基于WiFi与步行者航位测算的多点拓扑逼近定位方法技术

本发明专利技术公开了基于WiFi与步行者航位测算的联合多点拓扑逼近定位方法，提出了利用基础WiFi定位和PDR测距经拓扑逼近获得更精确用户坐标定位方法，实现包括有：WiFi环境下需要定位各点通过WiFi指纹库获得定位；在地图上用各点WiFi定位坐标作顶点形成WiFi多边形G；通过PDR测距获取需要定位各点相对距离和相对位置，形成PDR测距多边形G’,经过旋转与平移，拓扑逼近WiFi多边形G，得到确定位置；拓扑逼近后的PDR测距多边形G’各个顶点在地图上的坐标为各点最终定位结果，完成定位。本发明专利技术在室内无法通过卫星定位情况下，为室内位置信息获取与导航提供新方法。本发明专利技术定位精确,无参与人数限制，计算简单，硬件成本低，可实现性强，主要用于大型建筑物等室内的人员或物品位置确定。

WiFi and Indiana multipoint topology measurement positioning method based on approximation dead

The present invention discloses WiFi and pedestrian dead which combined multi point topology approximation based localization method is proposed by using PDR based WiFi positioning and ranging by topology approximation to obtain more accurate user coordinate positioning method, including: WiFi environment need to locate the point through the WiFi fingerprint database positioning on the map with each point; WiFi coordinates as WiFi polygon vertices form G; access to the location of the relative distance and the relative positions of the PDR range, forming PDR ranging G ', after the polygon rotation and translation, topological approximation of WiFi polygon G, determine the position of each coordinate; topology approximation after PDR ranging polygon G on the map for the vertex \the final positioning result, positioning. The invention provides a new method for indoor position information acquisition and navigation when the indoor can not be positioned by satellite. The invention has the advantages of accurate positioning, no participation limit, simple calculation, low hardware cost and strong realization, and is mainly used for determining the location of people or articles in large buildings and other indoor places.

