基于多源信息融合的室内定位方法及装置与流程

本发明涉及室内定位技术领域，尤其是一种基于多源信息融合的室内定位方法及装置。

背景技术：

随着以智能手机为代表的移动智能终端设备的大量应用，基于位置的服务(lbs)得到了越来越广泛的应用，例如行驶车辆的导航、外卖等服务，但是这些需求主要基于以gps为代表的卫星信号。对于卫星信号，要实现较高精度的定位，需要同时接收到至少四颗卫星的信号，但在高楼林立的城市地区、山谷以及室内环境下，卫星信号受到多径尤其是遮挡等因素的影响，几乎无法定位。据统计，大多数的lbs用户70％～90％的时间在室内，且商业活动也大多数集中在室内场景，比如商超等；此外，随着5g的发展，工业场景人员和设备的定位需求也越来越广泛。因此，室内等无卫星信号环境下的定位需求越来越迫切。

针对lbs的广泛需求，不同研究机构提出了不同的定位技术，对于智能手机，目前主要采用wifi、蓝牙、磁场、惯性等技术。随着ieee502.11标准的成熟，wifi接入设备(ap)得到了广泛的使用，同时基于wifi的定位技术也得到了大量的研究，常用的wifi定位手段包括指纹法、三角定位法等。但由于ap安装时需要弱电施工，这样给安装部署带来了麻烦，同时ap的部署密度一般较小，其定位精度受限。蓝牙技术联盟于2010年推出了蓝牙4.0版本，其显著的特点是功耗低，设备小，是一种理想的定位信标。在室内环境下，由于建筑物结构中含有大量的铁磁性材料，从而给室内环境带来了丰富的磁场特征，可作为一种天然的定位手段。惯性导航系统(ins)是一种独立的导航手段，其主要利用加速度计和陀螺仪提供连续且高频的位置输出，但其基于积分解算的数学原理，传感器小的误差在时间累积效应下也会带来巨大的误差，尤其是低精度的微惯导设备(mems-imu)。目前绝大多数的智能手机都含有内置的mems-imu，无法提供长航时的高精度定位。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于多源信息融合的室内定位方法及装置；结合蓝牙定位、磁场定位以及行人航位推算，为室内定位提供了一种新的解决方案。

本发明公开了一种基于多源信息融合的室内定位方法，包括：

基于采集的蓝牙基站信号和蓝牙基站数据进行蓝牙定位得到蓝牙定位结果；

基于采集的航向信息和加速度信息进行航位推算得到当前运动轨迹；

判别当前运动轨迹是否符合多源信息融合定位条件；不符合，则采用蓝牙定位结果作为室内定位结果；符合，则进行蓝牙定位、航位推算和地磁匹配定位相结合的融合定位，将所述融合定位结果作为室内定位结果；

其中，所述多源信息融合定位条件为当前运动轨迹的航向变化率小于航向变化阈值。

进一步地，所述蓝牙定位包括：

在室内空间的n个设定位置分别部署蓝牙基站；将部署的每个蓝牙基站的mac地址和坐标存储于蓝牙基站数据库中；

在线采集蓝牙信号，获取与mac地址对应的各蓝牙基站的信号强度；

根据信号强度选择用于定位的蓝牙基站；

从蓝牙基站数据库中获取用于定位的蓝牙基站的位置信息，结合对应的信号强度采用加权计算获得蓝牙定位信息。

进一步地，所述各蓝牙基站的信号强度表示为rt＝(rt1,rt2,…,rtn)；其中，为t时刻maci蓝牙基站的信号强度；m为设定时间间隔内采集到的maci蓝牙基站对应的信号数目，rssit,ij表示在该时间段内maci蓝牙基站对应的第j个信号对应的信号强度。

进一步地，根据信号强度选择用于定位的蓝牙基站方法包括：

对各蓝牙基站的信号强度进行排序，得到信号强度最大的前四个蓝牙基站；

计算信号强度最大的蓝牙基站距离其他三个蓝牙基站的空间距离；

舍弃与信号强度最大蓝牙基站空间距离最大的蓝牙基站，获得三个用于定位的蓝牙基站。

进一步地，所述加权计算的方法包括：

计算用于定位的三个蓝牙基站的权重式中，rtk表示第k个蓝牙基站在t时刻的信号强度；

对权重wk进行归一化得到归一化的权重为三个用于定位的蓝牙基站的权重之和；

根据加权公式计算t时刻的蓝牙定位位置pt；(xk,yk)为t时刻第k个蓝牙基站的位置。

进一步地，所述融合定位包括：

基于当前蓝牙定位结果生成用于磁场定位的待定位样本集；所述待定位样本集中的每个待定位样本中包含平面坐标和航向信息；

针对每一个待定位样本，基于其平面坐标和航向信息，将设定长度的当前运动轨迹投影到室内平面图上，提取其对应的磁场数据库中对应的磁场数据；计算实时采集到的磁场数据和提取到的数据库中磁场数据的磁场距离；

