CN107036597A - 一种基于智能手机内置惯性传感器的室内定位导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能手机内置惯性传感器的室内定位导航方法，包括以下步骤：步骤一、记录接收到的精确的GPS定位信号，以精确的GPS定位信号作为定位的初始位置；步骤二、在GPS信号减弱甚至消失后，利用手机自带的传感器实时记录人行进的路程和方向，以此计算人在水平面的位移；步骤三、根据步骤二中本时刻的计算结果和上一时刻的位置信息，获得当前位置信息，再根据每2s的位置信息描绘出行走路线。本发明相对于其他室内导航方案来说，只需要一部智能手机，而不需要依赖外部设备，具有精度高，成本低、易于实现的优点。

Description

一种基于智能手机内置惯性传感器的室内定位导航方法

技术领域

本发明涉及手机室内导航领域，具体涉及一种基于智能手机内置惯性传感器的室内定位导航方法。

背景技术

随着经济的发展，展会、商场、停车场、风景区、博物馆等场所规模越来越大，几十万甚至几百万平方公里的场所比比皆是。在这样的大型场所里有时寻找具体的某个商户或者位置就较为困难，于是诞生了室内导航。室内导航让置身于大型百货商场等场所里的消费者，即使在建筑物内，仍能利用精确的定位功能确定自己的位置并找到想去的地方，可以使用室内导航轻松找到一些大型建筑的指定场所，如停车位，ATM和指定商家等。

目前现有的定位技术有以下几种：

1、Wi-Fi定位技术，通过无线接入点(包括无线路由器)组成的无线局域网(WLAN)，可以实现复杂环境中的定位、监测和追踪任务。它以网络节点(无线接入点)的位置信息为基础和前提，采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，对已接入的移动设备进行位置定位，最高精确度大约在1米至20米之间。如果定位测算仅基于当前连接的Wi-Fi接入点，而不是参照周边Wi-Fi的信号强度合成图，则Wi-Fi定位就很容易存在误差(例如：定位楼层错误)。另外，Wi-Fi接入点通常都只能覆盖半径90米左右的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高。

2、蓝牙定位技术，蓝牙通讯是一种短距离低功耗的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点后，将网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微网络的主设备。这样通过检测信号强度就可以获得用户的位置信息。蓝牙定位主要应用于小范围定位，例如：单层大厅或仓库。对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备，只要设备的蓝牙功能开启，蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。不过，对于复杂的空间环境，蓝牙定位系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。

3、红外线定位技术，红外线是一种波长间于无线电波和可见光波之间的电磁波。典型的红外线室内定位系统Active badges使待测物体附上一个电子标识，该标识通过红外发射机向室内固定放置的红外接收机周期发送该待测物唯一ID，接收机再通过有线网络将数据传输给数据库，具有相对较高的室内定位精度。但是，由于光线不能穿过障碍物，使得红外射线仅能视距传播，容易受其他灯光干扰，并且红外线的传输距离较短，使其室内定位的效果很差。

4、超宽带定位技术，超宽带技术是近年来新兴的一项无线技术，目前，包括美国、日本、加拿大等在内的国家都在研究这项技术，在无线室内定位领域具有良好的前景。UWB技术是一种传输速率高(最高可达1000Mbps以上)，发射功率较低，穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术，无载波，正是这些优点，使它在室内定位领域得到了较为精确的结果。但UWB难以实现大范围室内覆盖，且手机不支持UWB，定位成本非常高。

为了解决这些问题并更好地把室内导航广泛地应用于生活，本发明将智能手机内置惯性传感器用于导航与定位方面，提出了一种基于智能手机内置惯性传感器的室内定位导航方法，这是对GPS信号极弱时定位算法的一种创新，携带方便、精度较高且成本与功耗低，具有很强的现实意义和应用前景。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供了一种基于智能手机内置惯性传感器的室内定位导航方法，该方法能够在GPS信号极其微弱的室内环境中进行路线描绘，通过实时步长、步频计算和方向数据，积分得出人在室内的行走路线，从而达到室内导航的目的。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种基于智能手机内置惯性传感器的室内定位导航方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、记录接收到的精确的GPS定位信号，以精确的GPS定位信号作为定位的初始位置；

