一种基于iBeacon和PDR融合的室内定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于iBeacon和PDR融合的室内定位方法，包括下述步骤：S1，采用iBeacon定位算法进行定位：首先定位终端接收到iBeacon基站发来的RSSI信号，然后根据RSSI测距模型计算出定位终端到iBeacon基站的直线距离d，然后再根据高度补偿法，得出iBeacon基站与定位终端的平面距离；本发明专利技术利用苹果公司提出的iBeacon基站定位是基于蓝牙Ble4.0技术，功耗较低布置简单，结合现在Android手机自带的传感器，不需要大量花费购置如红外线、超声波等另外的设备，大大的节省了室内定位的成本，而且利用两种室内定位技术互补的思想，克服单一定位技术所带来的技术缺陷与不足，在定位精度和稳定性方面也有较大的提高。

An Indoor Location Method Based on Integration of iBeacon and PDR

The invention discloses an indoor positioning method based on iBeacon and PDR fusion, which includes the following steps: S1, using iBeacon positioning algorithm to locate: firstly, the positioning terminal receives RSSI signal from iBeacon base station, then calculates the linear distance d from the positioning terminal to iBeacon base station according to RSSI ranging model, and then obtains iBeacon base station and positioning terminal according to height compensation method. The iBeacon base station positioning proposed by Apple is based on Bluetooth Ble4.0 technology, which has low power consumption and simple layout. Combined with the sensor of Android mobile phone, it does not need to spend a lot of money to purchase other equipment, such as infrared, ultrasound and so on, which greatly saves the cost of indoor positioning, and uses the idea of complementarity of two indoor positioning technologies. To overcome the technical defects and shortcomings caused by single positioning technology, the positioning accuracy and stability have also been greatly improved.

【技术实现步骤摘要】
一种基于iBeacon和PDR融合的室内定位方法
本专利技术涉及无线传感器定位
，具体涉及一种基于iBeacon和PDR融合的室内定位方法。
技术介绍
随着无线传感技术和手机微型传感器技术的不断发展，人们对于基于位置服务LBS(Location-Based-Services)的需求量也在不断的增加。虽然目前的主流室外定位技术GPS已经满足大多数人室外定位的需求，但是在室内定位时由于建筑物的遮挡，造成无线信号的反射、衰减，以至于定位的误差较大，不能够满足人们的需求。相比之下基于高精度、低功耗的无线传感器(WirelessSensorNetwork，WSN)定位技术得到了大量科研学者的重视和研究，具有广泛的应用前景。近年来，许多研究机构和科技公司，针对室内定位问题开展了大量研究，例如基于移动通信网络的辅助GPS(A-GPS)、伪卫星(Pseudolite)、射频识别(RFID)室内定位、无线局域网(WLAN)室内定位、ZigBee室内定位、超宽带(UWB)室内定位、蓝牙(Bluetooth)室内定位、地磁、惯性导航定位、红外线室内定位、计算机视觉室内定位、光跟踪定位、超声波室内定位等。