根据每个待定位样本的磁场距离信息计算每个待定位样本的权重；

根据每个待定位样本的平面坐标和权重进行加权计算获得融合定位的结果。

进一步地，所述待定位样本的平面坐标是以蓝牙定位结果的平面坐标为中心，以设定的距离为间隔进行设置的，覆盖于第一设定范围内；所述间隔的距离根据地磁匹配定位精度调整；所述第一设定范围根据地磁匹配数据量要求和地磁匹配距离要求按照经验进行设定；

在所述待定位样本的平面坐标上，以当前航向为中心，以设定的角度间隔进行设置，生成待定样本的航向信息。

进一步地，当前运动轨迹未投影到室内平面图上的障碍物区域时，所述磁场距离公式为其中，disi表示待定位样本i计算得到的磁场距离，mnow,j表示当前运动轨迹中第j个点对应的磁场值；mdb,i,j表示基于待定位样本i所提取的磁场数据库中的第j个磁场值，n表示设定长度的当前运动轨迹上含有的磁场数据数目。

进一步地，所述融合定位的加权计算方法包括：

计算每个待定位样本的权重

对权重进行归一化

根据加权公式计算融合定位的位置；(xj,yj)表示第j个待定位样本所处的平面位置，r为待定位样本的数目。

本发明还公开了一种基于多源信息融合的室内定位装置，包括传感器模块、数据库模块和定位算法模块；

所述传感器模块包括加速度传感器、方向传感器、地磁传感器和蓝牙模块，用于给定位算法模块提供加速度信息、航向信息、地磁信息和蓝牙信息；

所述数据库模块包括蓝牙基站数据库和地磁数据库，用于为定位算法模块提供定位区域内蓝牙基站数据和地磁数据；

所述定位算法模块用于执行如上所述的室内定位方法进行室内定位。

本发明的有益效果如下：

本发明融合了pdr、磁场定位、蓝牙定位以及室内地图信息，提供了一种高精度的室内定位方法，可达到60％概率下优于1.4米的定位精度，并且在无法使用融合定位时，采用的蓝牙定位方法，也可以实现在60％概率下优于2米定位精度。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例一中的室内定位方法流程图；

图2为本发明实施例一中的蓝牙定位流程图；

图3为本发明实施例一中的蓝牙基站位置示意图；

图4为本发明实施例一中的蓝牙定位误差累积概率分布图；

图5为本发明实施例一中的融合定位方法流程图；

图6为本发明实施例一中的环境的场景平面图；

图7为本发明实施例一中的蓝牙基站安装位置示意图；

图8为本发明实施例一中的磁场平面分布图；

图9为本发明实施例一中的行走轨迹图；

图10为本发明实施例一中的实时定位结果图；

图11为本发明实施例一中的定位误差概率累积分布图；

图12为本发明实施例二中的室内定位装置原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

实施例一

本实施例公开了一种基于多源信息融合的室内定位方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤s101、基于采集的蓝牙基站信号和蓝牙基站数据进行蓝牙定位得到蓝牙定位结果；

步骤s102、基于采集的航向信息和加速度信息进行行人航位推算得到当前运动轨迹；

步骤s103、判别当前运动轨迹是否符合多源信息融合定位条件；不符合，则采用蓝牙定位结果作为室内定位结果；符合，则进行蓝牙定位、行人航位推算和地磁匹配定位相结合的融合定位，将所述融合定位结果作为室内定位结果。

具体的，如图2所示，步骤s101中的蓝牙定位包括：

步骤s201、在室内空间的n个设定位置上部署蓝牙基站；将部署的每个蓝牙基站的mac地址和坐标存储于蓝牙基站数据库中；

在基于蓝牙信号的定位技术中，其均会受到蓝牙基站部署的影响。蓝牙信号在空旷环境下的信号衰减模型为其中，d0为参考距离，在d0处的信号强度为p0，距离d处的信号强度为p，障碍物引起的误差ξ满足正态分布。

从信号衰减模型可以看出，蓝牙信号随距离呈指数衰减，其在距离基站较近的范围内，信号强度(rssi)变化明显，但是随着距离的增加，rssi分布趋于平缓，而rssi变化明显的范围内，其位置变化和rssi的相关性较高。结合信号衰减模型以及实际测量结果，如图3所示，实施例给出的将蓝牙基站的部署间隔定为6米。