步骤二、在GPS信号减弱甚至消失后，利用手机自带的传感器实时记录人行进的路程和方向，以此计算人在水平面的位移；

步骤三、根据步骤二中本时刻的计算结果和上一时刻的位置信息，获得当前位置信息，再根据每2s的位置信息描绘出行走路线。

进一步地，步骤二中，所述人行进的路程是利用脚步探测算法通过对加速度的变化情况进行分析来判断人行走的的情况而得出的，具体包括两个部分：

第一部分、步数的计算，具体步骤为：

1、计算每一个采样点的三轴加速度向量的合加速度，公式如下：

其中，a_i表示第i个采样点的合加速度，表示第i个采样点分别在手机坐标系的x、y、z轴的加速度；

2、计算每一个采样点的合加速度局部方差，公式如下：

其中，表示第i个采样点的合加速度局部方差，ω表示平均窗口的大小，表示平均局部加速度，a_j表示第j个采样点的合加速度；

3、对合加速度局部方差进行滑动平均滤波，即每有一个采样点，就使其合加速度局部方差与前两个采样点的数值做算术平均，判断平滑后的合加速度局部方差是否大于设定的阈值，如果大于设定的阈值，令判定条件C＝1，否则，令判定条件C＝0，公式如下：

4、根据判定条件C的情况，判断行人是否走了一步，如果第i个采样点的判定条件C_i＝1，并且第i+1个采样点的判定条件C_i+1＝1，将判定条件中连续出现的1的次数加1；如果第i个采样点的判定条件C_i＝0，并且第i+1个采样点的判定条件C_i+1＝0，将判定条件中连续出现的0的次数加1；如果C_i≠C_j，而且连续出现1和连续出现0的次数均大于设定的次数阈值，则探测到行人行走一步，将步数数值加1并将连续出现1和连续出现0的次数清零，从步骤1继续循环；

第二部分、步长的计算，在获得用户的身高、体重和步频后，通过如下的估算实时步长的模型来计算步长X：

X＝0.004292*h+0.000641*w+0.000334*f+0.000181

其中，h为用户的身高，单位为cm，w为用户的体重，单位为Kg，f为用户的步频，单位为步/秒，每隔一段时间采集加速度数据根据第一部分计算步数的方法计算出步频，代入模型后得到用户的实时步长，并积分得到人行进的路程。

进一步地，步骤二中，所述采样点的三轴加速度向量是通过智能手机内自带的加速度传感器采集的。

进一步地，步骤二中，所述人行进的方向采用陀螺仪和电子罗盘交替使用的方法来计算，当判断当前的运动方向处于改变状态时，将陀螺仪积分得到的运动航向作为当前航迹推算的航向角；当判断当前的运动方向处于稳定或较小变化状态时，则将电子罗盘的运动航向作为当前航迹推算的航向角。

进一步地，步骤二中，对于运动方向变化的情况通过陀螺仪的短时间积分来判断，并设置一定的阈值，若当前短时间积分大于该阈值，则判断运动方向处于变化状态，若当前短时间积分小于该阈值，则判断运动方向处于稳定或者较小变化状态。

进一步地，步骤二中，对于陀螺仪积分得到运动航向的计算，由于陀螺仪积分只能求运动航向的改变角度值，但在航迹推算算法中，需要的是运动的绝对航向角，即与正北方向夹角，所以陀螺仪积分的初始航向由电子罗盘的初始稳定航向来提供，然后陀螺仪积分得到的航向改变值加上初始航向得到陀螺仪积分航向；在陀螺仪角速度积分计算运动航向改变值过程中，由于人体的运动过程中身体的周期摆动也会造成角速度的周期变化，即走直线时角速度也是周期晃动的，所以在积分算法中设置一个角速度阈值，只有当角速度大于所设置的阈值时才判断为运动方向发生了改变，并对该段时间的角速度进行积分获得运动方向的改变值，对整个运动过程的方向改变值累加得到每个时刻运动方向相对于初始航向的改变值，从而再加上初始航向角得到运动过程中陀螺仪积分实时航向角；同样电子罗盘也会受人行走时的身体摆动影响，对于电子罗盘航向角也通过平滑滤波对其做相应的处理，即取最新采样点及前两个采样点的中值定为采样点数值。

