CN104569909A - 一种室内的定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种室内的定位系统，每栋高楼大厦进行数字化处理，楼层室内均创建一个三维模型视图，构成数字化模型，在每层楼梯门口设RFID标签，将RFID标签的ID号和其楼层及其位置存入数据库系统；包括：RFID标签，用于定位起始点并激活移动终端开始采集数据；多台移动终端，用于采集室内的环境信息和处于室内的准确位置并将室内信息传输给后台服务器，对输入音频信息进行编解码输出给服务器，对接收的音频信息进行编解码播报出来；后台服务器，用于接收移动终端发送的数据，将接收的数据进行整合，在服务器上利用三维软件将整栋大楼的数字化模型显示，将整合的数据映射进数字化模型内。本系统结构简单、使用方便、精度高。

Description

一种室内的定位系统及方法

技术领域

本发明属于数字通信领域，尤其涉及一种室内的定位系统及方法。

背景技术

随着移动终端、网络通信的发展和普及，室内应急指挥如消防、公安应急指挥将会越来越数字化、智能化。对于消防总指挥，他需要清楚知道每个消防人员的位置，合理部署各区域的消防人力，同时当消防人员遇到危险时，能够迅速定位并实施救援；对于公安，有着和消防类似的处境。这些现场应急指挥都有着同样的需求，一个合理、高效的应急指挥系统将能够方便地完成这些需求。

现在的应急指挥系统多数是有缺陷的，这些系统仅仅解决了基本的通信问题。一般在应急现场环境都会有应急通信车，这个可以承载救援人员和指挥中心之间的语音和视频通信。语音通信可以方便沟通，视频传输则可以让指挥中心看到现场的环境，从全局出发做出正确的决策。但是，类似这类系统仍存在一定的缺陷，各个应急人员可以将现场的环境形势通过视频传输到控制台，控制台可以看到各个回传的现场环境，但是这些回传的视频流都是独立开的，控制中心很难把握一个全局的情况。比如，无法清楚知道在某一区域，救援人力的部署情况，从而对人力做出合理的调度安排。当某处的救援人员发生生命危险，无法通过语音和后台进行沟通时，仅仅通过回传的视频只能获得现场的局部环境，而根本不知现场危险人员的确切位置。

现在的手持终端集成的功能越来越强大，除了具备传统的通信模块外，摄像头、各种传感器(如陀螺仪、加速度传感器)，标签扫描(如RFID、NFC标签)等功能越来越丰富。完全可以将这些功能模块结合起来，形成一个实用的应急救灾解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种室内的定位系统，旨在解决上述的技术问题。

本发明是这样实现的，一种室内的定位系统，首先将每栋高楼大厦进行数字化处理，将大楼每层室内均创建一个三维空间视图，形成一栋大楼的数字化模型，在每层楼的楼梯门口设置一个RFID标签，将该RFID标签的ID号和其楼层及其位置存入数据库系统；该定位系统包括：

RFID标签，用于定位起始点并激活移动终端开始采集数据；

多台移动终端，用于采集室内的环境信息和处于室内的准确位置并将室内信息传输给后台服务器，对输入音频信息进行编解码输出给服务器，对接收的音频信息进行编解码播报出来；

后台服务器，用于接收移动终端发送的数据，将接收的数据进行整合，在服务器上利用三维软件将整栋大楼的数字化模型显示，将整合的数据映射进数字化模型内。

本发明的进一步技术方案是：所述移动终端包括中央处理器、存储模块、数据通信模块、陀螺仪传感器、加速度传感器、音频编解码模块、喇叭、语音输入模块、摄像头、感应探头及供电模块，所述中央处理器双向通信分别连接所述数据通信模块、存储模块及音频解编码模块，所述中央处理器的输入端分别连接所述加速度传感器、陀螺仪传感器、摄像头及感应探头的输出端，所述音频编解码模块的输出端连接所述喇叭输入端，所述音频编解码模块的输入端连接所述语音输入模块的输出端，所述供电模块分别电性连接所述中央处理器、存储模块、数据通信模块、陀螺仪传感器、加速度传感器、音频编解码模块、喇叭、语音输入模块、摄像头及感应探头。