在部署完蓝牙基站后，以mac地址作为蓝牙基站的唯一标识，用于在线定位时候蓝牙基站选取的依据，蓝牙基站数据库由mac地址以及该mac对应基站所处的位置组成。具体表示为。db＝{(maci,xi,yi)},i＝1,…,n；其中，maci表示第i个蓝牙基站对应的mac地址，xi,yi表示该蓝牙所处的平面坐标，n表示安装的蓝牙基站总数目。

步骤s202、在线采集蓝牙信号，获取与mac地址对应的各蓝牙基站的信号强度；

在线定位阶段，通过智能手机进行蓝牙信号采集，针对存在于数据库中的蓝牙基站mac地址，将各mac地址对应的蓝牙基站一定时间内信号强度进行平均，获取用于定位的rssi信号。

具体的，t时刻采集的各蓝牙基站的信号强度rt＝(rt1,rt2,…,rtn)；其中，m为设定时间间隔内采集到的maci蓝牙基站对应的信号数目，rssit,ij表示在该时间段内maci蓝牙基站对应的第j个信号对应的信号强度；本实施例的时间间隔可设定为1秒。

步骤s203、根据信号强度选择出用于定位的蓝牙基站；

在一次定位过程中，智能手机采集到的蓝牙基站数目较多，不同的蓝牙定位方法在选择用于定位的蓝牙基站的方法上存在不同，而蓝牙基站的选择对定位精度的影响非常大。

具体的，用于定位的蓝牙基站选择方法包括：

1)对各蓝牙基站的信号强度进行排序，得到信号强度最大的前四个蓝牙基站；

2)计算信号强度最大的蓝牙基站距离其他三组蓝牙基站的空间距离；

3)舍弃与信号强度最大蓝牙基站空间距离最大的蓝牙基站，获得三个用于定位的蓝牙基站。

步骤s204、从蓝牙基站数据库中获取用于定位的蓝牙基站的位置信息结合对应的信号强度采用加权计算获得蓝牙定位信息。

所述采用加权计算获得蓝牙定位信息的方法包括：

计算用于定位的三个蓝牙基站的权重式中，rtk表示第k个蓝牙基站在t时刻的信号强度；

对权重wk进行归一化得到归一化的权重为三个用于定位的蓝牙基站的权重之和；

根据加权公式计算t时刻的蓝牙定位位置pt；(xk,yk)为t时刻第k个蓝牙基站的位置。

对本实施例的蓝牙定位方法进行试验，试验场景选取为办公室环境下，该办公室为9*6m，安装的蓝牙基站位置如图3所示，并进行网格划分，获取39个定位测试点，基于上述蓝牙定位方法，最终得到的定位误差累积概率分布如图4所示，可见，基于本文提出的蓝牙定位算法，在60％概率下，定位精度优于2米。

具体的，步骤s102中的行人航位推算(pdr)由下式计算得到：

这里pos_xi、pos_yi表示当前相对位置，len_step表示当前一步的步长，ψ表示由智能手机输出的航向信息，由于目前大多数的智能设备均提供了成熟的滤波算法用于获取设备姿态，因此本实施例可以采用现有的姿态滤波算法获取包括航向信息的设备姿态信息。

行人步态检测基于下式获得：

式中，acc为智能手机加速度传感器采集的合加速度，表示一定时间周期内(比如0.5s)的加速度数据的均方根；throld1_acc为合加速度阈值；var为方差；acc_max为设定周期内合加速度的最大值；acc_min为设定周期内合加速度的最小值；throld2_acc：为设定周期内合加速度峰峰值阈值。

行人步长估计其中fs为智能手机的惯性传感器采集频率；fs_step为当前一步持续的时长。

通过行人航位推算可得到行人的当前运动轨迹。

本实施例的步骤s103中，根据当前的运动轨迹来判断采用蓝牙定位结果，或是采用将蓝牙定位、行人航位推算和地磁匹配定位相结合的融合定位结果。其多源信息合融合定位条件为当前运动轨迹的航向变化率小于航向变化阈值。小于，则进行将蓝牙定位、行人航位推算和地磁匹配定位相结合的融合定位；不小于，则采用蓝牙定位结果作为室内定位结果。所述航向变化阈值可由经验确定，例如，通过对一段时间的运动轨迹中的航向变化率进行判断当前运动轨迹为原地转动，则不适应采用融合定位来提高定位精度，则将蓝牙定位结果作为当前定位结果输出。

具体的，如图5所示，步骤s103中的融合定位包括：

步骤s501、基于当前蓝牙定位结果生成用于磁场定位的待定位样本集；所述待定位样本集中的每个待定位样本中包含平面坐标和航向信息；

所述待定位样本的平面坐标是以蓝牙定位结果的平面坐标为中心，以设定的距离为间隔进行设置的，覆盖于第一设定范围内；所述间隔的距离根据地磁匹配定位精度调整；所述第一设定范围根据地磁匹配数据量要求和地磁匹配距离要求按照经验进行设定；在所述待定位样本的平面坐标上，以当前航向为中心，以设定的角度间隔进行设置，生成待定样本的航向信息。