进一步地，步骤二中，所述人行进方向的测量采用的是智能手机自带的陀螺仪和电子罗盘。

进一步地，步骤三中，所述当前位置信息的计算公式为：

E₀和N₀分别为初始位置的东向坐标和北向坐标，SL_k和分别为第k步计算得到的步长和人行进的方向，E_k-1和N_k-1为行走第k步前的东向坐标和北向坐标，E_k和N_k为完成第k步后的东向坐标和北向坐标。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明通过采用了实时估计步长的方案，该方案通过步数、步长、行进方向三种参数共同计算实时步长，从而达到了计算步长精确实时的效果。

2、本发明采用了基于手机内置传感器的技术方案，该方案通过手机内部的加速度传感器，陀螺仪，电子罗盘等器件的数据计算，从而达到了无需架设更多设施，节省人力和成本，使得系统更易应用，应用范围更广的效果。

3、本发明仅基于用户的智能手机，只使用手机内部的传感器，从而达到了用户易于使用，无需连接WIFI和蓝牙，只要拥有符合条件的手机打开app即可使用的效果。

4、本发明采用了电子罗盘和陀螺仪融合的方向计算方案，该方案通过在不同情况下自动选择使用电子罗盘和陀螺仪的手段，从而达到了方向计算精确智能的效果。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于智能手机内置惯性传感器的室内定位导航方法的流程图。

图2为本发明实施例一种基于智能手机内置惯性传感器的室内定位导航方法中采样点的三轴加速度的变化图。

图3为本发明实施例一种基于智能手机内置惯性传感器的室内定位导航方法中采样点的合加速度变化图及步数检测示意图。

图4为本发明实施例一种基于智能手机内置惯性传感器的室内定位导航方法描绘出来的行走路线和实际路线的对比图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

如图1所示，本实施例提供了一种基于智能手机内置惯性传感器的室内定位导航方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、记录接收到的精确的GPS定位信号，以精确的GPS定位信号作为定位的初始位置；

步骤二、在GPS信号减弱甚至消失后，利用手机自带的传感器实时记录人行进的路程和方向，以此计算人在水平面的位移；

本步骤中，所述人行进的路程是利用脚步探测算法通过对加速度的变化情况进行分析来判断人行走的的情况而得出的，具体包括两个部分：

第一部分、步数的计算，具体步骤为：

1、计算每一个采样点的三轴加速度向量的合加速度(所述采样点的三轴加速度向量是通过智能手机内自带的加速度传感器采集的)，公式如下：

其中，a_i表示第i个采样点的合加速度，表示第i个采样点分别在手机坐标系的x、y、z轴的加速度，本实施例的采样点的三轴加速度的变化图如图2所示；

2、计算每一个采样点的合加速度局部方差，用于去除重力影响、消除加速度噪声以及突出行走行为，公式如下：

其中，表示第i个采样点的合加速度局部方差，ω表示平均窗口的大小，表示平均局部加速度，a_j表示第j个采样点的合加速度；

3、对合加速度局部方差进行滑动平均滤波，即每有一个采样点，就使其合加速度局部方差与前两个采样点的数值做算术平均，判断平滑后的合加速度局部方差是否大于设定的阈值，如果大于设定的阈值，令判定条件C＝1，否则，令判定条件C＝0，公式如下：

4、根据判定条件C的情况，判断行人是否走了一步，如果第i个采样点的判定条件C_i＝1，并且第i+1个采样点的判定条件C_i+1＝1，将判定条件中连续出现的1的次数加1；如果第i个采样点的判定条件C_i＝0，并且第i+1个采样点的判定条件C_i+1＝0，将判定条件中连续出现的0的次数加1；如果C_i≠C_j，而且连续出现1和连续出现0的次数均大于设定的次数阈值，则探测到行人行走一步，将步数数值加1并将连续出现1和连续出现0的次数清零，从步骤1继续循环，本实施例的采样点的合加速度变化图及步数检测示意图如图3所示；