本发明的进一步技术方案是：所述数据通信模块包括WIFI单元及移动数据网路单元。

本发明的进一步技术方案是：所述移动数据通信单元采用GPRS通信或3G通信或4G通信。

本发明的进一步技术方案是：所述加速度传感器采用的是双轴的加速度传感器。

本发明的进一步技术方案是：所述陀螺仪传感器采用的是一轴的陀螺仪传感器。

本发明的另一目的在于提供一种基于权利要求1-7所述的定位系统的室内的定位方法，该定位方法包括以下步骤：

A、移动终端经过楼梯门口读取到RFID标签信息开启位置跟踪服务并将位置信息实时上传到后台服务器；

B、服务器接收到RFID标签信息去匹配大楼数据库查找对应该RFID标签所处楼层和位置；

C、确定移动终端在此楼层的位置开启该楼层的三维模型视图并启动移动终端上的惯性导航；

D、根据惯性导航获取移动终端在该楼层室内的确切位置；

E、将所有位置信息数据导入楼层室内三维模型视图中显示当前移动终端的整体布局；

F、循环执行步骤C-E实时显示现场移动终端的移动轨迹及位置分布状况。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤A还包括以下步骤：

A1、判断读取到的RFID标签是否为合法的标签；如是，则执行步骤A2；如否，则对本次读取RFID标签不做处理；

A2、启动移动终端的陀螺仪传感器和加速度传感器获取当前移动终端的朝向和各个方向的加速度。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤C中还包括以下步骤：

C1、每隔一段时间间隔t获取传感器采集到的移动终端在x和y方向的加速度及角速度ω；

C2、将移动终端采集到的数据和移动终端的ID传输给后台服务器；

C3、根据移动终端发送的数据计算出移动终端的真实位置。

本发明的有益效果是：通过将三维视图与移动终端的位置坐标结合，使得定位视图准确、快速在室内实现定位，可以结合终端的摄像头拍摄掌握室内移动终端的部署情况；本定位系统结构简单、使用方便、准确度高，可操作性强。

附图说明

图1是本发明实施例提供的室内的定位系统的结构框图；

图2是本发明实施例提供的移动终端的接口框图；

图3是本发明实施例提供的室内的定位方法的流程图

图4是本发明实施例提供的现实坐标系xy和移动终端坐标系x′y′的一个角度偏差图。

具体实施方式

附图标记：1-RFID标签 2-移动终端 3-后台服务器 201-中央处理器 202-音频编解码模块 203-数据通信模块 204-陀螺仪传感器 205-加速度传感器 206-存储模块 207感应探头 208-摄像头 209-语音输入模块 210-喇叭 211-供电模块。

图1-2示出了本发明提供的室内的定位系统，首先将每栋高楼大厦进行数字化处理，将大楼每层室内均创建一个三维空间视图，形成一栋大楼的数字化模型，在每层楼的楼梯门口设置一个RFID标签，将该RFID标签的ID号和其楼层及其位置存入数据库系统；该定位系统包括：

RFID标签，用于定位起始点并激活移动终端开始采集数据；

多台移动终端，用于采集室内的环境信息和处于室内的准确位置并将室内信息传输给后台服务器，对输入音频信息进行编解码输出给服务器，对接收的音频信息进行编解码播报出来；

后台服务器，用于接收移动终端发送的数据，将接收的数据进行整合，在服务器上利用三维软件将整栋大楼的数字化模型显示，将整合的数据映射进数字化模型内。

按照本发明提及定位系统，需要要求每栋高楼大厦首先数字化，为了实现定位，可以在高楼每层的楼梯口设有一个RFID标签，将该RFID标签的ID号和所处的楼层及其位置存入数据库系统；同时又为了后台模拟现场环境的方便，需要提供大楼每层室内的一个三维空间视图，这个在初期的数字化建设中可以不作为必须条件。这样一个大楼数字化模型就具备了简单的室内定位基础。