【技术实现步骤摘要】
基于WiFi与步行者航位测算的多点拓扑逼近定位方法
本专利技术属于无线通信
，更进一步涉及通过电磁波与步行者航位测算(PDR)信息进行室内定位，具体是一种基于WiFi与PDR的多点拓扑逼近室内定位方法，用于室内WiFi环境下的用户定位。
技术介绍
由于卫星信号无法穿透墙壁,因此在室内环境中无法利用卫星定位获取用户的位置信息。室内定位技术可以用在室内导航导航、大型场所人员管理，如超市、幼儿园、景点、养老院、医院、反恐安全、基于物联网的物品管理等场合。目前尚无统一方案准确实现室内定位，主要存在有基于WIFI、步行者航位测算(PDR)、蓝牙、RFID等的几种室内定位方法，每个方法都有各自的优缺点：单独使用基于WIFI或PDR的定位方法都不需要为实现室内定位而增加额外的设备，但缺点是定位精度相对较低，误差都在2米左右,不能达到亚米级；基于蓝牙和基于RFID的定位方法定位精度虽高，但是需要额外布设蓝牙或者RFID设备,硬件成本较高。基于WiFi的室内定位因为不需要增加额外的设备，WiFi信号在大型建筑物有很高的覆盖率，可实现性强。但是利用WiFi信号进行室内定位也有天然的劣势，就是WiFi信号进行室内定位存在信号不稳定，定位平均误差约为一点七米，还有很高的提升空间。
技术实现思路
本专利技术目的在于针对上述WiFi定位技术存在定位精度不高的问题，提出一种基于WiFi与PDR的多点拓扑逼近室内定位方法，方法实现过程涉及手持设备、服务器与已布设WiFi的有限室内区域，其特征在于，包括有四个阶段：阶段一：通过WiFi定位获得需定位各点的基础定位结果，确定WiFi定位多边形G：在已布设WiFi的室内有限区域内，人员携带手持设备做步行运动，经过需定位各点时在手持设备上进行标记，分别记作p1(x1,y1),p2(x2,y2),...,pn(xn,yn)，其中n为需定位点数，p为各点在地图上的坐标点，所有标记点为顶点获得WiFi定位多边形G；阶段二：通过PDR测距结果构造PDR测距多边形G’的形状：通过PDR测距测得需定位各点中两两之间的相对距离，利用各个点之间的相对距离确定相对位置，得到一个确定形状的多边形，并把多边形G’的各个顶点记为p1’，p2’，...，pn’，分别对应WiFi定位多边形G’中的各个顶点，其中n为需定位点数，得到PDR测距多边形G’的形状；阶段三：通过旋转PDR测距多边形G’得到G’的最佳方向，确定PDR测距多边形G’的方向：把已经确定形状的PDR测距多边形G’复制到WiFi定位多边形G所在的地图上,对两个多边形G和G’进行对应边内积求和,设求和值为变量Φ,通过改变多边形G’的旋转角度，使变量Φ取得最大值,此时PDR测距多边形G’的方向作为最佳方向；阶段四：确定PDR测距多边形G’的位置，获得定位结果：通过平移PDR测距多边形G’，使多边形G’的重心在地图上与WiFi定位多边形G的重心重合，作为最终的多边形G’的位置，这时多边形G’各个顶点在地图中所对应的位置就是需定位各点的定位位置。与单独利用WiFi进行室内定位相比,本专利技术在不额外增加硬件设备的前提下,大幅提高室内定位精度，将定位误差从2米缩减至1米以内,使定位精度提升至亚米级。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：第一，本专利技术由于利用PDR测距获取了需定位各点之间的相对距离，结合WiFi基础定位结果，把用于定位的可用信息从一种变成两种，与单独利用WiFi定位相比，精度有本质上的提升,将精确度从2米提高至亚米级。且不需要额外增加硬件设备，成本低，易于实现。可用在超市、幼儿园、景点、医院、反恐安全及基于物联网的物品管理等场合。第二，本专利技术通过WiFi得到的基础定位结果形成的图形，以及通过PDR测距获得的多点之间距离而得到的图形进行拓扑逼近运算，其中把通过PDR测距得到的图形经过旋转和平移，逼近通过WiFi信息得到的基础定位结果形成的图形，最终得到更精确的定位结果，而且相关拓扑逼近运算大多都在服务器端，用户设备运算较少，使得定位速度不会变慢。附图说明图1是本专利技术的实现流程图；图2是实施例4中的定位方案参考示意图。图3是实施例6中的定位方案参考示意图。图4是本专利技术与单纯WiFi室内定位方法在相同同测试点数下的定位误差对比图。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术的优选实例和效果进行详细的描述。实施例1基于WiFi的室内定位不需要增加额外的设备，可实现性强。然而利用WiFi信号进行室内定位平均误差较大，约为两米左右，难以满足精确定位要求。因此本专利技术在这种定位方法的基础上进一步研究，得到一种基于WiFi与PDR的多点拓扑逼近室内定位方法。方法实现过程涉及三项硬件配置，包含手持设备、服务器与已布设WiFi的有限室内区域，参见图1，包括有四个阶段：阶段一：通过WiFi定位获得需定位各点的基础定位结果，确定WiFi定位多边形G：在已布设WiFi的室内有限区域内，本例中有WiFi的室内有限区域为一个大商场，需要精确定位的三个具体位置为店铺a，收银台和商场出口。工作人员携带手持设备做步行运动，手持设备为一部智能手机，手机上事先装载有本商场室内地图的定位软件。经过需定位各点时在手持设备上进行标记，通过传统的WiFi指纹库方法获得所有标记点的位置信息，分别记作p1(x1,y1)，p2(x2,y2)，...，pn(xn,yn)，其中n为需定位点数，本例中n＝3，p为各点在地图上的坐标点，所有标记点为顶点构造WiFi定位多边形G，本例中形状为三角形。阶段二：通过PDR测距结果构造PDR测距多边形G’的形状：在工作人员步行过程中，手持设备仍是上述智能手机，在进行阶段一中所述WiFi定位的同时，利用步行者航位测算(PDR)技术，测得阶段一中的店铺a，收银台和商场出口三个点的相对距离，利用各个点之间的相对距离确定相对位置，得到一个确定形状的多边形G’，并把多边形G’的各个顶点记为p1’，p2’，...，pn’，分别对应WiFi定位多边形G中的各个顶点，同样本例中n＝3，得到PDR测距多边形G’的形状仍为三角形。WiFi定位三角形G与PDR测距三角形G’为通过不同测量方法获得的同一个三角形。阶段三：通过旋转PDR测距多边形G’得到G’的最佳方向，确定PDR测距多边形G’的方向：手持设备自动把已经确定形状为三角形的PDR测距多边形G’复制到WiFi定位多边形G所在的地图上,对两个多边形G和G’进行对应边内积求和,设求和值为变量Φ,通过改变多边形G’的旋转角度，使变量Φ取得最大值,此时PDR测距多边形G’的方向作为最佳方向。本例中的两个多边形均为三角形。阶段四：确定PDR测距多边形G’的位置，获得定位结果：通过平移PDR测距多边形G’，使多边形G’的重心在地图上与WiFi定位多边形G的重心重合，作为最终的多边形G’的位置，这时多边形G’各个顶点在地图中所对应的位置就是需定位各点的定位位置，在本例中为店铺a，收银台和商场出口三个点的具体位置。本专利技术思路是：利用WiFi获取初始测试点位定位结果，再利用PDR测出各点位之间的相对距离，构造出多点之间的拓扑结构。利用旋转、平移，使利用PDR构造出的拓扑形状与利用WiFi定位得到的拓扑形状的重心重合，且两个形状对应的边的内积之和最大。此时得到的各本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于WiFi与步行者航位测算的多点拓扑逼近定位方法，方法实现过程涉及手持设备、服务器与已布设WiFi的有限室内区域，其特征在于，包括有四个阶段：阶段一：通过WiFi定位获得需定位各点的基础定位结果，确定WiFi定位多边形G：在已布设WiFi的室内有限区域内，人员携带手持设备做步行运动，经过需定位各点时在手持设备上进行标记，分别记作p1(x1,y1)，p2(x2,y2)，...，pn(xn,yn)，其中n为需定位点数，p为各点在地图上的坐标点，所有标记点为顶点获得WiFi定位多边形G；阶段二：通过PDR测距结果构造PDR测距多边形G’的形状：通过PDR测距测得需定位各点中两两之间的相对距离，利用各个点之间的相对距离确定相对位置，得到一个确定形状的多边形G’，并把多边形G’的各个顶点记为p1’，p2’，...，pn’，分别对应WiFi定位多边形G’中的各个顶点，其中n为需定位点数，得到PDR测距多边形G’的形状；阶段三：通过旋转PDR测距多边形G’得到G’的最佳方向，确定PDR测距多边形G’的方向：把已经确定形状的PDR测距多边形G’复制到WiFi定位多边形G所在的地图上,对两个多边形G和G’进行对应边内积求和,设求和值为变量Φ,通过改变多边形G’的旋转角度，使变量Φ取得最大值,此时PDR测距多边形G’的方向作为最佳方向；阶段四：确定PDR测距多边形G’的位置，获得定位结果：通过平移PDR测距多边形G’，使多边形G’的重心在地图上与WiFi定位多边形G的重心重合，作为最终的多边形G’的位置，这时多边形G’各个顶点在地图中所对应的位置就是需定位各点的定位位置。...