例如，以蓝牙定位结果的平面坐标为中心，在5米长度半径的圆内，以0.5米间隔画网格，生成待定位样本的平面坐标，且在每个网格坐标上，以当前航向为中心，5度航向变化进行进一步生成待定位样本的航向信息。

步骤s502、针对每一个待定位样本，基于其平面坐标和航向信息，将设定长度的当前运动轨迹投影到室内平面图上，提取其对应的磁场数据库中对应的磁场数据；计算实时采集到的磁场数据和提取到的数据库中磁场数据的磁场距离；

设定长度的当前运动轨迹可根据定位的需求设定，例如选取10步长度的行人航位推算得到的运动轨迹。在进行行人行位推算的同时，智能手机的磁传感器实时采集地磁信息，得到与当前运动轨迹对应的实时采集到的磁场数据。

对于每一个包括平面坐标和航向信息的待定位样本，对应一个在室内平面图的当前运动轨迹投影。通过当前运动轨迹投影在磁场数据库中可提取与其对应的磁场数据。

具体的，磁场数据库中数据的采集基于专用设备进行采集，可同时获取室内平面图以及高精度的位置和磁场信息。最终的数据库架构如下式所示：

dbmag＝{ui,j|i＝1,…m,j＝1,…n}；

式中，m＝row/2，n＝col/2，row、col表示室内平面图对应像素点矩阵的行数和列数；获取得到的平面图，20个像素点代表实际的1米；

这里mag表示该位置的磁场总强度。实际的平面位置可通过该点在数据库中所处的位置转换得到。

计算实时采集到的磁场数据和提取到的数据库中磁场数据的磁场距离的公式为：

disi表示待定位样本i计算得到的磁场距离，mnow,j表示当前运动轨迹中第j个点对应的磁场值；mdb,i,j表示基于待定位样本i的平面坐标和航向信息，将当前运动轨迹投影到室内平面图上提取的磁场数据库中的第j个磁场值，n表示设定长度的当前运动轨迹上含有的磁场数据数目。通过室内平面图判断当前运动轨迹穿越障碍物时磁场距离设置为100000000；当然也可以成其他大数。

步骤s503、根据每个待定位样本的磁场距离信息计算每个待定位样本的权重；

步骤s504、根据每个待定位样本的室内平面坐标和权重进行加权计算获得融合定位的结果。

具体的，融合定位的加权计算方法包括：

计算每个待定位样本的权重

对权重进行归一化为所有待定位样本的权重之和。

根据加权公式计算融合定位的位置；(xj,yj)表示第j个待定位样本所处的平面位置，r为待定位样本的数目。

对本实施例的多源信息融合定位方法进行试验验证，验证场所选取为办公室环境，并包含一条长直走廊。环境的场景平面图如图6所示，长50米，宽20米。蓝牙基站安装位置如图7所示，共安装有14个蓝牙基站。生成的磁场平面分布如图8所示。

进行定位验证时，行走轨迹如图9所示，实时定位结果如图10所示，误差概率累积分布图如图11所示，60％概率下定位误差小于1.4米。

综上所述，本实施例融合了pdr、磁场定位、蓝牙定位以及室内地图信息，提供了一种高精度的室内定位方法，可达到60％概率下优于1.4米的定位精度，并且在无法使用融合定位时，采用的蓝牙定位方法，也可以实现在60％概率下优于2米定位精度。

实施例二

本实施例公开了一种基于多源信息融合的室内定位装置，如图12所示，包括传感器模块、数据库模块和定位算法模块；

所述传感器模块包括加速度传感器、方向传感器、地磁传感器和蓝牙模块，用于给定位算法模块提供加速度信息、航向信息、地磁信息和蓝牙信息；

所述数据库模块包括蓝牙基站数据库和地磁数据库，用于为定位算法模块提供定位区域内蓝牙基站数据和地磁数据；

所述定位算法模块用于执行如实施例一所述的室内定位方法进行室内定位；

基于蓝牙模块采集的蓝牙基站信号和蓝牙基站数据库中的蓝牙基站数据进行蓝牙定位；

基于加速度传感器和方向传感器采集的加速度信息和航向信息进行行人航位推算得到当前运动轨迹；

通过判别当前运动轨迹是否符合多源信息合融合定位条件；不符合，则采用蓝牙定位结果作为室内定位结果；符合，则进行将蓝牙定位、行人航位推算和地磁匹配定位相结合的融合定位。

具体的定位方法的细节和效果与实施例一中的内容相同，在此不一一赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。