由于主要应用于应急救援，一般这种环境下都需要即时切换电源，这样现场的有源设备将无法正常工作。所以RFID标签最好做成无源，无源标签的有效通信距离一般不超过2米，在应急情况下，楼梯出口会是一个必经通道，因此将标签放置于此，会是一个很好的选择，每个人员都会先经过此开始进行定位。应用本发明，只需在每层的每个楼梯口安置此标签，而无需在室内的各个角落都安装，剩下的定位就交由移动终端来完成。

所述移动终端包括中央处理器、存储模块、数据通信模块、陀螺仪传感器、加速度传感器、音频编解码模块、喇叭、语音输入模块、摄像头、感应探头及供电模块，所述中央处理器双向通信分别连接所述数据通信模块、存储模块及音频解编码模块，所述中央处理器的输入端分别连接所述加速度传感器、陀螺仪传感器、摄像头及感应探头的输出端，所述音频编解码模块的输出端连接所述喇叭输入端，所述音频编解码模块的输入端连接所述语音输入模块的输出端，所述供电模块分别电性连接所述中央处理器、存储模块、数据通信模块、陀螺仪传感器、加速度传感器、音频编解码模块、喇叭、语音输入模块、摄像头及感应探头。

所述数据通信模块包括WIFI单元及移动数据网路单元。

所述移动数据通信单元采用GPRS通信或3G通信或4G通信。

所述加速度传感器采用的是双轴的加速度传感器。

所述陀螺仪传感器采用的是一轴的陀螺仪传感器。

移动终端至少需要配置两轴的加速度传感器和一轴的陀螺仪传感器。由于定位都在同一水平面进行，只要确定水平面的具体位置即可，无需关心垂直方向的位移，因此两轴的加速度传感器即可满足要求，移动终端获取的两轴加速度a_x′和a_y′，是相对移动终端本身的坐标系来的，而在实际作业过程中，这个坐标系随时可能发生变化。因为当救援人员携带此移动终端行走时随时可能有转弯或者转向，例如要到达某个目的地点，可以通过正面行走过去，亦可侧面行走过去，这两种过程对于移动终端来说，其坐标系是不一致的。为了清楚知道作业人员行进的朝向或者方位，移动终端还需配置至少一轴的陀螺仪。从而能够获取移动终端的真实移动距离，对移动终端做出定位。

如图4所示，为现实坐标系与移动终端坐标系的一个角度偏差图，现实坐标系是固定的，水平向右为x方向，垂直向上为y方向。但是手机是固定在救援人员身上，是可以在水平方向进行360度转向的，这样其坐标和现实坐标系有一个角度θ的偏差。

通过移动终端可以获取到的参数包括转动角速度ω以及加速度a_x′和a_y′。可以调整初始状态，让现实坐标系和移动坐标系能够吻合，那么过了时刻t后，现实坐标系和终端坐标系相差的角度θ为：

公式一：

$\mathrm{\θ}={\∫}_0^t\mathrm{\ω}\left(t\right)\mathrm{dt}.$

设备从加速度传感器获取到的数据a_x′和a_y′转换到现实坐标系的a_x和a_y如下(a_x′、a_y′、a_x和a_y都是时间t的函数，即都是不断变化的)：

公式二：

a_y(t)＝a_y′(t)cosθ-a_x′(t)sinθ；

a_x(t)＝a_x′(t)cosθ+a_y′(t)sinθ。

假定初速度为0，即最开始进入标签感应区域时，移动终端静止，则可以由上面的加速度计算出移动终端，亦即救援人员在水平和垂直方向的位移，从而计算出总体位移，如下：

公式三：

$S_x\left(t\right)={\∫}_0^t{v}_x\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_0^t{\∫}_0^t{a}_x\left(t\right)\mathrm{dtdt};$

$S_y\left(t\right)={\∫}_0^t{v}_y\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_0^t{\∫}_0^t{a}_y\left(t\right)\mathrm{dtdt};$

$S\left(t\right)=\sqrt{S_x{\left(t\right)}^2+S_y{\left(t\right)}^2}.$

能够从全局了解各救援人员的位置分布，根据现场的突发情况，可以迅速地做出更具合理的分配部署；指挥中心可以帮助现场救援人员更方便地规范最优路线。当救援人员接到任务安排要到达某位置时，指挥中心可以根据当前救援人员的位置和所处的朝向，直接语音指挥其往哪个方向行进，告诉救援人员目标所处的大概距离；由于可以获取各救援人员的移动轨迹，能够更加清晰地掌握现场救援人员的作业情况，更好地做好论功行赏。