虽然其中有些技术已经可以达到很高的定位精度，但相应的也具有许多不同的缺点，如系统复杂度较高、部署难度大、需要高额的组建和维护费用、容易受到空气中无线射频的干扰等。基于单一技术的室内定位难以满足高精度的定位需求。因此，对基于多种技术融合的定位系统的研究越来越迫切。采用各种辅助的方式来增强系统定位的实时性和适用性、降低部署成本，成为当前室内定位的关键。智能手机越来越受到人们的青睐，它们除了可以提供更好的软件功能之外，还包含很多先进的硬件设施，如WiFi模块、蓝牙模块和各种惯性传感器等，研究人员可以直接使用这些硬件设施开发出室内定位系统，从而大大的降低了定位成本，维护等费用。如图1所示，目前，典型的室内定位技术主要包括红外线、超声波、蓝牙、WiFi、LED可见光、惯性导航、ZigBee等定位技术。(1)红外线定位技术：红外线室内定位技术定位的原理是，红外线标识发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器进行接收，进而对用户位置进行演算，最终完成定位；该技术有两种实现方案，一种是由待测物携带红外线信号源，通过发射调制过的红外线到光参考点的光学传感器来测距和定位；第二种是在室内设置多对红外线发射和接收器待测物只要遮挡住红外线就可以被探知定位。由于红外线只能视距传播、传播距离短、穿透性差、易受灯光影响等缺点，限制了其在复杂室内环境中的应用，红外线定位具有较高的定位精度，但它很容易受到其他障碍物的遮挡出现定位错误，它需要布置大量的收发设备，会对人体健康造成威胁，所以不在行人室内定位方案中采用，主要用于军工方面。(2)超声波定位技术：该技术根据超声波测距原理，通过发射波和返回波的时间差判断待测物与参考点之间的距离，利用待测物和多个参考点的距离进行三角定位确定它的位置；基于超声波的定位方案有剑桥大学开发的ActiveBat定位系统和麻省理工大学开发的与射频技术相结合的Cricket定位系统。超声波定位整体精度很高，但是反射测距时受多径干扰和非视距传播影响较大，它需要布置多个的测量设备，硬件开销较大，实现成本较高。(3)蓝牙定位技术：利用蓝牙拥有的短距离、低功耗优势，先在室内关键位置安装适当的蓝牙AP，再把蓝牙网络配置成多用户的基础网络连接模式，通过测量蓝牙AP的接收信号强度指示(ReceivedSignalStrengthIndicator，RSSI)进行定位。例如，诺基亚通过高精度室内定位(HighAccuracyIndoorPositioning，HAIP)技术实现定位并努力使它成为蓝牙协议的一部分，这样只要设备带有蓝牙模块就能够使用这种技术进行定位，通过在室内安装覆100m×100m范围的蓝牙定位发射台，移动设备和蓝牙接入点之间进行通信完成定位，定位精度在0.3m～1m，2013年苹果公司开发了iBeacon蓝牙室内定位系统，该系统采用蓝牙4.0技术，功耗非常低。随着硬件的普及，现在多数的Android智能手机都已经支持蓝牙4.0，此外谷歌公司的Nearby也使用了蓝牙定位技术。(4)WiFi定位技术：WiFi(WirelessFidelity)无线保真技术是一种商速率、高覆盖度、高带宽的无线局域网(WLAN)，它基于IEEE802.11标准，并且几乎不受非视距影响，属于通信中的短距离通信技术，它具有高速率、高宽带、高覆盖率的特点。该技术主要有两种实现方法：位置指纹法和信号传播衰减模型，它们都是基于待测物接收到的信号强度进行定位的；它的突出优势有：第一，无线电波的覆盖范围广，最近由Vivato公司推出的一款新型交换机能够把WiFi通信距离扩大到约6.5km，而蓝牙的通信半径大约只有15m；第二，WiFi的传输速度非常快，可高达11Mpbs，满足人们生活中的需求；第三，WiFi的技术成本低，有利于很多厂家进入该领域。WiFi的主要特点是传输速率商，可靠性高，建网快，便捷，可移动性好，组网价格低廉。WiFi定位技术虽然成本较低布置简单，但是往往受外界干扰比较大而且定位误差较大，其功耗也大。(5)LED可见光定位技术：LED定位技术主要是以LED灯具为基础，让LED灯具发出一定规律和频率的光信号，再使用智能手机的摄像头接收该光信号，并进行检测、计算定位信息，该定位技术不需要用户将手机摄像头对准特定方向，就可以接收反射来的光信号。该定位技术的定位精度可以在1米之内，ByteLight是LED定位技术的代表。LED定位技术需要使用特殊的芯片，还需要特定的LED灯具，成本较高，不利于该技术的广泛推广。(6)基于惯性导航定位：惯性测量装置主要包括加速度计和陀螺仪(又称惯性导航组合)，惯性元件用来测量运载体本身的加速度和角速度，经过积分得到速度和方向，再对速度积分得到位移，在初始位置已知的情况下确定位置，实现对运载体导航定位的目的。