CN103353305A - 基于手机传感器的室内定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于手机传感器的室内定位方法，包括以下步骤：生成待定位室内的矢量地图；在矢量地图内设定定位参考点并确定定位参考点的位置坐标；计算待定位点与定位参考点的最短距离并根据定位参考点的位置坐标确定待定位点的位置坐标。此外，还提供了一种基于手机传感器的室内定位系统。上述基于手机传感器的室内定位方法及系统，基于手机内置的陀螺仪、方向传感器与加速度传感器对室内进行定位，定位精度较高，定位成本较低。

Description

基于手机传感器的室内定位方法及系统

技术领域

本发明涉及室内定位技术，特别是涉及一种基于手机传感器的室内定位方法及系统。

背景技术

随着人类发展，人们将在地表与地下拥有越来越多结构复杂的建筑及建筑群。在拥有了如此众多的建筑之后，室内定位就必不可少。目前，常用的室内定位方式有GPS定位、WiFi热点定位与RFID射频定位。上述定位方法中GPS定位简单方便，但是精确度无法达到室内的使用级别，WiFi热点定位和RFID射频定位则需要较高的成本，也不能达到普及要求。

发明内容

基于此，有必要针对传统的定位方式无法达到室内定位精度与定位成本较高的问题，提供一种室内定位精度较高且定位成本较低的基于手机传感器的室内定位方法及系统。

一种基于手机传感器的室内定位方法，包括以下步骤：

生成待定位室内的矢量地图；

在所述矢量地图内设定定位参考点并确定所述定位参考点的位置坐标；

计算待定位点与所述定位参考点的最短距离并根据所述定位参考点的位置坐标确定所述待定位点的位置坐标。

在其中一个实施例中，还包括修正定位参考点的位置坐标的步骤，具体包括如下：

用户在待定位室内设置至少一个二维码标签，所述二维码标签包含标签设置点的位置坐标；

用户手机扫描所述二维码标签的二维码，获取所述标签设置点的位置坐标并作为定位参考点。

一种基于手机传感器的室内定位系统，包括：

模型生成模块，用于生成待定位室内的矢量地图；

参考点设置模块，用于在所述矢量地图内设定定位参考点并确定所述定位参考点的位置坐标；以及

处理模块，用于计算待定位点与所述定位参考点的最短距离并根据所述定位参考点的位置坐标确定所述待定位点的位置坐标。

在其中一个实施例中，所述手机传感器包括陀螺仪传感器、方向传感器与加速度传感器。

上述基于手机传感器的室内定位方法及系统，基于手机内置的陀螺仪、方向传感器与加速度传感器对室内进行定位，定位精度较高，定位成本较低。

附图说明

图1为一个实施例的基于手机传感器的室内定位方法的流程图；

图2为一个实施例的基于手机传感器的室内定位系统的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，在一个实施例中，一种基于手机传感器的室内定位方法，包括以下步骤：

步骤S110，生成待定位室内的矢量地图。

空间坐标转换及模型简化：

(一)坐标转换原理

公式推导中存在如下两个坐标系。

1地理坐标系(n系)

地理坐标系以地球表面某点作为坐标系的原点O，坐标系中坐标轴的指向与实际建筑物有关，地理坐标系的原点为手机载体坐标系的原点在地球上的投影点（即与球心连线与标准球体表面的交点）。并且选用n系作为计算用的坐标系。在本研究中地理坐标系选取一般采用与手机地图方向一致的右手直角坐标系。

2载体坐标系(b系)

定义载体平面的横轴为x轴，纵轴为y轴，垂直于载体平面的轴为z轴，坐标系随载体运动，包括姿态旋转。

从室内定位本身的特点出发，运动本身只需要衡量二维平面内的点的移动。但是手机本身在三维空间中的姿态需要三个角度来描述。为此需要引入三个参数用于坐标装换，设定角H为b系中y轴指向在n系投影中与n系y轴方向的交角，取值范围为-180-180，向右为正向左为负（因为设备实际运作的时候是x轴指向前方，即横屏显示地图，所以该角度有默认的-90度）。手机面前后的旋转角P，向上为正向下为负，取值范围为-180到180。手机面左右的旋转角R向右为正，向左为负，取值范围为-180-180。b系转换到手机所在位置的地理坐标系n系的转换矩阵的为

由此可以得到如下的转换公式： $\left[\begin{array}{c}{x}^n\\ y^n\\ z^n\end{array}\right]=C_b^n\left[\begin{array}{c}{x}^b\\ y^b\\ z^b\end{array}\right]$

