一种高精度室内外融合定位系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种借助专用终端或智能手机的室内外融合定位方法，不仅适用于人，而且适用于机器人和其它智能移动设备。其特征：1)室内定位通过惯性导航、粒子滤波、指纹匹配、室内地图匹配实现，精度1米左右；2)系统自动切换室内外场景，室内外定位无缝结合；3)专用终端由通用硬件模块如GPS、惯性导航传感器(加速度计、磁力计、陀螺仪)、wifi或者蓝牙模块、通信模块等组成；4)实施现场基于现有的wifi网络或者蓝牙网络，不需要部署其它硬件，从而降低了成本；5)具有设计优异的地图标注系统，可以方便快速的进行地图标注，不需要专业技能就可以完成；6)算法完善独立，可移植性高，可轻松移植至其他智能手机平台、机器人平台、可穿戴设备等。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度室内外融合定位系统和方法
本专利技术涉及移动终端应用领域以及基于位置的线上线下(o2o)融合的领域，特别是涉及一种借助专用终端及智能终端的室内外融合定位方法，不仅适用于人，而且适用于智能设备和可穿戴设备，如机器人、智能眼镜、智能鞋垫等。
技术介绍
基于位置的应用，是目前人类最常见、最刚需的应用。目前室外定位已经成熟，借助于GPS导航卫星、以及无线通信基站，定位精度已经达到5米左右，借助于室外定位，人们可以达到所需要去的大厦等目标；但是对于室内定位，由于GPS信号不能到达大的大厦内部，所以不能用室外的方法进行定位，近十年来，许多公司和科研机构进行了大量的室内定位研究(请见下面关于室内定位方法的总结)，除了一些专用的方法如部署UWB、RFID等室内基站系统，没有一个低成本面向社会大众的通用定位方法；同时由于室内环境的多样性和易变性，使得室内地图的获取变得非常困难，这也从一定程度上使得室内定位难以推广。从应用的角度来看定位，目标总是活动在一定区域，在移动互联网的定制化、个人化时代，面向个人和特定应用场景的定位必将称为趋势，而这种定位必然是区域的定位，即个人日常活动的区域，这个区域包括相关的室外和室外环境，如一个商务人士从办公室出发，到客户大楼内客户公司所在房间；休闲人士从家里出发，达到游览胜地，需要浏览地的详细导航信息，而这个游览地虽然在室外，但是目前的室外定位运营商也没有提供详细的地图信息及导航服务；又比如大型厂区内，有室外空间，也有大的厂房等室内空间等等。这里的区域，就是涉及目标定位需求的有限范围的室内外区域的组合，从技术上将，这里的室内不仅仅指建筑物室内，也包括虽然物理上是室外，但是没有提供详细定位服务的室外空间如室外大型停车场、公园、游览胜地等。区域定位的几个特点：一是精度高，必须一米左右甚至米以内，因为有寻找和进入停车位的需求、找餐桌的需求，移动式机器人室内定位、导航等；二是室内外融合，也就是说不能只管室外，进了大楼里面就不管了；三是室内的概念模糊化，代之以高精度的要求，比如停车场和公园，虽然是在室外，但是由于它要精确到1米左右，所以要用室内定位的技术，达到室内定位的1米左右的精度才行，这个时候应该是室外的环境，室内的技术，从技术上定义为室内定位更合适。对于高精度定位的需求，还来自于如火如荼、迅猛发展的机器人领域以及可穿戴设备领域，比如机器人包括家政机器人、扫地机器人、物流机器人，比如可穿戴设备包括定位鞋垫、智能眼镜、智能腕表等，相对于人类的定位来说，定位对于这些设备是刚需，并且这种定位必须是互联网模式的定位，不能采用特别的设备如UWB基站和天线的方式实现；对于机器人，虽然目前有基于激光雷达、磁贴等方式的定位方案，但是激光雷达价格还比较高，难于用在家庭机器人身上；而磁贴具有容易消磁、部署不方便等缺点。室外定位技术已经成熟，而室内还没有很好的解决，下面先总结一下室内定位的现状及趋势，这是本专利技术设计的重点部分。人类日常生活中，大部分时间呆在室内，在一个陌生的大型室内环境如医院、展览馆、火车站、航站楼、停车场等，常常有快速室内定位和导航的需求，所以室内的定位就非常有市场前景和应用价值。由于各种大型商场大型场馆越来越多，而GPS因为定位信号到达地面时较弱，不能穿透建筑物，同时又受到定位器终端的成本较高等原因的限制，因此，GPS技术无法完成室内精确定位。现有技术中有几种室内定位的技术，简单描述如下：——蓝牙技术。蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。这是一种短距离低功耗的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网(Piconet)的主设备，就可以获得用户的位置信息。蓝牙技术主要应用于小范围定位，例如单层大厅或仓库。蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、易于集成在PDA、PC以及手机中，因此很容易推广普及。理论上，对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备的用户，只要设备的蓝牙功能开启，蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。采用该技术作室内短距离定位时容易发现设备且信号传输不受视距的影响。其不足在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。——射频识别技术。射频识别技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的。这种技术作用距离短，一般最长为几十米。