一种基于手机内置传感器的室内三维定位系统及定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于手机室内定位技术领域，具体设及一种基于手机内置传感器的室内Ξ 维定位系统及定位方法。
【背景技术】
[0002] 目前，定位技术大多是针对室外定位，室内定位的则很少。在一些领域，如，室内消 防演练、复杂环境的应急救援、室内追踪等，需要对室内人员在室内的运动路径及位置进行 实时跟踪，室外定位技术无法应用到运些领域。
[0003] -般而言，手机都内置有加速度传感器、方向传感器、压力传感器(如下面介绍）， 却各自功能独立，并没有应用到室内定位中。
[0004] 手机加速度传感器:加速度传感器经常用于各种游戏或程序页面的翻转，其Ξ个 读数表示空间坐标系中Χ、Υ、Ζ方向上的加速度减去重力加速度在相应轴上的分量。当手机 放在水平的桌面上时，桌面给手机的支持力造成的加速度值，当手机移动的时候，运Ξ个数 值将发生变化。
[0005] 同时在步行状态下，人腿部的水平加速度和垂直加速度均会产生规律性变化，在 步行迈步的动作中，步行脚向上脱离地面，水平加速度增加，垂直加速度减小，之后继续向 前行走，直到步行脚落地。
[0006] 方向传感器:是利用加速度计和地磁场传感器得到自己的数据，运就使得加速度 传感器比较特殊，它的数值是相对于绝对方向的，它得到的是手机设备的绝对姿态值。
[0007] 方向传感器融合了加速度计、磁向计和巧螺仪，使用真正的自适应卡尔曼滤波算 法，正确覆盖磁向计数据的扭曲和异常，可W提供更精确和可靠地数据。
[000引压力传感器：是通过测出人员当前所处环境的大气压，然后根据气压值计算出海 拔高度。
[0009] 如果能提供一种整合手机内置加速度传感器、方向传感器、压力传感器，W实现室 内定位，是十分有意义的。
【发明内容】
[0010] 为实现上述目的，本发明提供了一种基于手机内置传感器的室内Ξ维定位系统， 包括具有无线接收模块的上位机端、手机客户端，所述手机客户端设置有处理器、坐标计算 模块、加速度传感器、计时器、方向传感器、压力传感器、无线发送模块。
[0011] 上位机端用于与各个手机客户端进行通信，采集其在室内的位置信息，并进行位 置显不〇
[0012] 手机客户端固定于手机持有者的腿部。
[0013] 所述坐标计算模块内置室内Ξ维坐标系信息，所述室内Ξ维坐标系W正北方向为 Υ轴正向，正东方向为X轴正向，垂直于地面且向上的方向为Ζ轴正向。
[0014] 所述坐标计算模块根据步频及步长信息、运动方向信息、海拔高度位置信息进行 位置运算。
[0015] 所述处理器用于判断腿部的运动状态。
[0016] 加速度传感器根据采集腿部在Y轴、Z轴上运动的加速度，进而使得坐标计算模块 得到步频及步长信息。
[0017] 方向传感器采集手机持有者运动方向信息。
[0018] 压力传感器采集其所在位置的海拔高度位置信息。
[0019] 无线发送模块用于将坐标计算模块计算得到的位置信息传递给上位机的无线接 收模块。
[0020] 上述基于手机内置传感器的室内Ξ维定位系统的定位方法，包括如下步骤：
[0021] 步骤一:设定每步步行时间的上阔值和下阔值，手机客户端进入初始状态。
[0022] 步骤二:定时器清零，开始计时，手机处理器开始计步，并判断计步时间是否介于 上阔值与下阔值之间：如果是，则周期循环执行步骤a~f;如果否则处理器判断人员为静止 状态，重复进行步骤二；
[0023] a:方向传感器采集手机持有者运动方向信息，压力传感器采集其所在位置的海拔 高度位置信息
[0024] b:加速度传感器采集腿部在Y轴、Z轴上的运动加速度，并经处理器判断腿部Y轴加 速度、Z轴加速度是再增大还是减小，
[0025] 如果Y轴加速度增大、Z轴加速度增大，则为向前迈步状态；
[0026] 如果Y轴加速度增大、Z轴加速度减小，则为向后收步状态；
[0027] 如果Y轴加速度减小、Z轴加速度减小，则为计步状态；
[0028] C:判断计步时间是否介于上阔值与下阔值之间，如为否，则回到步骤二，如为是则 进行如下：
[0029] 当步骤a为向前迈步状态时，如果Y轴加速度减小、Z轴加速度增大，转化为计步状 态，当步骤a为向后收步状态，如果Y轴加速度减小、Z轴加速度减小，转化为计步状态，步长 信息采集结束，向前迈步或向后收步状态的起始时间为计步时间的起点，计步状态的结束 时间为计步时间的终点；
[0030] d:坐标计算模块计算步频及步长值；
[0031 ] e :坐标计算模块根据步长值及运动方向信息，得到手机持有者所在位置的Χ/?坐 标值；
[0032] f:无线发送模块将Χ/?坐标值发送给上位机，上位机进行对应手机客户端位置信 息显不。
[0033] 进一步的，最大时间阔值为2S，最小时间阔值为0.2S.