惯性导航定位工作时一般不需要依赖外界信息，也不向外界发射信号，因此不易受外界环境的干扰，是一种应用较广泛的自主式导航系统。美国的NAVISEER及国内的龙旗瑞谱科技、上海消防研究所等机构都开展了惯性导航定位的研究，行人航迹推算(PedestrainDeadReckoning，PDR)法，该方法是根据行人步态特征提出的一种相对定位方法。在已知起始位置的情况下，它通过传感器数据的变化，估算行人的步数、步长和航向，从而确定行人的位置。PDR的优点在于定位的自主性和连贯性，不受复杂室内环境限制，在短时间内有很好的定位精度。目前，大多数的移动终端都配备了相关的惯性传感器，这使得它易于实现，普及也较为容易。但PDR只能做相对定位，并且存在累积误差，所以在目前的定位方案中行人航迹推算法常被用来和其他定位技术结合使用。惯性导航技术依赖惯性传感器在短时间内定位效果比较好，但长时间容易积累误差，导致定位精度急剧下降。(7)ZigBee定位技术：ZigBee是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的新兴无线网络技术，其拥有短距离、低速率、低成本的优点。因为其数据传输方式类似蜜蜂采蜜时的“Z”字形舞蹈，所以命名为ZigBee。Zi本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于iBeacon和PDR融合的室内定位方法，其特征在于，包括下述步骤：S1，采用iBeacon定位算法进行定位：首先定位终端接收到iBeacon基站发来的RSSI信号，然后根据RSSI测距模型计算出定位终端到iBeacon基站的直线距离d，然后再根据高度补偿法，得出iBeacon基站与定位终端的平面距离，当定位终端接收到三个以上不同iBeacon基站的RSSI信号时，即可得出与三个以上不同iBeacon基站的水平距离，而且这些基站的坐标已知，即可对定位终端进行定位；其中，所述RSSI测距模型如下述公式(1)所示：

【技术特征摘要】
1.一种基于iBeacon和PDR融合的室内定位方法，其特征在于，包括下述步骤：S1，采用iBeacon定位算法进行定位：首先定位终端接收到iBeacon基站发来的RSSI信号，然后根据RSSI测距模型计算出定位终端到iBeacon基站的直线距离d，然后再根据高度补偿法，得出iBeacon基站与定位终端的平面距离，当定位终端接收到三个以上不同iBeacon基站的RSSI信号时，即可得出与三个以上不同iBeacon基站的水平距离，而且这些基站的坐标已知，即可对定位终端进行定位；其中，所述RSSI测距模型如下述公式(1)所示：公式(1)中，P(d)表示距离iBeacon基站直线距离为d时定位终端接收到的信号强度，即RSSI信号值；P(d0)表示距离iBeacon基站为d0时定位终端接收到的信号功率；d0为参考距离，为了便于计算，选择1m为参考距离；n是路径损耗指数，由实际测量得到，障碍物越多，n值越大，从而接收到的平均能量下降的速度会随着距离的增加而变得越来越快；公式(1)经过变形后如下述公式(2)所示：RSSI＝A-10nlg(d)，(2)其中，d为定位终端到基站的距离，通过公式(2)即可求出距离d；然后采用最小二乘法进行位置估计，具体步骤如下：S1.1，建立信标节点(xn，yn)与未知节点(x，y)距离方程组，如下述公式(3)所示：S1.2，将S1.1中的公式(3)变换成为下述公式(4)：AX＝b，(4)其中，S1.3，求解未知节点(x，y)的坐标，将S1中的公式(2)进行最小二乘法变换，如下述公式(6)所示：X＝(ATA)-1ATb；(6)S2，采用PDR定位算法进行定位，具体步骤如下：S2.1，步伐检测；通过手机终端内置的九轴传感器采集行人在行走的过程中，其加速度传感器的x、y、z三个轴的数据变化，为了使测量的数据更加准确，采用三个坐标轴的合加速度acc合进行计算，如下述公式(7)所示：S2.2，步长估计；步长的估计lstep通过下述公式(8)来实现：其中，每走一步在一个周期中会出现一个最大值波峰记为amax，一个最小值波谷记为amin，两次分别出现的时间为Tpeak、Tvalley，k1、k2分别为比例系数；S2.3，航向估计；为了避免身体摆动导致的航向判别误差，将航向角度进行划分，由于行人定位相对较多的情况是在走廊处，依据我国房屋普遍正南正北而建的习惯，划定东南西北四个方向各占20°，其余部分以每份10...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋涛，韩国军，何瑞泉，方毅，蔡国发，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44