一种基于室内地磁场信息和智能手机的室内区域定位系统技术方案

一种基于地磁场和智能手机的室内地磁定位系统，其特征在于：包括搜集特征信息的采集模块，运行在服务器端的定位计算模块，数据处理模块，智能手机和服务器端之间的通信模块。所述地磁定位系统利用智能手机上嵌入的地磁传感器预先搜集室内区域内的地磁场分布特征，从中提取出不同位置地磁场信息以及不同路径上地磁场的变化情况，建立地磁场和位置间的关联；同时设计了灵活的定位方式，包括基于欧几里得距离的单个位置定位，以及基于豪斯多夫距离的轨迹信息匹配。本发明专利技术在普通的单层室内建筑内能够在1m的定位精度下达到85%的准确率，且无需在室内部署额外的设施，应用成本低且易于推广。

【技术实现步骤摘要】
一种基于室内地磁场信息和智能手机的室内区域定位系统
本专利技术属于室内定位领域，涉及一种结合室内区域地磁场信息与智能手机上多种传感器的室内定位系统。
技术介绍
基于位置的服务随着经济的发展和城市建设的不断完善而迅速发展并呈现出广阔的前景。室外区域下借助卫星和基站提供的位置服务是精准而有效的，但在室内区域内，受限于建筑物对信号的遮挡、在室内区域内信号的多径效应和信号的非视距传播方式等原因，基于CELL-ID、卫星等的传统室外定位手段存在着信号差、定位不准确等缺陷，无法满足室内定位在定位精度和响应时间等方面的需求。在空间范围更小的室内区域，用户对于定位精度、响应时间等的要求都要高于室外区域。为了实现这种高精度的定位，在基于卫星或基站等的定位手段原本在室内区域就受到不小干扰，精度受限的前提下，常见的室内定位方法是利用在室内区域内有差别性分布的信号源如WiFi、蓝牙和RFID等实现小范围内的位置匹配。这些技术都是利用各自射频信号在室内传播时信号强度等信息在不同位置上呈现的差异，通过待定位设备和区域内的信号源的交互进行匹配和定位得到结果。但要使得信号源覆盖整个室内范围需要事先布置信号发射装置，对于基础设施的要求高，这一点并不利于技术在实际应用上的推广。其中的WiFi热点尽管已经广泛的布置于室内建筑特别是商场和住房等建筑内，但其信号的精度受信号衰减、人体阻挡和多径效应等的影响，单独作为位置指纹也存在着一定的缺陷。此外，行人航机推算技术(PDR)，是一种利用上一次的位置信息预估经过一段变化后位置的定位导航方法，尽管这种定位方法不需要额外的信号源，但需要预先确定初始位置，此外，也存在着误差会逐渐累积的缺点。地球周围分布着天然的地球磁场，而在室内区域内，受钢筋混泥土墙体和建筑物结构等因素对磁场带来的干扰，室内区域内的地磁场呈现出独特的分布特点，不同位置的磁场有所不同，这使得利用每个位置独特的地磁信息作为位置指纹进行定位成为了可能。再加上随着智能手机的逐渐普及和智能手机上丰富的传感器，利用智能手机上装载的地磁传感器能方便有效的收集室内的地磁信息，使得无需另外布置设备进行室内定位成为了可能。在利用地磁场进行定位上，大多数的方法是将地磁和WiFi定位、行人航迹推算(PDR)等结合，在利用WiFi信号强度或者行人航迹推算的基础上把地磁信号作为一种辅助手段。在结合惯性信息比如上一次定位结果、行走的步数、步长和移动方向，通过粒子滤波等方式来推断可能的位置能够有效的缩小匹配的范围，但这一方法要求连续的采集信息，更适合用于在一段时间内的室内导航。在定位方法上，为了满足单点匹配的需求，设计了一种基于欧几里得距离的最邻近法。最邻近法是一种简单而又直接的匹配方法，也可以看作是k最邻近法（KNN）的一种特殊情况，假定待计算的数值能够用欧式空间里的点来表示，根据最优解判断准则，选择欧几里德空间中和待匹配点之间距离最近的点作为结果。欧几里德距离即欧式距离，是一种通用的定义距离的方法，能够代表某一确定维度中所处的两个点的实际的距离，欧几里德空间可以被扩展到任何维度。最邻近法通过欧式距离来进行衡量，是一种确定性的匹配。对于轨迹的匹配，选择了能够计算空间内真子集之间距离的豪斯多夫距离作为轨迹所包含数据集的度量标准。针对室内定位的实际需求和现有技术的不足，利用地磁场受环境影响而在室内呈现出的独特分布，通过地磁场在不同位置的数值以及地磁场的变化作为位置指纹，在无需额外部署设备的情况下实现了室内区域的高精度定位。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于智能手机的室内地磁定位系统及对应的定位算法，在将待定位的室内区域划分成网格后，通过每个位置上的不同方向上三轴地磁传感器的分量x、y、z和地磁场在整个区域内的变化情况，结合智能手机的方向信息，在客户端/服务器的架构下实现高精度实时定位。具体通过以下的技术方案实现。本所述的基于智能手机的室内地磁定位系统，使用带有地磁传感器、方向传感器和陀螺仪的智能手机，其中地磁传感器用于获取地磁场信息，方向传感器和陀螺仪用于确定手机的姿态信息。如附图一所示，本专利技术的室内定位系统一共包括采集模块、数据处理模块、定位计算模块和通信模块几个部分构成。