一种基于改进的粒子滤波算法进行地图辅助定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于改进的粒子滤波算法进行地图辅助定位方法，包括以下步骤：获取室内地图

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进的粒子滤波算法进行地图辅助定位方法


[0001]本专利技术涉及室内定位
，尤其涉及一种基于改进的粒子滤波算法进行地图辅助定位方法。

技术介绍

[0002]在城市复杂环境中，智能手机单点定位精度通常在几米到几十米之间。在算法层面上，学者们尝试利用手机GNSS观测值，结合网络RTK算法、PPP算法，来提升手机GNSS实时的定位精度。千寻位置为手机客户提供系统集成高精度定位解决方案，该方案融合北斗卫星地基增强系统的差分数据、A
‑
GNSS等技术实现了终端首次定位时间缩短到3至5秒。奥斯丁大学UT
‑
Austin团队还使用手机天线收集的卫星定位数据，实现了厘米级的定位。不过使用这个技术实现的手机厘米级定位需要约400秒，才能达到90％的固定解成功率。简单来说，即需要大约6分半钟才能定位成功。
[0003]通常智能终端GNSS在净空条件下可以得到较好的定位结果，而在室内或城市峡谷中，信号会失锁或定位异常，最终导致依赖于GNSS的行人导航定位系统定位无效或误差过大。
[0004]基于此现有技术开发了基于地图辅助定位算法，其通过将室内地图信息与其它传感器、导航设备的定位结果进行融合，约束行人导航系统的导航解算结果，提高系统导航定位精度。例如，行人在室内行走过程中不可能穿越墙壁或者不经过门、过道离开某一房间或某一封闭区域。室内地图信息可用于修正行人导航系统解算的位置信息及航向信息，进而降低解算结果的不确定性，提高系统的导航定位精度。但是目前实现地图辅助算法的主要难点之一是设计合理的系统结构和算法来组合室内地图信息和已有的定位结果。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术提供一种基于改进的粒子滤波算法进行地图辅助定位方法，基于室内地图信息，优化了地图辅助和地图匹配算法，修正了行人航向，最终提升了室内环境下的定位精度。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于改进的粒子滤波算法进行地图辅助定位方法，包括以下步骤：
[0007]S1、获取室内地图；
[0008]S2、室内地图处理：
[0009]S21、室内地图处理主要可分为不可到达区域划分和墙壁线段获取，约束计算的行人位置；
[0010]S22、坐标转换：利用空间位置对应关系及四参数法将室内地图对应的像素坐标系统转换至导航坐标系统下；
[0011]S23、墙壁提取：室内地图进行边缘检测，并建立墙线数据集；
[0012]S3、生成粒子；
[0013]S4、通过穿墙法判断粒子的有效性，即若粒子没有通过通道穿过墙壁，则定义该粒子为无效粒子，而后通过修正粒子滤波算法中无效粒子的权重，剔除无效的粒子或减小其权值，降低待估计状态的不确定性，从而提高室内行人导航系统的位置解算精度。
[0014]优选的，步骤S1的获取途径包括通过移动测量系统线下测量、众包数据生成、图像特征检测。
[0015]优选的，步骤S3具体包括以下步骤：
[0016]S31、以H
k
为行人的中心航向，在[
‑
α，α]的范围内构建大小为N的高斯白噪声序列；
[0017]S32、结合中心航向H
k
，在[H
k
‑
α，H
k
+α]的范围内建立N个参考方向；
[0018]S33、利用移动距离d
k
来计算N个粒子的坐标。
[0019]优选的，步骤S4具体包括以下步骤：
[0020]S41、假设和分别表示从粒子i在上一个历元k
‑
1和当前历元k的坐标值，其中A点和B点分别为水平面内粒子线段AB的起点和终点，同时A点也是行人在k
‑
1历元的估计位置，其是所有效粒子计算而来；
[0021]S42、假设线段CD表示的是室内地图的一个墙壁线段，如果线段AB和线段CD之间满足以下两种关系，则表明粒子线段AB与墙壁线段CD交叉，粒子i存在穿墙现象：
[0022]第一种：A点和B点位于墙壁线段CD的不同侧，C点和D点应位于线段AB的不同侧；对于线段(x1,y1)
→
(x2,y2)，定义P＝x1(y3‑
y2)+x2(y1‑
y3)+x3(y2‑
y1)；如果P＝0，那么点(x3,y3)是在线段(x1,y1)
→
