一种管廊内人员定位方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种管廊内人员定位方法及装置，管廊内壁设置有N个蓝牙信标，N≥2，管廊内人员定位方法包括：利用任意两个蓝牙信标的坐标和对应的人员在惯性坐标系中的坐标确定第一坐标变换式；步骤(2)：计算人员在地图坐标系中的坐标，对粒子集的各个粒子的坐标和航向角进行初始化；步骤(3)：利用人员行走的步长和航向角的角增量对粒子的坐标和航向角进行更新，计算各个粒子的权重；步骤(4)：利用各个粒子的坐标和权重加权计算人员在地图坐标系中坐标的估计值。本发明专利技术蓝牙信标的稀疏布置大大节省了成本，便于实现，适用性强，结合惯导、蓝牙和地图信息，解决城市管廊内人员长时间高精度实时定位问题。

A Method and Device for Personnel Location in Pipe Gallery

The invention provides a personnel location method and device in a pipe gallery. The inner wall of the pipe gallery is provided with N Bluetooth beacons, N (> 2). The personnel location method in the pipe gallery includes: determining the first coordinate transformation formula by using the coordinates of any two Bluetooth beacons and the coordinates of the corresponding personnel in the inertial coordinate system; step (2): calculating the coordinates of the personnel in the map coordinate system, and calculating the coordinates of the particles in the particle set. Initialization of coordinates and heading angles; Step (3): Update the coordinates and heading angles of particles by using the increment of walking step and heading angle, and calculate the weight of each particle; Step (4): Use the coordinates and weights of each particle to calculate the estimated coordinates of personnel in the map coordinate system. The sparse layout of the Bluetooth beacon of the invention greatly saves the cost, is easy to realize, and has strong applicability. Combining inertial navigation, Bluetooth and map information, the problem of long-time high-precision real-time positioning of personnel in the urban pipe corridor is solved.

【技术实现步骤摘要】
一种管廊内人员定位方法及装置
本专利技术涉及一种定位方法及装置，尤其涉及一种管廊内人员定位方法及装置。
技术介绍
管廊定位属于室内定位的范畴，室内定位常用的方法主要包括：单纯利用惯导的方法、基于超宽带(UWB)的定位方法、RFID的方法以及基于蓝牙的方法等。基于惯导的方法会存在误差积累和方向漂移的问题，无法满足长时间的定位需求，UWB的方法收到多径的影响严重，并且施工复杂，尤其是在非视距范围内无法准确定位，RFID或者蓝牙的方法又存在定位精度较差、需要稠密布置等缺点。随着无线网络、移动计算等现代信息技术的发展，基于位置的服务已广泛应用于大众生产、生活中的各个方面。而GPS、GLONASS与北斗定位系统的相继建立，使得实时、准确的实现室外定位已不再困难。但由于信号遮挡、多道效应等因素影响，在室内时，GPS等卫星定位系统无法满足人们对定位精度的要求。