精准室内定位关键技术及应用_谢思远

技术广角 Broad Angle for Technology

精准室内定位关键技术及应用

谢思远 罗圣美 李伟华 韦 薇

中兴通讯股份有限公司 重庆 400030

摘　要 移动互联网的快速发展使人们对室内定位有了更大的需求，精准室内定位技术已成为当前的研究热点。文章介绍室内定位的应用场景及目前主流的室内定位技术，提出一种采用基于PDR、iBeacon辅助定位、个性化步长学习以及地图约束粒子滤波的融合定位算法，实现了1米级别的定位精度。关键词 精准室内定位；PDR；个性化步长；粒子滤波

数据，从而可以将消费数据与位置数据相结合，通过大

引言

自从以GPS为代表的定位技术出现以来，其高效、方便、快速与准确的特性使人们的生活出现了巨大变化，带动了一批应用和服务的快速发展，但是，由于GPS本身技术的限制，该技术只能实现室外的定位应用，不能解决室内环境的定位问题。随着智慧城市、物联网、移动互联网等技术成为全球信息产业新一轮竞争的制高点，作为这些领域的共性基础，“位置服务”尤为重要，正深入国民经济各领域，人们对室内定位的需求日益增加，如何通过技术手段来解决室内定位问题满足实际的精度需求已经成为亟待解决的问题。

数据分析实现基于位置的精准营销，为用户提供更好的购物体验。

1.2 大型场馆中的室内定位应用

对于大型场馆，如博物馆、展览馆、机场、火车站等场所，室内定位的需求同样巨大。目前，大多数博物馆只针对团体观众进行讲解，由于讲解员人数有限，不能逐一满足参观团队讲解的需求，通过室内定位技术，我们可以对参观游览体验方面进行改善，充分利用观众普遍使用的智能手机作为移动终端，将展品信息以及整个展馆的参观线路全部加载到观众的手机上，参观者可通过文字、语音以及视频信息对展品进行了解。在机场，通过室内定位和地图导航，可方便旅客查找登机

1 室内定位应用探讨

室内精准定位技术是下一代信息服务的重要基础，通过调研分析，笔者认为室内定位目前主要的应用场景在于大型商超、博物馆和机场等大型建筑及特定行业(监狱、医院等)。

口、值机柜台，和朋友共享位置，还能知道行李在哪、车停哪儿。

1.3 特定行业应用

在某些特殊行业应用中，室内定位也发挥着重要作用。如目前大部分监狱多数还停留在以狱警巡查、摄像头监视报警的阶段，人工作业仍占绝大比重，信息化程度比较低。室内定位技术可对现有的监狱系统进行改造，实现对服刑人员的实时定位、越界(危险区域)报警、实时统计，重点人员行动跟踪、轨迹回放等功能，减小监狱的安全隐患，提高管理水平。对于医院来说，同样也存在室内定位的需求，现在许多三甲医院，每日的门诊量都爆满，

1.1 大型商超中的室内定位

在移动互联网与大数据时代，商场的管理者已经意识到要想在残酷的线上线下竞争中保住市场份额，需要给顾客带来更好的购物体验，消费数据体现了顾客的购物偏好，而用户在室内的位置数据则记录了顾客的行为习惯及购物偏好，通过精准室内定位可以提供基础定位

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如北京301医院日门诊数量在3000人次以上，最高峰达到上万人次，室内定位技术可帮助病人快速完成医院就医流程，也可提高医院的效率和资源利用率。

表1 室内定位技术对比

2 室内定位技术分析

近年来，为解决室内外定位导航“最后1公里”的问题，许多科技公司和研究机构在室内定位技术方面开展了大量研究，如无线局域网(WLAN)、射频标签(RFID)、Zigbee、蓝牙、超宽带、地磁、红外定位、光跟踪定位、计算机视觉定位、超声波定位等，这些技术目前已经在很多场景中得到了应 用[1-2]。表1对主流的室内定位技术进行了总结。由表1可知，室内无线定位技术的应用需要针对不同场景、规模、成本及定位精度等要求进行设计和选择。同时，室内定位技术逐渐向多元互补的方向发展，通过各种融合技术，使解决方案达最优化。总之，具有低成本、低复杂性、高精度等特点的室内无线定位技术还有待进一步深入研究。