图3示出了本发明提供的基于室内的定位系统的定位方法的流程图，其详述如下：首先将每栋高楼大厦进行数字化处理，将大楼每层室内均创建一个三维空间视图，形成一栋大楼的数字化模型，在每层楼的楼梯门口设置一个RFID标签，将该RFID标签的ID号和其楼层及其位置存入数据库系统；

步骤S1，当应急救援开始时，在救援人员的身上都配备有上述的移动终端，当救援人员通过楼梯门口进到室内，移动终端带有的感应探头，能够读到楼梯门口相应的标签信息，则开始进行位置跟踪服务，并将此位置信息实时上传到后台；在此过程中还包括：当移动终端读到标签信息后，移动终端会判断读取到的RFID标签是否为合法的标签；如果读取到的是合法标签，则执行后面的步骤，如果读取到的是不合法标签，则对本次读取的RFID标签不做任何处理；在确认读取到的RFID标签信息为合法信息后，移动终端自动启动自身配备的陀螺仪传感器和加速度传感器，并且从陀螺仪传感器上获取当前移动终端的朝向，从加速度传感器上湖区移动终端在各个方向的加速度，将子两种传感器获取的数据信息经过中央处理器简单的处理后，推送给数据通信模块传输给后台服务器，同时将识别到的标签信息和该移动终端标识的ID一并也上传给后台服务器。

步骤S2，在后台服务器接收到来自移动终端发送的标签信息时，会去匹配该大楼的数据库查找对应该RFID标签所处楼层和位置信息，将查找到的楼层信息直接在数据库中调出。

步骤S3，调出该楼层的信息后，确定救援人员携带的移动终端在此楼层的位置，如果有该楼层的三维模型视图，则启动三维模型视图，在将三维模型视图准备好，启动移动终端上的惯性导航装置；在启用惯性导航后每隔一段很小的时间间隔t，获取救援人员携带的移动终端收集到的传感器数据，其中传感器数据包括加速度传感器采集到的x和y方向的加速度，以及陀螺仪传感器获取的角速度ω；将移动终端采集到的数据和移动终端的标示，通过数据通信模块传输给远程的后台服务器，供指挥中心布局整个救援的布置参考，在后台服务器接收到移动终端发送过来的数据后，可以计算出对应的移动终端的真实位置坐标；此计算过程可以在移动终端完成，也可以在后台服务中心完成，主要依赖于服务器和手持终端的性能。若手持终端具备一定的处理性能，同时电池续航时间足够，则完全可以在移动终端中计算出自己的真实位置坐标，然后直接将此位置坐标传送给后台服务器。

步骤S4，根据惯性导航获取的移动终端在室内的位置坐标，后台服务器上可以获取到所有的移动终端在室内的确切位置，也就是救援人员的所在位置。

步骤S5，将所有的移动终端的位置信息导入到已有的楼层室内三维模型视图中，可以在此视图中显示当前移动终端的整体布局。指挥中的人员可以根据当前布局做出合理的调整。

步骤S6，循环执行步骤S3-S5实时显示现场移动终端的移动轨迹及位置分布状况。同时，现有的现场应急指挥系统虽然都可以实时通过移动终端的摄像头获取现场的情况，但是依旧存在着缺陷。因为这些回传的视频都是一维空间的，指挥中心很难把握现场的局势，比如离目标位置有多远。为了更好地起到应急救灾的作用，移动终端同侧可以配置至少两个摄像头，这样就可以获取现场的三维视图，能够知道某两个点之间的距离，更全面了解现场的局势，结合前面的是惯性导航技术，将更完美地指导现场作业。