(x2,y2)上；如果P>0，点(x3,y3)是在线段右侧；否则，点(x3,y3)是在线段左侧；
[0023]第二种：线段AB和线段CD有一个交点；如果d
AB
>max{d
OA
,d
OB
}和d
CD
>max{d
OC
,d
OD
}，d表示距离，那么说明O为线段AB和CD的有效交点；
[0024]S43、在粒子传播过程中，经步骤S42进行穿墙检测，如果生成的粒子与起始位置构成的线段与墙线相交，则此粒子无效，其权重为零：
[0025]在传播过程中如果粒子没有与墙壁相交，则表示行人仍在先前的房间、过道、走廊中；
[0026]S44、经过粒子过滤和权重调整之后，得到M个有效粒子，利用M个粒子的位置以及权重计算行人位置P
k
和航向偏差h
k
，其中航向偏差用来修正下一步的航向。
[0027]优选的，在步骤S44所述的滤波过程中，伴随着粒子的舍弃，导致有效粒子低于设定值时，采用重采样算法。
[0028]优选的，在步骤S44所述的滤波过程中，当所有粒子都发生穿墙现象，则利用地图匹配算法修正行人位置，其具体包括以下步骤：
[0029]第一步、提前根据室内场景建立骨骼图；
[0030]第二步、将计算得到的位置与骨骼图匹配，寻找最近距离的线段；
[0031]第三步、投影到距离最小的线上，投影点即为改正后的定位位置。
[0032]优选的，距离和投影点采用以下公式计算：
[0033][0034][0035][0036]其中(x
e
,y
e
)是根据基于地图辅助定位的粒子滤波算法估算的位置，而(x
s
,y
s
)和(x
d
,y
d
)是数字地图中线段的起点和终点。
[0037]本专利技术具有以下有益效果：
[0038]1、基于粒子滤波定位并结合穿墙约束的处理结果要明显优于纯PDR定位有效的减少了定位偏差。
[0039]2、改进的粒子滤波算法不但优化了粒子生成方式，也改进了航向和无效粒子时地图的匹配方式，进一步提升了定位精度
[0040]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0041]图1为本专利技术的一种基于改进的粒子滤波算法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进的粒子滤波算法进行地图辅助定位方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、获取室内地图；S2、室内地图处理：S21、室内地图处理主要可分为不可到达区域划分和墙壁线段获取，约束计算的行人位置；S22、坐标转换：利用空间位置对应关系及四参数法将室内地图对应的像素坐标系统转换至导航坐标系统下；S23、墙壁提取：室内地图进行边缘检测，并建立墙线数据集；S3、生成粒子；S4、通过穿墙法判断粒子的有效性，即若粒子没有通过通道穿过墙壁，则定义该粒子为无效粒子，而后通过修正粒子滤波算法中无效粒子的权重，剔除无效的粒子或减小其权值，降低待估计状态的不确定性，从而提高室内行人导航系统的位置解算精度。2.根据权利要求1所述的一种基于改进的粒子滤波算法进行地图辅助定位方法，其特征在于：步骤S1的获取途径包括通过移动测量系统线下测量、众包数据生成、图像特征检测。3.根据权利要求1所述的一种基于改进的粒子滤波算法进行地图辅助定位方法，其特征在于：步骤S3具体包括以下步骤：S31、以H
k
为行人的中心航向，在[
‑
α，α]的范围内构建大小为N的高斯白噪声序列；S32、结合中心航向H
k
，在[H
k
‑
α，H
k
+α]的范围内建立N个参考方向；S33、利用移动距离d
k
来计算N个粒子的坐标。4.根据权利要求1所述的一种基于改进的粒子滤波算法进行地图辅助定位方法，其特征在于：步骤S4具体包括以下步骤：S41、假设和分别表示从粒子i在上一个历元k
‑
1和当前历元k的坐标值，其中A点和B点分别为水平面内粒子线段AB的起点和终点，同时A点也是行人在k
‑
1历元的估计位置，其是所有效粒子计算而来；S42、假设线段CD表示的是室内地图的一个墙壁线段，如果线段AB和线段CD之间满足以下两种关系，则表明粒子线段AB与墙壁线段CD交叉，粒子i存在穿墙现象：第一种：A点和B点位于墙壁线段CD的不同侧，C点和D点应位于线段AB的不同侧；对于线段(x1,y1)
→
(x2,y2)，定义P＝x1(y3‑
y2)+x2(y1‑
y3)+x3(y2‑

【专利技术属性】
技术研发人员：叶俊华，章怿钦，王泽，朱伟，范晓燕，周素茵，徐爱俊，
申请(专利权)人：浙江农林大学，
类型：发明
国别省市：