但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围很大，成本较低。同时由于其非接触和非视距等优点，可望成为优选的室内定位技术。目前，射频识别研究的热点和难点在于理论传播模型的建立、用户的安全隐私和国际标准化等问题。优点是标识的体积比较小，造价比较低，但是作用距离近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系统之中。——超宽带技术。超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。超宽带可用于室内精确定位，例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度，缺点是在大型室内环境，需要部署较多的室内基站，连同UWB终端，整个系统的成本较高。-W1-Fi技术。无线局域网络(WLAN)是一种全新的信息获取平台，可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务，而网络节点自身定位是大多数应用的基础和前提。当前比较流行的W1-Fi定位是无线局域网络系列标准之IEEE802.11的一种定位解决方案。该系统采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，易于安装，需要很少基站，能采用相同的底层无线网络结构，系统总精度高。W1-Fi技术的特点是应用于小范围的室内定位，成本较低。但无论是用于室内还是室外定位，W1-Fi收发器都只能覆盖半径90米以内的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高。-ZigBee技术。ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它介于射频识别和蓝牙之间，也可以用于室内定位。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调通信以实现定位。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。ZigBee最显著的技术特点是它的低功耗和低成本。
技术实现思路
上述技术和方法，大多需要专门的硬件和终端，成本随着室内面积的增大而上升，部署起来周期比较长，所以需要一种移动互联网模式的室内定位技术。随着科技发展日新月异，智能手机的功能也越来越强大，人们生活出行和定位越来越依赖于手机。而智能手机的传感器越来越精确，处理能力越来越强；同时室内Wi-Fi的部署以及蓝牙基站的部署越来越普遍，特别是一些大型的室内环境，本专利技术的基本目的就是利用这两者的优势，利用现有的Wi-Fi或者蓝牙部署，利用手机的传感器，并提供一种专用终端设备，在不增加任何专用硬件的条件下，提供稳定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度的室内外定位融合系统，由云端系统和终端系统组成，其中云端包含指纹定位、地图标注，终端是一种专用的室内外高精度融合定位设备，硬件方面含GPS模块、传感器模块(磁力计、气压计、陀螺仪、加速度计)、wifi模块、蓝牙模块，软件方面包含室外定位算法，室内定位引擎，室内地图解析：步骤a：终端上传GPS信号、wifi或者蓝牙信号、基站信号给后端，后端确定终端位置为室内还是室外，并将位置类型和位置数据回传给终端；步骤b：终端接收云端的计算结果，根据位置类型，如果是室外，做位置显示；如果是室内，调用室内定位引擎，做高精度定位计算，确定目标的高精度室内位置；步骤c：终端接收云端的计算结果，根据目标前后位置类型，做室内、室外定位的切换。

【技术特征摘要】
1.一种高精度的室内外定位融合系统，由云端系统和终端系统组成，其中云端包含指纹定位、地图标注，终端是一种专用的室内外高精度融合定位设备，硬件方面含GPS模块、传感器模块(磁力计、气压计、陀螺仪、加速度计)、wifi模块、蓝牙模块，软件方面包含室外定位算法，室内定位引擎，室内地图解析：步骤a：终端上传GPS信号、wifi或者蓝牙信号、基站信号给后端，后端确定终端位置为室内还是室外，并将位置类型和位置数据回传给终端；步骤b：终端接收云端的计算结果，根据位置类型，如果是室外，做位置显示；如果是室内，调用室内定位引擎，做高精度定位计算，确定目标的高精度室内位置；步骤c：终端接收云端的计算结果，根据目标前后位置类型，做室内、室外定位的切换。2.根据权利要求1步骤a所述的方法，其特征在于，云端根据终端上传的信号确定终端的位置类型和位置坐标数据，包括：步骤a11：根据接收到的wifi或者蓝牙信号矢量，利用指纹定位算法计算目标像素位置，如果像素为有效值并且落在在室内，则判断目标位置在室内，将结果回传给终端；步骤a12：如果步骤a11的像素值无效，那么利用GPS、wifi信号、基站信号计算室外位置并回传给终端。3.根据权利要求1步骤b所述的方法，其特征在于，根据云端给出的粗定位信息，利用本地的传感器数据，基于室内电子地图的标注、wifi或者蓝牙信号指纹定位、惯性导航的组合室内定位方法，给出目标在室内的精确位置。包括：步骤b11：根据接收到的传感器数据，进行移动模态的确定；步骤b12：利用粒子滤波，根据云端给出的wifi指纹定位结果，结合步长和步向，给出新的目标室内位置，必要时进行粒子权重的调整；步骤b13：结合电子地图信息，进行误差纠正，保证稳定可靠的定位效果和定位精度。4.根据权利要求1步骤c所述的方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王庆文，
申请(专利权)人：王庆文，
类型：发明
国别省市：北京,11