【技术特征摘要】
1.一种基于WiFi与步行者航位测算的多点拓扑逼近定位方法，方法实现过程涉及手持设备、服务器与已布设WiFi的有限室内区域，其特征在于，包括有四个阶段：阶段一：通过WiFi定位获得需定位各点的基础定位结果，确定WiFi定位多边形G：在已布设WiFi的室内有限区域内，人员携带手持设备做步行运动，经过需定位各点时在手持设备上进行标记，分别记作p1(x1,y1)，p2(x2,y2)，...，pn(xn,yn)，其中n为需定位点数，p为各点在地图上的坐标点，所有标记点为顶点获得WiFi定位多边形G；阶段二：通过PDR测距结果构造PDR测距多边形G’的形状：通过PDR测距测得需定位各点中两两之间的相对距离，利用各个点之间的相对距离确定相对位置，得到一个确定形状的多边形G’，并把多边形G’的各个顶点记为p1’，p2’，...，pn’，分别对应WiFi定位多边形G’中的各个顶点，其中n为需定位点数，得到PDR测距多边形G’的形状；阶段三：通过旋转PDR测距多边形G’得到G’的最佳方向，确定PDR测距多边形G’的方向：把已经确定形状的PDR测距多边形G’复制到WiFi定位多边形G所在的地图上,对两个多边形G和G’进行对应边内积求和,设求和值为变量Φ,通过改变多边形G’的旋转角度，使变量Φ取得最大值,此时PDR测距多边形G’的方向作为最佳方向；阶段四：确定PDR测距多边形G’的位置，获得定位结果：通过平移PDR测距多边形G’，使多边形G’的重心在地图上与WiFi定位多边形G的重心重合，作为最终的多边形G’的位置，这时多边形G’各个顶点在地图中所对应的位置就是需定位各点的定位位置。2.根据权利要求1所述的基于WiFi与步行者航位测算的多点拓扑逼近定位方法，其特征在于，其中阶段二中所述通过PDR测得需定位各点之间的相对距离，得到PDR测距多边形G’的形状，具体包括以下两个步骤：2.1)确定WiFi定位多边形G后,再利用PDR测距测得与Wifi定位标记点对应的各点之间的距离信息，把与WiFi定位多边形G中的顶点p1对应的多边形G’中的点p1’定为坐标系原点，然后把与多边形G中顶点p2对应的多边形G’中的点p2’所在的位置设定在x轴上，点p2’的x坐标值为p1’与p2’之间的距离数值，确定第一条边的位置，完成虚拟坐标系的建立；2.2)确定了第一条边之后，在服务器端所建立的虚拟坐标系中运算,结合Wifi定位标记点对应的各点之间的距离信息,依次得到其他顶点的坐标，最终得到多边形G’的形状。3.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢小峰，刘嘉钰，王健林，张子博，边海滨，张胜利，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61