一种室内WLAN/MEMS融合跨楼层3维定位方法技术

本发明专利技术提出一种室内WLAN/MEMS融合跨楼层3维定位方法，其主要设计了WLAN/MEMS融合定位抗差扩展卡尔曼滤波器，充分利用两个系统的可用信息，实现高精度2维位置的解算；并利用气压计输出、地理位置和楼层高度信息计算高度，并同时为无线局域网(WLAN)定位选择位置指纹数据库，实现室内空间跨楼层3维定位。本系统和方法通过引入抗差扩展卡尔曼估计，定位精度高，能够有效的克服微机电系统(MEMS)传感器定位存在的累积误差和WLAN定位中存在的接收信号强度(位置信息以及前一时刻的实际高度信息实现室内空间跨楼层3维定位。

【技术实现步骤摘要】
一种室内WLAN/MEMS融合跨楼层3维定位方法
本专利技术涉及定位
，特别涉及一种室内定位系统。
技术介绍
随着智能终端的广泛使用，移动通信快速发展，同时数据和多媒体业务迅速增加，基于位置的服务(LocationBasedServices，LBS)逐渐受到重视。尤其是作为定位技术的最后一米，室内定位技术有着广泛的应用前景。比如在地下停车场，可以借助室内定位技术快速找到停车位；在大型商场，可以借助室内定位技术快速找到出口、电梯，同时商家也可以借助于室内定位向用户介绍商品信息；在火灾现场，消防人员可以借助室内定位技术快速确定被困人员的位置，从而迅速进行救援；在医院，可以利用室内定位技术对需要看护的病人进行定位等等。在室外，全球卫星导航系统(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)基本上可以满足定位精度的要求，但是在室内环境下，由于卫星信号受到遮挡且存在严重的多径效应，使得卫星定位精度严重下降，甚至出现无法正常定位的情况。目前，针对复杂的室内环境，现有的室内定位技术主要分为以下几种1)射频识别定位技术射频识别(RadioFrequencyIdentification，RFID)定位技术是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。实现无接触信息传递并达到识别对象的目的。RFID定位系统包括电子标签和读卡器等，该系统利用标签对物体的唯一标识特性，通过读卡器接收到的电子标签发送的信号来获得电子标签的位置信息。RFID定位系统优点是体积小、造价低，但是作用范围小、不具有通信能力，且不便整合到其它系统中。2)蓝牙定位技术蓝牙(Bluetooth)技术是一种支持语音和数据业务的短距离、低功耗无线传输技术，并可以实现短距离不同设备之间的互联。基于蓝牙的室内定位技术，利用经验测试与信号传播模型结合的方式，通过实时测量的信号强度进行定位。蓝牙定位技术的优点在于设备体积小，易于集成在移动智能终端上面。理论上，只要集成了蓝牙的移动智能终端且蓝牙功能打开，蓝牙定位系统就能够对其进行定位。蓝牙定位技术的缺点在于蓝牙器件设备的价格比较昂贵，且对于复杂的室内环境而言，蓝牙定位系统的稳定性比较差。3)红外线定位技术红外线(InfraredRay，IR)是一种介于微波和可见光之间的电磁波。IR室内定位方法通过发射调制的红外射线，利用安装在室内的光学传感器接收进行定位。IR定位具有相对较高的定位精度，但由于光线不能穿过障碍物，使得IR具有传输距离短的缺点，且需要在室内的每个房间和楼层安装设备，成本较高。4)无线局域网定位技术无线局域网(WirelessLocalAreaNetwork，WLAN)是基于IEEE802.11标准，以无线信道作为传输媒介的局域网。基于WLAN的定位技术主要包括信号传播模型法和位置指纹法，都是利用接收信号的信号强度指示(ReceivedSignalStrengthIndication，RSSI)进行位置解算。信号传播模型法利用室内信号的传播特性，考虑墙壁和地板引起的衰减，建立RSSI与传播距离d之间的数学模型，实现位置解算。但是由于复杂的室内环境，很难建立准确的室内信号传播模型，因此利用该方法进行位置解算精度有限。基于WLAN的位置指纹定位技术包括离线阶段和在线阶段两个阶段，离线阶段在需要定位的环境采集相应的RSSI信息并存入位置指纹数据库，在线阶段利用实时测得的RSSI信息与位置指纹数据库进行匹配，将匹配最佳位置输出作为定位结果。基于WLAN的位置指纹定位技术具有覆盖范围广、可用性强、低成本、长时间定位精度高等优点。但是由于多径干扰等引起的RSSI扰动等因素严重影响了WLAN的定位精度。5)MEMS传感器自主定位技术随着微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS)技术的快速发展，各种传感器，如陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计等，尺寸不断变小，成本不断变低，被广泛应用于各种移动智能终端设备中。