三维旋转可以分解为三个角度的分别旋转[11～13]：

1.绕着z轴旋转，则由此可以得到旋转矩阵如下

$Z=\begin{array}{}\end{array}\left(\begin{array}{ccc}\cos H& \sin H& 0\\ -\sin H& \cos H& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)$

2.沿x轴旋转的旋转矩阵

$X=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos p& \sin p\\ 0& -\sin p& \cos p\end{array}\right)$

3.沿y轴旋转得旋转矩阵

$y=\left(\begin{array}{ccc}\cos r& 0& -\sin r\\ 0& 1& 0\\ \sin r& 0& \cos r\end{array}\right)$

于是通过矩阵相乘变得到相应的转换矩阵

$C_b^n=y*x*z$

$\left(\begin{array}{ccc}\cos \left(H\right)\cos \left(r\right)-\sin \left(H\right)\sin \left(p\right)\sin \left(r\right)& \sin \left(H\right)\cos \left(r\right)+\cos \left(H\right)\sin \left(p\right)\sin \left(r\right)& -\cos \left(p\right)\sin \left(r\right)\\ -\sin \left(H\right)\cos \left(p\right)& \cos \left(H\right)\cos \left(p\right)& \sin \left(p\right)\\ \cos \left(H\right)\sin \left(r\right)+\sin \left(H\right)\cos \left(r\right)\sin \left(p\right)& \sin \left(H\right)\sin \left(r\right)-\cos \left(H\right)\cos \left(r\right)\sin \left(p\right)& \cos \left(p\right)\cos \left(r\right)\end{array}\right)$

通过该种方法得到的模型缺陷在于，每一次的旋转角都是基于上一次的坐标，所以该种方法运算量较大。为了得到更适合于室内定位的理论模型推导，进行了如下的简化。

(二)模型简化

由于室内模型不需要考虑z轴方向的运动，所以在假设使用者水平手持仪器的情况下，并与设备保持相对静止时，则只需要引入一个角度h便可实现坐标转换。

此时则可将模型转换如下形式：

$\left(\begin{array}{c}{X}_n\\ y_n\end{array}\right)=c_b^n\left(\begin{array}{c}{X}_b\\ y_b\end{array}\right)$

其中 $C_b^n=\left(\begin{array}{cc}\cos H& \sin H\\ -\sin H& \cos H\end{array}\right)$ 其优势在于不需要考虑坐标系多次转换的问题，使得问题的计算得到了简化。

在n系中的运动方程可表示为

$\frac{{\mathrm{dv}}^n}{\mathrm{dt}}=C_b^n{a}^b---\left(1\right)$

其中dvⁿ/dt代表在n系中的加速度，a^b为在b系中测得的加速度数据(即载体仪器所测得的加速度数据)在二维平面上的分量。

设加速度vⁿ在n系中的分量分别为v^x，v^y。加速度a^b在b系中的分量分别为a^x和a^y，则（1）式实际为两个关于v^x，v^y的一阶微分方程表示如下：

dv^x/dt=cosθa^x+sinθa^y                                             （2）

dv^y/dt=-sinθa^x+cosθa^y                                           （3）

其中加速度以及角度值均是以时间为自变量的函数，所以上述的2、3方程均是关于时间的常微分方程。当获取数据的时间间隔足够短时，在n系中速度的求解便可以通过对时间的积分获得。进而可通过进一步的积分获取物体在n系中x、y轴上的位移量，其中，假定初速度值为0。

从公式中可以看出需要与时间进行的映射的参数有b系相对于n系的旋转夹角H，以及在b系中任意时刻，加速度值在x、y的分量。

由于地图本身为矢量地图，不存在失真问题，所以可以通过对地图进行放大操作来获得物体动态定位过程中更精确的位置信息。而且矢量化地图的另一个优势表现在，地图中存在真正的空间关系。可通过点与多边形的位置关系进行定位修正。

步骤120，在矢量地图内设定定位参考点并确定定位参考点的位置坐标。即使在能够正确获得物体位移的情况下，也需要一个参考点才能确定物体后续运动过程中的点的坐标。用户可以在待定位室内设置至少一个二维码标签，二维码标签包含标签设置点的位置坐标；手机扫描二维码标签的二维码，获取标签设置点的位置坐标并作为定位参考点。定位时，可以选取距离最近的二维码标签进行扫描，以提高定位的精度，通过二维码标签的选择达到修正定位参考点的位置坐标的目的。

