现在身处何处，从而实现室内导航。
[0033] 本发明提出一种新的基于MEMS的惯性导航室内定位方法，致力于提高室内定位 精度，同时该方法所需的加速度计及陀螺仪硬件在现有的手机平台中已普及，所以用户也 无需再额外购置硬件，使用手机便能完成行人室内定位。这个方案在商场及机场室内导航 或者医院监控病人安全等场景下具有极大作用。
【具体实施方式】
[0034] 本发明实施例包括两种应用场景，分别是将手机放于裤子口袋以及手持手机两种 场景，包括如下步骤：
[0035] 步骤1，一个学习过程，学习过程区分两种不同场景：
[0036] 场景1为将手机放于裤子口袋，若该用户第一次使用，则让用户将内置陀螺仪和 加速度计的手机开启程序后放置于裤子口袋，并将放置手机那边腿向前迈出一步，且该条 腿膝盖不能弯曲；停顿3s后将手机从口袋中取出，自动完成该学习过程，并将学习结果存 储在该用户的账户下；若下次该用户想继续使用，则只需选择该用户的账户，便能直接使用 第一次的学习结果；具体的学习过程如下：
[0037] (1)将加速度矢量根据陀螺仪测得的角速度矢量构建的四元数作坐标转换，测出 这一步每个采样点的水平方向和竖直方向加速度；
[0038] (2)将这一步的竖直加速度进行二重积分，测出竖直位移h。；
[0039] (3)将这一步的水平加速度进行二重积分，测出水平位移h。；
[0040] (4)根据迈步前静止时的加速度矢量与迈步后稳定时的加速度矢量进行比较，测 出稳定时腿相对于竖直方向的角度Θ。；
[0041] 场景2为手持手机，若该用户第一次使用，则让用户双手持内置陀螺仪和加速度 计的手机并开启程序站直，将任一条腿向前迈出尽量大的一步，且该条腿膝盖不能弯曲，全 程保持双手及所持手机躯干相对静止，之后程序将自动完成该学习过程，并将学习结果存 储在该用户的账户下；若下次该用户想继续使用，则只需选择该用户的账户，便能直接使用 第一次的学习结果；具体的学习过程如下：
[0042] (1)将加速度矢量根据陀螺仪测得的角速度矢量构建的四元数作坐标转换，测出 这一步每个采样点的水平方向和竖直方向加速度；
[0043] (2)将这一步的竖直加速度进行二重积分，测出竖直位移h。；
[0044] (3)将这一步的水平加速度进行二重积分，测出水平位移S。；
[0045] 步骤2,用户选择对应账户或者让程序经过步骤1的学习过程后，手持手机或者将 手机置于裤子口袋中行走，待走完后便可以看到走过的轨迹；具体的轨迹计算过