第二部分、步长的计算，在获得用户的身高、体重和步频后，通过如下的估算实时步长的模型来计算步长X：

X＝0.004292*h+0.000641*w+0.000334*f+0.000182

其中，h为用户的身高，单位为cm，w为用户的体重，单位为Kg，f为用户的步频，单位为步/秒，每隔一段时间采集加速度数据根据第一部分计算步数的方法计算出步频，代入模型后得到用户的实时步长，并积分得到人行进的路程。

本步骤中，所述人行进的方向采用智能手机自带的陀螺仪和电子罗盘交替使用的方法来计算，当判断当前的运动方向处于改变状态时，将陀螺仪积分得到的运动航向作为当前航迹推算的航向角；当判断当前的运动方向处于稳定或较小变化状态时，则将电子罗盘的运动航向作为当前航迹推算的航向角。对于运动方向变化的情况通过陀螺仪的短时间积分来判断，并设置一定的阈值，若当前短时间积分大于该阈值，则判断运动方向处于变化状态，若当前短时间积分小于该阈值，则判断运动方向处于稳定或者较小变化状态。进一步地，对于陀螺仪积分得到运动航向的计算，由于陀螺仪积分只能求运动航向的改变角度值，但在航迹推算算法中，需要的是运动的绝对航向角，即与正北方向夹角，所以陀螺仪积分的初始航向由电子罗盘的初始稳定航向来提供，然后陀螺仪积分得到的航向改变值加上初始航向得到陀螺仪积分航向；在陀螺仪角速度积分计算运动航向改变值过程中，由于人体的运动过程中身体的周期摆动也会造成角速度的周期变化，即走直线时角速度也是周期晃动的，所以在积分算法中设置一个角速度阈值，只有当角速度大于所设置的阈值时才判断为运动方向发生了改变，并对该段时间的角速度进行积分获得运动方向的改变值，对整个运动过程的方向改变值累加得到每个时刻运动方向相对于初始航向的改变值，从而再加上初始航向角得到运动过程中陀螺仪积分实时航向角；同样电子罗盘也会受人行走时的身体摆动影响，对于电子罗盘航向角也通过平滑滤波对其做相应的处理，即取最新采样点及前两个采样点的中值定为采样点数值。

步骤三、根据步骤二中本时刻的计算结果和上一时刻的位置信息，获得当前位置信息，再根据每2s的位置信息描绘出行走路线，本实施例描绘出的行走路线如图4所示，实线代表按照本发明的技术方案描绘出来的行走路线，虚线代表实际路线。

本步骤中，所述当前位置信息的计算公式为：

E₀和N₀分别为初始位置的东向坐标和北向坐标，SL_k和分别为第k步计算得到的步长和人行进的方向，E_k-1和N_k-1为行走第k步前的东向坐标和北向坐标，E_k和N_k为完成第k步后的东向坐标和北向坐标。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利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专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于智能手机内置惯性传感器的室内定位导航方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一、记录接收到的精确的GPS定位信号，以精确的GPS定位信号作为定位的初始位置；

步骤二、在GPS信号减弱甚至消失后，利用手机自带的传感器实时记录人行进的路程和方向，以此计算人在水平面的位移；

步骤三、根据步骤二中本时刻的计算结果和上一时刻的位置信息，获得当前位置信息，再根据每2s的位置信息描绘出行走路线。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能手机内置惯性传感器的室内定位导航方法，其特征在于：步骤二中，所述人行进的路程是利用脚步探测算法通过对加速度的变化情况进行分析来判断人行走的的情况而得出的，具体包括两个部分：

第一部分、步数的计算，具体步骤为：

1、计算每一个采样点的三轴加速度向量的合加速度，公式如下：

其中，a_i表示第i个采样点的合加速度，表示第i个采样点分别在手机坐标系的x、y、z轴的加速度；

2、计算每一个采样点的合加速度局部方差，公式如下：

其中，表示第i个采样点的合加速度局部方差，ω表示平均窗口的大小，表示平均局部加速度，a_j表示第j个采样点的合加速度；

3、对合加速度局部方差进行滑动平均滤波，即每有一个采样点，就使其合加速度局部方差与前两个采样点的数值做算术平均，判断平滑后的合加速度局部方差是否大于设定的阈值，如果大于设定的阈值，令判定条件C＝1，否则，令判定条件C＝0，公式如下：