因此，各种室内定位技术、方法应运而生。这些室内定位方法中，有单纯基于某一技术的，如：基于蓝牙、基于WIFI、基于超宽带、和基于微惯导等，也有将几种技术结合起来，克服各自劣势，实现定位的方法，如：将微惯导与超宽带融合、微惯导与WIFI融合等。综合管廊，是建在城市地下的管道综合走廊，其中安装有电力、通信，燃气、供热、给排水等各种工程管线，定位环境复杂。在这种环境中，基于无线电技术的定位方法必然因为信号被遮挡、多道效应等因素，使得定位成本升高、精度下降。基于无线电信号强度的定位方法(如蓝牙定位、WIFI定位、射频RFID定位等)，定位精度较差、且需要稠密布置。而超宽带定位，由于管廊狭长且岔道多，无法发挥超宽带定位范围广的优势，需要增加基站部署，导致增加成本与施工难度，且同样会由于遮挡及多道效应的影响而定位精度下降。而基于惯导的方法，由于工作时不依赖外界信息，故不易受到复杂管廊环境的干扰，但由于所用设备必须便于人员携带，因此惯导只能采用微惯导技术，而基于微机电传感器的微惯导，误差积累和方向漂移都比较大，无法满足长时间的定位需求。单纯利用IMU进行人员定位时，由于惯导解算的误差积累和方向漂移，定位误差会随着时间累积而变的不可接受。
技术实现思路
本专利技术为了解决基于无线电的定位技术受环境影响大而基于惯导的定位技术的误差累积较大的问题，提出了一种管廊内人员定位方法及装置。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种管廊内人员定位方法，其特征在于：管廊内壁的顶部或底部设置有N个蓝牙信标，N≥2，各个蓝牙信标的蓝牙编号及其在地图坐标系中的坐标为已知，所述管廊内人员定位方法包括：步骤(1)：利用任意两个蓝牙信标在地图坐标系中的坐标和人员从这两个蓝牙信标正下方经过时测量得到的人员在惯性坐标系中的坐标确定第一坐标变换式，所述第一坐标变换式为惯性坐标系中的坐标到地图坐标系中的坐标的坐标变换式；步骤(2)：构建粒子集，利用人员在惯性坐标系中的坐标和所述第一坐标变换式计算人员在地图坐标系中的坐标，利用人员行走的相邻两步中人员在地图坐标系中的坐标对粒子集的各个粒子的坐标和航向角进行初始化；步骤(3)：利用人员行走的一步的步长和在地图坐标系中该步的航向角相对于前一步的航向角的角增量对粒子集中各个粒子的坐标和航向角进行更新，计算各个粒子的权重；步骤(4)：利用粒子集中各个粒子在地图坐标系中的坐标和该粒子的权重加权计算人员在地图坐标系中坐标的估计值。本专利技术中，在管廊的顶部和底部设置至少两个蓝牙信标。当人员从先后经过两个蓝牙信标时，由于蓝牙信标在地图坐标系中的坐标为已知，即可通过这两个蓝牙信标在地图坐标系中的坐标和人员在惯性坐标系中的坐标确定惯性坐标系和地图坐标系的坐标变换关系，从而便于将蓝牙坐标、惯性坐标、地图坐标统一在地图坐标系中。由于粒子滤波用到了地图信息，并且最终也是转化到地图坐标在地图上进行显示，所以要先利用第一坐标变换式将惯性坐标系中的坐标转化到地图坐标系下面，再粒子滤波。。上述技术方案中，步骤(1)之前还包括如下步骤(P1-1)-(P1-5)：步骤(P1-1)：建立地图坐标系，确定各个蓝牙信标的蓝牙编号及其在地图坐标系中的坐标，且令设置人员行走步号k＝0，令第一标志align_flag＝0；步骤(P1-2)：若人员行走一步，则令k＝k+1，且在人员行走的第k步内扫描蓝牙信标且采集蓝牙信标的信号强度，且测量tk时刻人员在惯性坐标系中的坐标其中，人员完成第k步行走时为tk时刻；步骤(P1-3)：判断align_flag＝2是否成立，若判断结果为是，则执行步骤(3)，否则执行步骤(P1-4)；步骤(P1-4)：判断人员行走的第k步内是否从蓝牙信标的正下方经过，若判断结果为是，则令align_flag＝align_flag+1，然后记录该蓝牙信标在地图坐标系中的坐标(xP(align_flag),yP(align_flag))，且将tk时刻人员在惯性坐标系中的坐标记为(xQ(align_flag),yQ(align_flag))；步骤(P1-5)：判断align_flag＝2是否成立，若判断结果为是，则先执行步骤(1)再跳转到步骤(P1-2)，否则跳转到步骤(P1-2)；所述步骤(1)中：利用蓝牙信标的坐标(xP(1),yP(1))和(xP(2),yP(2))和人员在惯性坐标系中的坐标(xQ(1),yQ(1))和(xQ(2),yQ(2))确定第一坐标变换式，所述第一坐标变换式为其中，坐标(x(k),y(k))为tk时刻人员在地图坐标系中的坐标，Δθ＝tan-1((yP(2)-yP(1))/(xP(2)-xP(1)))-tan-1((yQ(2)-yQ(1))/(xQ(2)-xQ(1)))；所述步骤(2)为：利用坐标(x(k),y