基于MEMS传感器的定位技术具有自主性和连续性，且目前基于MEMS传感器的个人导航系统主要有两种：传统的惯性积分导航和行人航迹推算导航。传统的惯性积分导航，根据牛顿运动定律，利用测得3轴加速度计和3轴陀螺仪的数据积分计算出3维姿态、速度和位置。理论上这种方式定位精度会很高，但是实际应用中，由于惯性传感器自身的漂移、测量噪声、行人的抖动等因素影响，多次积分后会产生累积误差，几十秒之内误差可达几十米，甚至几百米。基于行人航迹推算(PedestrianDeadReckoning，PDR)方法利用行人的位移和航向进行位置解算，相比于传统的惯性积分导航更准确且更适用于行人导航，但是其定位依然受步长、航向、步态检测精度影响，随着时间的增加，依然存在累积误差。
技术实现思路
本专利技术针对现有室内定位技术存在的缺陷和不足，结合WLAN位置指纹定位和MEMS传感器定位，提出一种高精度室内WLAN/MEMS融合跨楼层3维定位方法，实现室内空间的3维定位。该方法及系统能够有效的克服MEMS器件定位存在的累积误差和WLAN定位中存在的RSSI扰动对系统定位精度带来的影响。本专利技术方法及系统利用扩展卡尔曼滤波算法中的一步预测位置信息修正观测的RSSI，修正由于RSSI扰动给WLAN定位精度带来的影响；同时利用WLAN定位结果补偿MEMS的累积误差，提高定位精度。且该方法还综合利用气压计、地理位置等解算高度，实现室内跨楼层3维定位。本专利技术的技术方案如下：本专利技术提供一种室内WLAN/MEMS融合跨楼层3维定位方法，其特征在于，所述方法包括：(1)选择WLAN位置指纹数据库：计算前一时刻得到的行人的3维位置距每个楼梯口的物理距离，利用计算出的物理距离是否大于某个阈值判断行人是否进出楼梯间；如果判断出没有进出楼梯间，则位置指纹数据库不变，与前一时刻的位置指纹数据库相同；如果进入楼梯间，则选择楼梯间的位置指纹数据库，如果出楼梯间，则判断为在楼层中，此时还需利用前一时刻的实际高度判断所处楼层，选择相应楼层的位置指纹数据库。(2)计算行人的速度和航向：根据采集到的MEMS数据，包括3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计数据，利用步态检测和数据更新速率方法计算速度，四元素更新姿态矩阵方法计算航向。(3)WLAN位置指纹定位：首先利用抗差扩展卡尔曼组合导航滤波器中的一步预测信息反匹配位置指纹数据库修正观测得到RSSI，然后利用修正的RSSI结合WKNN定位算法进行位置解算，克服由于RSSI扰动对WLAN位置指纹定位精度带来的影响。同时将抗差M估计引入室内融合定位算法中，形成抗差扩展卡尔曼滤波器，解决定位在实际环境下受到粗差、干扰、模型误差等因素的影响，导致位置精度的严重下降。(4)将计算得到的速度、航向和WLAN指纹定位的位置一起带入抗差扩展卡尔曼组合导航滤波器，解算得到最优的二维位置坐标。(5)高度计算：利用气压计输出数据计算海拔高度，实际的高度信息则通过判断上下楼进行高度的累加或者累减进行计算，从而实现室内跨楼层3为定位。所述步骤(3)使用的抗差扩展卡尔曼组合导航滤波器的设计方法是：通过建立观测方程和状态方程，设计扩展卡尔曼滤波器(EKF)输出最优位置信息，并同时引入抗差M本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种室内WLAN/MEMS融合跨楼层3维定位方法，其特征在于，所述方法包括：1)选择WLAN位置指纹数据库：计算前一时刻得到的行人3维位置距每个楼梯口的物理距离，利用计算出的物理距离是否大于某个阈值判断行人是否进出楼梯间；如果判断出没有进出楼梯间，则位置指纹数据库不变，与前一时刻的位置指纹数据库相同；如果进入楼梯间，则选择楼梯间的位置指纹数据库，如果出楼梯间，则判断为在楼层中，此时还需利用前一时刻的实际高度判断所处楼层，选择相应楼层的位置指纹数据库；2)计算行人的速度和航向：根据采集到的MEMS数据，包括3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计数据，利用步态检测和数据更新速率方法计算速度，四元素更新姿态矩阵方法计算航向；3)WLAN位置指纹定位：首先利用抗差扩展卡尔曼组合导航滤波器中的一步预测信息反匹配位置指纹数据库修正观测得到RSSI，然后利用修正的RSSI结合WKNN定位算法进行位置解算；4)将计算得到的速度、航向和WLAN指纹定位的位置一起带入抗差扩展卡尔曼组合导航滤波器，解算得到最优的二维位置坐标；5)高度计算：利用气压计输出数据计算海拔高度，实际的高度信息则通过判断上下楼进行高度的累加或者累减进行计算，从而实现室内跨楼层3维定位。...