所有的楼层建筑都必须数字化，在每个应急出入口都安有RFID无源标签；每个标签ID、包括对应的楼层位置信息都必须写入该楼的数字化数据库系统。所有移动终端读到合法的RFID标签时，从这个地方作为起始点，开始采集sensor数据。移动终端将采集到的sensor数据通过通信网络汇报给远程指挥中心。从起始点开始计时，t＝0，起始坐标位置偏差度数为0，初速度为0，位移S为0；当过了很短的一小段时间t秒后，记录当前瞬时的角速度ω，加速度a_x′和a_y′。ωt即为转动的角度，加上上一时刻t秒前的角度，作为当前的角度θ。根据公式二计算出a_x和a_y。则a_xt和a_yt分别表示速度的变化量，加上上一时刻t秒前的速度，即为当前的速度v_x和v_y。则v_xt和v_yt即为当前相对上一时刻t秒前的位移。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种室内的定位系统，其特征在于，首先将每栋高楼大厦进行数字化处理，将大楼每层室内均创建一个三维空间视图，形成一栋大楼的数字化模型，在每层楼的楼梯门口设置一个RFID标签，将该RFID标签的ID号和其楼层及其位置存入数据库系统；该定位系统包括：

RFID标签，用于定位起始点并激活移动终端开始采集数据；

多台移动终端，用于采集室内的环境信息和处于室内的准确位置并将室内信息传输给后台服务器，对输入音频信息进行编解码输出给服务器，对接收的音频信息进行编解码播报出来；

后台服务器，用于接收移动终端发送的数据，将接收的数据进行整合，在服务器上利用三维软件将整栋大楼的数字化模型显示，将整合的数据映射进数字化模型内。

2.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述移动终端包括中央处理器、存储模块、数据通信模块、陀螺仪传感器、加速度传感器、音频编解码模块、喇叭、语音输入模块、摄像头、感应探头及供电模块，所述中央处理器双向通信分别连接所述数据通信模块、存储模块及音频解编码模块，所述中央处理器的输入端分别连接所述加速度传感器、陀螺仪传感器、摄像头及感应探头的输出端，所述音频编解码模块的输出端连接所述喇叭输入端，所述音频编解码模块的输入端连接所述语音输入模块的输出端，所述供电模块分别电性连接所述中央处理器、存储模块、数据通信模块、陀螺仪传感器、加速度传感器、音频编解码模块、喇叭、语音输入模块、摄像头及感应探头。

3.根据权利要求2所述的定位系统，其特征在于，所述数据通信模块包括WIFI单元及移动数据网路单元。

4.根据权利要求3所述的定位系统，其特征在于，所述移动数据通信单元采用GPRS通信或3G通信或4G通信。

5.根据权利要求4所述的定位系统，其特征在于，所述加速度传感器采用的是双轴的加速度传感器。

6.根据权利要求5所述的定位系统，其特征在于，所述陀螺仪传感器采用的是一轴的陀螺仪传感器。

7.一种基于权利要求1-6所述的定位系统的室内的定位方法，其特征在于，该定位方法包括以下步骤：

A、移动终端经过楼梯门口读取到RFID标签信息开启位置跟踪服务并将位置信息实时上传到后台服务器；

B、服务器接收到RFID标签信息去匹配大楼数据库查找对应该RFID标签所处楼层和位置；

C、确定移动终端在此楼层的位置开启该楼层的三维模型视图并启动移动终端上的惯性导航；

D、根据惯性导航获取移动终端在该楼层室内的确切位置；

E、将所有位置信息数据导入楼层室内三维模型视图中显示当前移动终端的整体布局；

F、循环执行步骤C-E实时显示现场移动终端的移动轨迹及位置分布状况。

8.根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于，所述步骤A还包括以下步骤：

A1、判断读取到的RFID标签是否为合法的标签；如是，则执行步骤A2；如否，则对本次读取RFID标签不做处理；

A2、启动移动终端的陀螺仪传感器和加速度传感器获取当前移动终端的朝向和各个方向的加速度。

9.根据权利要求8所述的定位方法，其特征在于，所述步骤C中还包括以下步骤：

C1、每隔一段时间间隔t获取传感器采集到的移动终端在x和y方向的加速度及角速度；

C2、将移动终端采集到的数据和移动终端的ID传输给后台服务器；

C3、根据移动终端发送的数据计算出移动终端的真实位置。