[0034] 进一步的，步骤d中计算步频的公式为:f = 5/step_Inte;rval，其中f是步频，step_ Interval是计步时间。
[0035] 计算步长的公式为：
[0036]
[0037] 其中，S为步长，单位是米。
[0038] 进一步的，步骤e计算ΧΛ坐标值的的公式具体为：
[0039]
[0040] 式子中，01391日。61116]11:_乂，01391日。61116]11:_￥分别代表X坐标值、Υ坐标值， orien化tion*Math.PI/180代表手机在ΧΥ平面上的投影与Υ轴正向方向的弧度值。
[0041] 本发明的有益效果为：
[0042] 本发明利用手机现有的零部件实现了手机持有者的室内定位，成本低，操作方便， 完全满足室内定位的技术需求，具备很好的经济价值和实用价值。
【附图说明】
[0043] 图1是计步流程图。
【具体实施方式】
[0044] 本发明的设计构思为:利用手机加速度传感器的加速度数据估算每一步的步长， 结合方位角得到测量人员的二维坐标，由压力传感器的压力值推算出海拔高度，进而实现 室内人员的精确定位。
[0045] 为了使用传感器的数据，需要在传感器注册方法中注册加速度和方向传感器W及 气压传感器，考虑到正常成年人行走一步的时间介于0.2秒到2秒之间，设置传感器每0.2秒 进行一次传感器状态判断。如果传感器状态发生改变，则实时更新传感器的数据值。
[0046] 此次发明的主要技术核屯、在于Ξ维坐标值的获取和计算，W及数据的实时传输和 显示。
[0047] 下面进行详细介绍。
[004引所述基于手机内置传感器的室内Ξ维定位系统，包括具有无线接收模块的上位机 端、至少一个手机客户端，所述手机客户端设置有处理器、坐标计算模块、加速度传感器、计 时器、方向传感器、压力传感器、无线发送模块；
[0049]上位机端用于与各个手机客户端进行通信，采集其在室内的位置信息，并进行位 置显示。上位机端有一个窗口界面，可视化的显示定位人员的行走轨迹。为了实现界面窗 口，并且结合java的编程原则，在程序中，新建一个server类，继承Applicatio址'rame类。
[00加]上位机端的实现，采用JFreecha;rt进行数据的处理，包括继承ApplicationFrame 的类的构造函数、实现数据接收和处理的主函数、绘制折线图的函数、设置图表参数的函 数、实现化化Set接口函数。
[0051] 手机客户端固定于手机持有者的腿部。指定腿部的原因是因为腿部运动能直接反 应人体运动的速度和状态。
[0052] 所述坐标计算模块内置室内Ξ维坐标系信息，所述室内Ξ维坐标系W正北方向为 Y轴正向，正东方向为X轴正向，垂直于地面且向上的方向为Z轴正向。XY坐标系的确定利用 了方向传感器。
[0053] 所述坐标计算模块根据步频及步长信息、运动方向信息、海拔高度位置信息进行 位置运算。
[0054] 所述处理器用于判断腿部的运动状态，进行计步。本发明的计步过程共分为五部 分:静止状态、计步初始化状态、迈步判断状态、收步判断状态和计步状态。步行的五个状态 在判断时，都需要首先调用计时器，判断每步的时间是否介于上阔值与下阔值之间，由于人 正常行走频率为0.甜Z-甜Z，行走一步的时间在0.2s和2s之间。如果步行时间小于0.2s或者 大