过程。在互联网+时代，面向大众的室内定位领域，具有低成本、低复杂性、高精度等特点的室内无线定位技术将是未来的发展趋势，而1米级别的精准定位将是未来各大厂商关注的重点内容。

基于对上述技术的分析，以下是本文对于室内1米级别定位的研究思路。1）基于智能终端(如智能手机)内置的低成本惯性传感器(如加速度计、陀螺仪、磁力计等)数据，采用机器学习、人体运动学、航迹推算等方法，估计行人的运动方向、运动状态、运动模式等信息，从而实现连续及高精度的短时定位。2）由于单独利用惯性导航系统进行室内定位，精度很难保证，因此，在实

际应用过程中，通常都是与其他信息进行融合使用，或者是利用其他辅助信号提供绝对位置信息进行误差校准，如可以通过Wi-Fi或蓝牙iBeacon基站为终端用户提供初始点定位、运动过程中的纠偏以及在线的步长训练，可进一步提高定位精度。3）采用地图匹配技术进行约束，可进一步提高定位精度。地图匹配也是为了进一步对人的运动轨迹进行约束，本文采用粒子滤波与地图匹配技术相结合来进行辅助定位。粒子滤波是一项基于粒子仿真的概率估计算法，由于其在非线性高斯系统中的优势，常被用于地图匹配的定位系统中[2]。

融合定位的技术框架如图1所

3 精准室内定位技术研究思路

3.1 研究思路

通过前面的分析可知目前室内定位技术繁多，尚未见哪种技术能够适用所有的应用场景，未来的室内定位技术必将是一个逐渐融合的

图1 融合定位技术框架

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示。笔者通过上述融合定位技术手段，在实验室环境下实现了低成本、高可靠性、连续稳定的1米左右的室内定位结果。

才会估计行人的步长与行进方向，并更新行人的位置，业界普遍采用的步态检测方法有：过零法、峰值法、FFT等，本文在实际研究中采用的是滑动平均窗法。

滑动平均窗法(如图3所示)是对加速度信号进行两种不同窗长度的均值滤波，一个长窗(1秒)，一个短窗(0.2秒)。根据行人步行加速度的周期性变化，一个周期内长窗波形与短窗波形会有两个交点，称为“交换点”，其中一个为上升交换点，一个为下降交换点。本文利用的是上升交换点，通过计算每两个(上升)交换点之间长窗波形与短窗波形差值的能量，并与预设阈值进行比较，大于阈值就记为一步，从而可计算出步数

。

3.2 关键技术分析

3.2.1 PDR定位

目前大部分手机都具有MEMS传感器，由于人在行走过程中，与人体固连的MEMS传感器中的加速度计、陀螺仪输出信号与人体的行走状态具有一定的关系，利用这种关系可以计算出人体每一步行走的距离，再结合物体的姿态航向角可以得到物体的前进方向，从而推算出人体每一步之后的位置，这种算法即为行人航位推算(Pedestrian Dead Reckoning，PDR)[2-7]。

PDR算法通过监测行人行走的状态来统计行走步数，然后与估计出来的行人步长相乘得到行走距离，最后通过下面的公式来计算行人沿某坐标方向的位移。

x=number of steps×step×length×cosθ (1)由图2可知，若初始位置点P1已知，则可通过公式 (1)推算出整个路径，从而进行导航。PDR的核心在于步态检测、步长估计和航向估计这三个步骤，而本文主要采用了基于加速度能量的步态 …… 此处隐藏：9772字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……