[发明专利]一种基于自适应粒子滤波器算法的地磁室内定位系统

说明书

技术领域

本发明涉及传感器，人工智能以及移动计算领域，尤其涉及基于粒子滤波算法和智能手机传感器进行地磁室内定位的系统。

背景技术

随着越来越多的基于位置来提供服务的应用的出现，利用手机进行精确室内定位成为了一大研究热点。由于GPS信号受到建筑物的阻挡，在室内环境无法应用，所以研究者们提出了许多新型的室内定位的方法。常见的几种方法包括：超声波定位技术，Wi-Fi Fingerprint技术，惯性传感器(加速度传感器，罗盘，陀螺仪等)定位技术等。

超声波定位技术主要利用超声波进行测距，然后通过三角测距法进行定位。使用前需要在室内布置超声波应答器，当接收到手机发射的超声波信号后，反射信号给手机。手机通过测量发射和接收的时间差估计手机距离各个应答器的距离，然后利用三角测距原理获得精确定位。其优点在于定位精度高，缺点是容易受到多径效应的影响，而且需要布置大量的基础设施，造价高。

Wi-Fi Fingerprint定位技术是目前最为火热的定位技术，它通过测量室内各个Wi-Fi热点信号强度RSSI实现定位。主要方法是要先在室内各个位置点测量各个Wi-Fi AP的信号强度得到一个Wi-Fi指纹<RSSI₁,RSSI₂,…,RSSI_n,Location>，最终形成一个Wi-Fi指纹数据库。当用户需要定位时，只需要测量当前Wi-Fi热点的信号强度，然后和指纹数据库进行匹配，就可以完成定位。其优点在于Wi-Fi设备几乎处处可见，不需要额外的布置，而且定位方便快捷，缺点在于需要测量得到指纹数据库较为费时费力，精度低，不稳定，扫描Wi-Fi信号还比较耗电，不适于连续跟踪用户位置。

惯性传感器定位技术主要是在假设已知用户初始位置的情况下，利用手机的惯性传感器来测量用户的行走速度和方向，从而跟踪用户的位置。这类方法的特点在于不需要额外的基础设置，简单方便，耗电低，但是容易产生累积误差，定位精度低。

利用地磁场信号进行定位是一种较为新型的定位技术。其理论基础在于，在室内环境下，地磁场受到室内其他磁场源(如钢筋结构，大型电磁设备等)的影响，而使得磁场发生扭曲，使得各个位置点的地磁信号都不相同，从而形成了类似Wi-Fi指纹一样的地磁指纹。而且智能手机中基本都集成了磁强计。另外，利用粒子滤波技术将地磁数据和惯性传感器数据融合起来进行定位能够实现更加精确的定位，这种方法最初被用于机器人定位领域，然而在通过手机传感器获取数据会引入更多的噪声，而且对人的动作识别也会产生更多的误差，这些噪声和误差极易导致粒子滤波器失效。更严重的问题是在手机采集的地磁场数据是一个三维向量，每个分量代表了磁场在手机的x,y,z方向上磁场强度。同一个地点，当手机方向发生偏转，读到的磁场向量也会发生变化。因此已有的方法不得不要求用户使用时固定手机的朝向，使用非常不便。另外一个难点在于，不同的手机，在同一个地点，同一个朝向状态下地磁读数仍然存在偏差，需要校准。

发明内容

本发明主要针对以上背景技术中的不足，提供一种利用智能手机的传感器读取的地磁场信号进行精确室内定位的方法，该方法不需要额外的基础设施，耗电低，应用广泛；更重要的是，该方法不限制手机的朝向和使用，具有更好的鲁棒性和实用性。最后该定位方法取得了非常高的定位精度。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于自适应粒子滤波器算法的地磁室内定位系统及其方法，包括一个高效的地磁指纹数据的收集方法和一个自适应粒子滤波器算法，该定位系统适用于各类集成了加速度传感器、陀螺仪和磁强计的智能手机。

所述高效的地磁指纹数据收集方法主要功能是利用手机磁强计快速地收集室内地磁信号，转化为地磁指纹模型，最终通过插值得到高密度<地磁指纹，位置>数据库，它包括三个过程：首先将所要收集地磁数据的区域用平行的直线路径分割；接着收集者需要拿着运行着地磁数据收集程序的手机，沿着这些路径匀速缓慢行走，收集每条路线上的地磁数据；最后，我们通过插值的方式，将两条线之间的地磁数据补齐，从而得到高密度的地磁指纹数据库。所述地磁数据收集程序是基于智能手机开发的应用软件，用户能够在该程序上设置和选择路线，该应用主要收集地磁数据和重力加速度数据，并进行数据处理，转换为粒子滤波器算法需要的地磁指纹模型，最后和其对应的位置一起存入数据库。