采集模块在数据预采集时和定位时通过智能手机采集当前位置下地磁传感器等的数值；数据处理模块则负责对智能手机收集到的数据进行一些处理，包括从原始数据中提取出定位需要的数据和使用滤波算法等方法减少误差；定位计算模块主要负责位置匹配计算，在接收到智能手机传输的数据后进行匹配计算并将结果返回；而显通信模块负责服务器和智能手机间的数据传输。定位系统主要包括以下几个步骤。步骤1：在需要进行定位的室内区域建立坐标系，在平面图的基础上将平面信息以网格的形式绘制，同时对于每一个网格，在室内区域相对应的实际位置，按设计的定位方式采集数据，对于每一个网格也就是定位的坐标参考点，处理并存储采集到的数据，构成整个定位系统的位置指纹图。步骤2：通过智能手机上的地磁传感器，能够获取当前智能手机所处位置的读数的实时值，在需要进行定位时，智能手机记录当前时刻包括地磁传感器在内的传感器的值，并通过网络发送给服务器。步骤3：服务器在接收到数据后进行定位，定位阶段根据发送的数据调用相关匹配算法。匹配算法将智能手机发送信息和位置指纹数据库中的信息进行计算和比较，根据匹配算法找出位置指纹数据库中和智能手机发送的信息匹配度最高的一组，以这一组数据作为用户在室内区域中的最佳匹配位置。步骤4：服务器返回结果并在手机端输出。进一步，在步骤1中，数据的采集方式主要包括单点信息的采集和轨迹信息的采集，其中单点信息的数据形式为，其中Loc表示这条数据在地图上的位置，Ori为手机的方向信息，分别为三轴地磁传感器采集到的数据，在一个网格可以采集不同方向上的地磁场信息。另一种利用地磁变化率的定位方法，其数据格式为：(,,,），其中，地磁矢量的模通过如下公式计算。而地磁变化率数据通过如下公式计算。其中i和i+1代表相邻的两个点。进一步，在步骤3中，所述匹配算法主要包括基于欧几里得距离的最邻近法和豪斯多夫距离法。对于欧几里得距离，若待定位的数据为()，则和位置指纹库中的每条数据间的欧几里得距离计算公式为。而对于轨迹的匹配，假设智能手机中采集的数据集用A表示，B表示预先采集的轨迹中的一条，则豪斯多夫距离的计算公式如下。其中。表示距离范数，这里用欧式距离来表示。对于上述的欧几里得距离和豪斯多夫距离两种度量相关度的方法，都是找出计算结果中的最小值，对应的点作为定位的结果。本专利技术的有益效果在于以下几点。(1)相较于其他室内定位方法，由于利用的是天然存在的室内地磁场，不需要额外的在室内部署设备。(2)相较于其他室内定位方法，定位方式简单，使用者采集一次数据即可获得定位结果，同时也可以通过行走的轨迹进行匹配。(3)系统的应用范围广，涵盖了日常中绝大部分的室本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于室内地磁场信息和智能手机的室内定位系统，其特征在于：系统包括数据采集模块、数据处理模块、定位计算模块和通信模块；其中：/n所述数据采集模块，用于读取智能手机上的地磁传感器、方向传感器等多种传感器的读数；/n所述数据处理模块，是指室内平面图以及室内不同位置处预先采集的传感器读数的处理，包括进行一些处理，包括从原始数据中提取出定位需要的数据和使用滤波算法等方法减少误差之后对数据进行存储；/n所述定位计算模块，用于实现位置的计算，通过实时采集的信息和系统内存储的数据之间按设计的匹配算法进行计算，得到定位的结果；/n所述通信模块，是指利用WiFi或者蜂窝移动通信技术在智能手机和服务器间建立连接，进行数据传输，包括将智能手机采集的数据传输到服务器端和返回定位结果到智能手机上。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于室内地磁场信息和智能手机的室内定位系统，其特征在于：系统包括数据采集模块、数据处理模块、定位计算模块和通信模块；其中：
所述数据采集模块，用于读取智能手机上的地磁传感器、方向传感器等多种传感器的读数；
所述数据处理模块，是指室内平面图以及室内不同位置处预先采集的传感器读数的处理，包括进行一些处理，包括从原始数据中提取出定位需要的数据和使用滤波算法等方法减少误差之后对数据进行存储；
所述定位计算模块，用于实现位置的计算，通过实时采集的信息和系统内存储的数据之间按设计的匹配算法进行计算，得到定位的结果；
所述通信模块，是指利用WiFi或者蜂窝移动通信技术在智能手机和服务器间建立连接，进行数据传输，包括将智能手机采集的数据传输到服务器端和返回定位结果到智能手机上。


2.根据权利要求1所述的室内地磁场信息和智能手机的室内定位系统，其特征是，所述数据采集模块具体为：调用智能手机传感器功能的接口，获取智能手机上的地磁传感器、方向传感器、加速度传感器和陀螺仪的实时读数，并将结果以文本形式输出。


3.根据权利要求1所述的室内地磁场信息和智能手机的室内定位系统，所述数据处理模块的特征在于：
建立待定位的区域的平面图并将区域细分成网格，并设定可能的行走路径；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘佳兴，
申请(专利权)人：刘佳兴，
类型：发明
国别省市：江西;36