4、根据判定条件C的情况，判断行人是否走了一步，如果第i个采样点的判定条件C_i＝1，并且第i+1个采样点的判定条件C_i+1＝1，将判定条件中连续出现的1的次数加1；如果第i个采样点的判定条件C_i＝0，并且第i+1个采样点的判定条件C_i+1＝0，将判定条件中连续出现的0的次数加1；如果C_i≠C_j，而且连续出现1和连续出现0的次数均大于设定的次数阈值，则探测到行人行走一步，将步数数值加1并将连续出现1和连续出现0的次数清零，从步骤1继续循环；

第二部分、步长的计算，在获得用户的身高、体重和步频后，通过如下的估算实时步长的模型来计算步长X：

X＝0.004292*h+0.000641*w+0.000334*f+0.000181

其中，h为用户的身高，单位为cm，w为用户的体重，单位为Kg，f为用户的步频，单位为步/秒，每隔一段时间采集加速度数据根据第一部分计算步数的方法计算出步频，代入模型后得到用户的实时步长，并积分得到人行进的路程。

3.根据权利要求2所述的一种基于智能手机内置惯性传感器的室内定位导航方法，其特征在于：步骤二中，所述采样点的三轴加速度向量是通过智能手机内自带的加速度传感器采集的。

4.根据权利要求1所述的一种基于智能手机内置惯性传感器的室内定位导航方法，其特征在于：步骤二中，所述人行进的方向采用陀螺仪和电子罗盘交替使用的方法来计算，当判断当前的运动方向处于改变状态时，将陀螺仪积分得到的运动航向作为当前航迹推算的航向角；当判断当前的运动方向处于稳定或较小变化状态时，则将电子罗盘的运动航向作为当前航迹推算的航向角。

5.根据权利要求4所述的一种基于智能手机内置惯性传感器的室内定位导航方法，其特征在于：步骤二中，对于运动方向变化的情况通过陀螺仪的短时间积分来判断，并设置一定的阈值，若当前短时间积分大于该阈值，则判断运动方向处于变化状态，若当前短时间积分小于该阈值，则判断运动方向处于稳定或者较小变化状态。

6.根据权利要求4或5所述的一种基于智能手机内置惯性传感器的室内定位导航方法，其特征在于：步骤二中，对于陀螺仪积分得到运动航向的计算，由于陀螺仪积分只能求运动航向的改变角度值，但在航迹推算算法中，需要的是运动的绝对航向角，即与正北方向夹角，所以陀螺仪积分的初始航向由电子罗盘的初始稳定航向来提供，然后陀螺仪积分得到的航向改变值加上初始航向得到陀螺仪积分航向；在陀螺仪角速度积分计算运动航向改变值过程中，由于人体的运动过程中身体的周期摆动也会造成角速度的周期变化，即走直线时角速度也是周期晃动的，所以在积分算法中设置一个角速度阈值，只有当角速度大于所设置的阈值时才判断为运动方向发生了改变，并对该段时间的角速度进行积分获得运动方向的改变值，对整个运动过程的方向改变值累加得到每个时刻运动方向相对于初始航向的改变值，从而再加上初始航向角得到运动过程中陀螺仪积分实时航向角；同样电子罗盘也会受人行走时的身体摆动影响，对于电子罗盘航向角也通过平滑滤波对其做相应的处理，即取最新采样点及前两个采样点的中值定为采样点数值。

7.根据权利要求1所述的一种基于智能手机内置惯性传感器的室内定位导航方法，其特征在于：步骤二中，所述人行进方向的测量采用的是智能手机自带的陀螺仪和电子罗盘。

8.根据权利要求1所述的一种基于智能手机内置惯性传感器的室内定位导航方法，其特征在于：步骤三中，所述当前位置信息的计算公式为：

E₀和N₀分别为初始位置的东向坐标和北向坐标，SL_k和分别为第k步计算得到的步长和人行进的方向，E_k-1和N_k-1为行走第k步前的东向坐标和北向坐标，E_k和N_k为完成第k步后的东向坐标和北向坐标。