【技术特征摘要】
1.一种室内WLAN/MEMS融合跨楼层3维定位方法，其特征在于，所述方法包括：1)选择WLAN位置指纹数据库：计算前一时刻得到的行人3维位置距每个楼梯口的物理距离，利用计算出的物理距离是否大于某个阈值判断行人是否进出楼梯间；如果判断出没有进出楼梯间，则位置指纹数据库不变，与前一时刻的位置指纹数据库相同；如果进入楼梯间，则选择楼梯间的位置指纹数据库，如果出楼梯间，则判断为在楼层中，此时还需利用前一时刻的实际高度判断所处楼层，选择相应楼层的位置指纹数据库；2)计算行人的速度和航向：根据采集到的MEMS数据，包括3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计数据，利用步态检测和数据更新速率方法计算速度，四元素更新姿态矩阵方法计算航向；3)WLAN位置指纹定位：首先利用抗差扩展卡尔曼组合导航滤波器中的一步预测信息反匹配位置指纹数据库修正观测得到RSSI，然后利用修正的RSSI结合WKNN定位算法进行位置解算；4)将计算得到的速度、航向和WLAN指纹定位的位置一起带入抗差扩展卡尔曼组合导航滤波器，解算得到最优的二维位置坐标；5)高度计算：利用气压计输出数据计算海拔高度，实际的高度信息则通过判断上下楼进行高度的累加或者累减进行计算，从而实现室内跨楼层3维定位。2.根据权利要求1所述的室内WLAN/MEMS融合跨楼层3维定位方法，其特征在于，所述步骤(2)对行人的速度解算如下：首先计算加速度计输出的模值和分别表示加速度计输出的3轴加速度；然后通过检测模值Anorm为峰值且大于某个设定的阈值A0来判断跨步，完成步态检测；最后假设MEMS传感器的输出频率为fs，且通过检测加速度计输出模值Anorm连续两个大于阈值A0的峰值之间的数据点数ΔN，可以计算第k步所需的时间为假设行人每一步为匀速运动，则可以计算出第k步的速度为式中Pk为第k步的步长，vk为第k步计算出的速度，令第k步中每个采样时刻的速度都为vk，则每一秒可计算出fs个速度，取每一秒计算出的所有速度的均值作为该秒计算出的速度。3.根据权利要求1所述的室内WLAN/MEMS融合跨楼层3维定位方法，其特征在于，所述步骤(3)使用的抗差扩展卡尔曼组合导航滤波器的设计方法是：通过建立观测方程和状态方程，设计扩展卡尔曼滤波器EKF输出最优位置信息，并同时引入抗差M估计到室内融合定位算法中，形成抗差扩展卡尔曼滤波器。4.根据权利要求3所述的室内WLAN/MEMS融合跨楼层3维定位方法，其特征在于，所述观测方程如下：选用WLAN输出的位置信息、MEMS输出的速度和航向信息作为观测量，即观测方程如下：式中表示t时刻WLAN定位出的东位置，表示t时刻WLAN定位出的北位置，表示t时刻MEMS输出的速度，表示t时刻MEMS输出的航向；xt表示t时刻待估计的东位置，yt表示t时刻待估计的北位置，vt表示t时刻待估计的速度，表示t时刻待估计的航向，Vt表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：田增山，方鑫，周牧，张振源，米刚，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85