(k))对粒子集中各个粒子在地图坐标系中的坐标进行初始化，利用坐标(xP(2),yP(2))和坐标(x(k),y(k))对粒子集中各个粒子在地图坐标系中的航向角进行初始化，坐标(x(k),y(k))根据tk时刻人员在惯性坐标系中的坐标(xIMU(k),yIMU(k))和第一坐标变换式计算得到；所述步骤(3)为：利用第一航向角增量对tk时刻各个粒子在地图坐标系中的航向角进行更新，利用人员行走的第k步的步长、tk时刻各个粒子在地图坐标系中的航向角对tk时刻各个粒子在地图坐标系中的坐标进行更新，计算tk时刻各个粒子的权重wi(tk)，所述第一航向角增量为地图坐标系中人员行走的第k步的航向角相对于第k-1步的航向角的航向角增量，所述第一航向角增量根据坐标(x(k-1),y(k-1))、坐标(x(k),y(k))计算得到，所述人员行走的第k步的步长根据坐标(x(k-1),y(k-1))、坐标(x(k),y(k))计算得到，所述坐标(x(k-1),y(k-1))利用第一坐标变换式和坐标(xIMU(k-1),yIMU(k-1))计算得到，所述坐标(x(k),y(k))根据第一坐标变换式和坐标(xIMU(k),yIMU(k))计算得到；所述步骤(4)为：利用tk时刻粒子集中各个粒子在地图坐标系中的坐标以及tk时刻粒子集中各个粒子的权重，加权计算tk时刻人员在地图坐标系中坐标的估计值，返回执行步骤(2)；优选地，所述步骤(P1-5)中，还包括：判断(xP(1),yP(1))和(x本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种管廊内人员定位方法，其特征在于：管廊内壁的顶部或底部设置有N个蓝牙信标，N≥2，各个蓝牙信标的蓝牙编号及其在地图坐标系中的坐标为已知，所述管廊内人员定位方法包括：步骤(1)：利用任意两个蓝牙信标在地图坐标系中的坐标和人员从这两个蓝牙信标正下方经过时测量得到的人员在惯性坐标系中的坐标确定第一坐标变换式，所述第一坐标变换式为惯性坐标系中的坐标到地图坐标系中的坐标的坐标变换式；步骤(2)：构建粒子集，利用人员在惯性坐标系中的坐标和所述第一坐标变换式计算人员在地图坐标系中的坐标，利用人员行走的相邻两步中人员在地图坐标系中的坐标对粒子集的各个粒子的坐标和航向角进行初始化；步骤(3)：利用人员行走的一步的步长和在地图坐标系中该步的航向角相对于前一步的航向角的角增量对粒子集中各个粒子的坐标和航向角进行更新，计算各个粒子的权重；步骤(4)：利用粒子集中各个粒子在地图坐标系中的坐标和该粒子的权重加权计算人员在地图坐标系中坐标的估计值。

【技术特征摘要】
1.一种管廊内人员定位方法，其特征在于：管廊内壁的顶部或底部设置有N个蓝牙信标，N≥2，各个蓝牙信标的蓝牙编号及其在地图坐标系中的坐标为已知，所述管廊内人员定位方法包括：步骤(1)：利用任意两个蓝牙信标在地图坐标系中的坐标和人员从这两个蓝牙信标正下方经过时测量得到的人员在惯性坐标系中的坐标确定第一坐标变换式，所述第一坐标变换式为惯性坐标系中的坐标到地图坐标系中的坐标的坐标变换式；步骤(2)：构建粒子集，利用人员在惯性坐标系中的坐标和所述第一坐标变换式计算人员在地图坐标系中的坐标，利用人员行走的相邻两步中人员在地图坐标系中的坐标对粒子集的各个粒子的坐标和航向角进行初始化；步骤(3)：利用人员行走的一步的步长和在地图坐标系中该步的航向角相对于前一步的航向角的角增量对粒子集中各个粒子的坐标和航向角进行更新，计算各个粒子的权重；步骤(4)：利用粒子集中各个粒子在地图坐标系中的坐标和该粒子的权重加权计算人员在地图坐标系中坐标的估计值。2.根据权利要求1所述的管廊内人员定位方法，其特征在于：步骤(1)之前还包括如下步骤(P1-1)-(P1-5)：步骤(P1-1)：建立地图坐标系，确定各个蓝牙信标的蓝牙编号及其在地图坐标系中的坐标，且令人员行走步号k＝0，令第一标志align_flag＝0；步骤(P1-2)：若人员行走一步，则令k＝k+1，且在人员行走的第k步内扫描蓝牙信标且采集蓝牙信标的信号强度，且测量tk时刻人员在惯性坐标系中的坐标(xIMU(k),yIMU(k))，其中，人员完成第k步行走时为tk时刻；步骤(P1-3)：判断align_flag＝2是否成立，若判断结果为是，则执行步骤(3)，否则执行步骤(P1-4)；步骤(P1-4)：判断人员行走的第k步内是否从蓝牙信标的正下方经过，若判断结果为是，则令align_flag＝align_flag+1，然后记录该蓝牙信标在地图坐标系中的坐标(xP(align_flag),yP(align_flag))，且将tk时刻人员在惯性坐标系中的坐标记为(xQ(align_flag),yQ(align_flag))；步骤(P1-5)：判断align_flag＝2是否成立，若判断结果为是，则先执行步骤(1)再跳转到步骤(P1-2)，否则跳转到步骤(P1-2)；所述步骤(1)中，利用蓝牙信标的坐标(xP(1),yP(1))和(xP(2),yP(2))和人员在惯性坐标系中的坐标(xQ(1),yQ(1))和(xQ(2),yQ(2))确定第一坐标变换式，所述第一坐标变换式为其中，坐标(x(k),y(k))为tk时刻人员在地图坐标系中的坐标，Δθ＝tan-1((yP(2)-yP(1))/(xP(2)-xP(1)))-tan-1((yQ(2)-yQ(1))/(xQ(2)-xQ(1)))；所述步骤(2)为：利用坐标(x(k),y(k))对粒子集中各个粒子在地图坐标系中的坐标进行初始化，利用坐标(xP(2),yP(2))和坐标(x(k),y(k))对粒子集中各个粒子在地图坐标系中的航向角进行初始化，坐标(x(k),y(k))根据tk时刻人员在惯性坐标系中的坐标(xIMU(k),yIMU(k))和第一坐标变换式计算得到；所述步骤(3)为：利用第一航向角增量对tk时刻各个粒子在地图坐标系中的航向角进行更新，利用人员行走的第k步的步长、tk时刻各个粒子在地图坐标系中的航向角对tk时刻各个粒子在地图坐标系中的坐标进行更新，计算tk时刻各个粒子的权重wi(tk)，所述第一航向角增量为地图坐标系中人员行走的第k步的航向角相对于第k-1步的航向角的航向角增量，所述第一航向角增量根据坐标(x(k-1),y(k-1))、坐标(x(k),y(k))计算得到，所述人员行走的第k步的步长根据坐标(x(k-1),y(k-1))、坐标(x(k),y(k))计算得到；所述步骤(4)为：利用tk时刻粒子集中各个粒子在地图坐标系中的坐标以及tk时刻粒子集中各个粒子的权重，加权计算tk时刻人员在地图坐标系中坐标的估计值，返回执行步骤(2)；优选地，所述步骤(P1-5)中，还包括：判断(xP(1),yP(1))和(xP(2),yP(2))是否为同一个点，若判断结果为是，则令align_flag＝1且跳转到步骤(P1-2)，否则执行步骤(1)再跳转到步骤(P1-2)。3.根据权利要求2所述的管廊内人员定位方法，其特征在于：所述步骤(P1-3)中，还包括：判断是否满足第一条件，所述第一条件为人员行走的第k步内从任意一个蓝牙信标的正下方经过；若判断j＝2成立且判断不满足第一条件，则执行步骤(3)；若判断j＝2成立且判断满足第一条件，则将粒子集中各个粒子在地图坐标系中的坐标清零，利用第n个蓝牙信标在地图坐标系中的坐标对粒子集中各个粒子在地图坐标系中的坐标进行初始化，且各个粒子在地图坐标系中的航向角不变，再执行步骤(3)；若判断j＝2不成立，则执行步骤(P1-4)。4.根据权利要求2所述的管廊内人员定位方法，其特征在于：所述步骤(3)中还包括：判断是否满足第二条件，所述第二条件为人员行走的第k步内未从蓝牙信标的正下方经过且存在rssk,n，使得rssk,n＞rss_min_limit，其中rss_min_limit为蓝牙信标的蓝牙信号强度可用门限值；若判断结果为是，则根据rssk,n计算tk时刻各个粒子的权重，且根据tk时刻各个粒子的权重对粒子进行重采样，否则粒子的权重保持不变；优选地，若判断满足第二条件，则利用下式计算tk时刻第i个粒子的权重wi(tk)其中，rangen(tk)为tk时刻人员与第n个蓝牙信标之间的距离，range_bi,n(tk)为tk时刻第i个粒子与第n个蓝牙信标之间的距离，σ为rangen(tk)的测量误差所服从的高斯分布的标准差；更优选地，利用下式计算tk时刻人员与第n个蓝牙信标之间的距离其中c_en为定位环境中蓝牙信号传输时的衰减因子，RSSrange为距蓝牙信标1m处采集到的该蓝牙信标的信号强度。5.根据权利要求1-4所述的管廊内人员定位方法，其特征在于：判断人员行走的第k步内从第n个蓝牙信标的正下方经过的条件是成立，其中n∈{1,2,...,N}，rssk,n为人员行走的第k步内采集到的第n个蓝牙信标的信号强度，其中为第n个蓝牙信标的信号强度的第一标定值；优选地，为多次经过第n个蓝牙信标下方时，每次采集到的该蓝牙信标的信号强度的最大值构成的集合中的最小值；更优选地，根据最大信号强度标定方法计算，所述最大信号强度标定方法包括：步骤(A1)：人员依次从N个蓝牙信标的正下方经过，且将此过程重复q次，以固定扫描周期扫描蓝牙信标且采集蓝牙信标的信号强度，且将一个扫描周期内可扫描到的所有蓝牙信标的蓝牙...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵涛，罗小勇，杨丛昊，
申请(专利权)人：湖南格纳微信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43