步骤130，计算待定位点与所述定位参考点的最短距离并根据所述定位参考点的位置坐标确定所述待定位点的位置坐标。

传统上的最短路径算法，原理是不断寻找与原点最近的节点的位置，再层层迭代，直到图内所有节点都涉及到。即该算法用于访问图内除原点外所有节点的最短路径,该算法的时间复杂度为0。因为建筑物内的节点较多且重复，用这些建筑节点作为最短路径节点会出现很大的冗余度。于是，我们基于迪杰斯特拉算法，编写了新的空间最短路径算法，用于建筑物内的最短路径导航。

该算法的基本思想就是删除冗余节点，以最少节点做图，使用迪杰斯特拉算法计算最短路径。这种算法能够适应多种结构的建筑物。

具体的实现算法有如下两种：

1单一结构建筑的空间最短路径算法

单一结构建筑建筑物的特点就是每层的结构相同，纵向的结构（即）或有不同。由于楼层结构相同，所以能够将终节点投影到初节点所在的楼层，制作出平面最短路径算法，再进行拉伸，得到空间最短路径。

1.1Xspaceshortpath算法

这种算法以平面位移最小为重的最短路径算法。将终点投影到初始点所在平面，形成平面最短路径X。找出纵向爬升最短的路径Y，X与Y相连接，形成空间最短路径算法。这种算法适用于纵向爬升不多的空间内。

1.2Yspaceshortpath算法

这种算法是以纵向位移最小为重的最短路径算法。先找出纵向爬升最短的路径，然后分别做起始面的起始点与爬升点的最短路径，终点面的终点与爬升点的最短路径。最后将3种最短路径连接，形成最后的空间最短路径。这种算法适用于平面移动不多的空间内。

1.3XYspaceshortpath算法

这种算法结合平面位移最小与纵向位移最小的最短路径算法，选出两者路径长度较小者，形成空间最短路径。

1.4Messspaceshortpath算法

这种算法是将空间相互连接，不舍弃点的最短路径算法。

各算法比较

时间复杂度最低的算法是Xspaceshortpath算法和Yspaceshortpath算法，缺点是所得解的稳定性较差。XYspaceshortpath算法是4种算法中最科学的算法，时间复杂度不高，所得解稳定，可靠。Messspaceshortpath算法最稳定，节点冗余度高，时间复杂度高。

2结构复杂建筑物的最短路径算法

对于结构复杂的建筑物，算法采用将相同结构的楼层合并，删除冗余点的方式，精减节点。在采用正常方式进行计算。

通过上述方式便可实现室内的路径指示，进而实现路径的导航。

此外，还提供了一种基于手机传感器的室内定位系统。

如图2所示，一种基于手机传感器的室内定位系统，包括：

模型生成模块110，用于生成待定位室内的矢量地图；

参考点设置模块120，用于在所述矢量地图内设定定位参考点并确定所述定位参考点的位置坐标；以及

处理模块130，用于计算待定位点与所述定位参考点的最短距离并根据所述定位参考点的位置坐标确定所述待定位点的位置坐标。手机传感器包括陀螺仪传感器、方向传感器与加速度传感器。

上述基于手机传感器的室内定位方法及系统，基于手机内置的陀螺仪、方向传感器与加速度传感器对室内进行定位，定位精度较高，定位成本较低。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种基于手机传感器的室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

生成待定位室内的矢量地图；

在所述矢量地图内设定定位参考点并确定所述定位参考点的位置坐标；

计算待定位点与所述定位参考点的最短距离并根据所述定位参考点的位置坐标确定所述待定位点的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的基于手机传感器的室内定位方法，其特征在于，还包括修正定位参考点的位置坐标的步骤，具体包括如下：

用户在待定位室内设置至少一个二维码标签，所述二维码标签包含标签设置点的位置坐标；

用户手机扫描所述二维码标签的二维码，获取所述标签设置点的位置坐标并作为定位参考点。

3.一种基于手机传感器的室内定位系统，其特征在于，包括：

模型生成模块，用于生成待定位室内的矢量地图；

参考点设置模块，用于在所述矢量地图内设定定位参考点并确定所述定位参考点的位置坐标；以及

处理模块，用于计算待定位点与所述定位参考点的最短距离并根据所述定位参考点的位置坐标确定所述待定位点的位置坐标。

4.根据权利要求3所述的基于手机传感器的室内定位系统，其特征在于，所述手机传感器包括陀螺仪传感器、方向传感器与加速度传感器。

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