[发明专利]一种基于信息融合的超市内定位导航方法

权利要求书

1.一种基于信息融合的超市内定位导航方法，其特征在于：其使用一种定位导航系统，该系统由电子货架标签、无线中继节点、WIFI路由、服务器组成；所述电子货架标签由显示屏、带微控制器的蓝牙组成；所述无线中继节点由带微控制器的蓝牙和WIFI通信模块组成；所述服务器可通过WIFI路由和无线中继节点向电子货架标签发送修改商品价格显示信息、电子货架标签所在位置坐标等功能；待定位手机事先已安装定位导航APP软件；

所述方法包括如下步骤：

1)将超市或其它类似商场的商品布局、室内场地制作成一张室内地图，并对电子货架标签、无线中继节点在此地图上进行坐标标记；定位导航APP软件已含有此地图信息；

2)手机内带的陀螺仪完成角度测量、加速度传感器实现加速度测量，陀螺仪和加速度传感器获取的数据通过转换获得以地面作为参考系，并已去除重力的加速度；

在行走时，a_z波形为近似周期性波形，可通过起步、停止检测；通过加速度滤波，并将连续的a_z波形以一个完整周期的近似正弦波进行分割，通过加速度零速补偿，补偿方法如式(1)所示：

azn′(t)=azn(t)-vn(t2)-vn(t1)t2-t1·1Ts---(1)]]>

式中，t₁，t₂为分割后的一个完整周期加速度起始和结束时间，T为采样时间，a_zn(t)为补偿前Z轴加速度，a'_zn为补偿后Z轴加速度；速度v_n可表示为：

vn=v0+12az0Ts+Σi=0n-1aziTs+12anTs---(2)]]>

式中，v₀为初始速度，n为分割后完整周期加速度个数；

通过加速度零速补偿后，进行卡尔曼滤波，进一步去除高斯噪声，获得更平稳的加速度，并通过波峰、波谷检测；进一步的实现步数、步长检测；步长SL可表示为：

SL=110(Σi=1N|azi|Nc2Δtpp·app)c1---(3)]]>

式中，N为一个完整周期加速度采样点数，a_zi为加速度采样值，Δt_pp为加速度波峰到波谷的时间，a_pp加速度峰峰值，c₁，c₂为经验值；获得步长后，可由行人航位推算模型估算第k步行人坐标：

X^(j)(k)=X(j)(k-1)+f(θ[k-1])·(ΔX+c3f(θs)·SL|θs=0·randm(j)(4,1))---(4)]]>

式中，

f(θ[k-1])=cos(θ[k-1])-sin(θ[k-1])00sin(θ[k-1])cos(θ[k-1])0000100001---(5)]]>，

ΔX[k]＝[Δr_x[k],Δr_y[k],Δr_z[k],Δθ[k]]^T，θ_s＝atan2(Δr_y,Δr_x)，randm^(j)(4,1)为4个随机数，j为迭代次数，c₃为经验常数；

无线接收包括WIFI、蓝牙，通过RSS/LQ/TOF对无线进行信号测量接收处理，包括RSSI、TOF测距、LQ信号质量，并信号送入自适应无线推算模型，自适应无线推算模型似然函数为：

P(RSSI[i]|r^(j)[i])=Πm=1M1σRSSI2π(-|ΔRSSIm(j)|22σRSSI2)---(6)]]>

式中m为收到信号的锚节点个数，σ_RSSI为经验常数，若为WIFI或如NFC等其它无线，则

ΔRSSIm(j)=RSSIm[i]-(RSSI0-10α^m[i]log10(||r^(j)[i]-rAPm||))---(7)]]>

若为蓝牙信号，则

ΔRSSIm(j)=c4(RSSIm[i]-(RSSI0-10α^m[i]log10(||r^(j)[i]-rAPm||)))+c5(c6LQIm-c7)---(8)]]>

式中，RSSI_m[i]为接收信号强度，RSSI₀为距离节点1米时的信号强度，为信号链路衰减系数，为人手机所在位置，r_APm为节点位置；c₄、c₅、c₆、c₇为经验常数，其中c₄+c₅＝1，LQI_m为第m个节点的蓝牙链路信号质量；位置估计可通过TOF原理测量：

r^(j)[i]=r(j)[k-1]+ts[i]-tp[k-1]tp[k]-tp[k-1]·(r(j)[k]-r(j)[k-1])---(9)]]>

t_s[i]为测量时间，t_p为步行时间；动态信号链路衰减系数估算方法如下：

设为任意两锚节点信号范围的交叉节点，(A_xi,A_yi)为已知的锚节点坐标，则：

{α^m[i]}=argminα1,α2,...αM×((x~-Axi)2-(y~-Ayi)2(r^(j)[i]-rAPm)2-1)2---(10)]]>

式(10)通过Levenberg-Marquardt算法求解动态信号链路衰减系数

将行人航位推算模型、自适应无线推算模型送入粒子滤波算法实现位置预测，每个粒子的权值按下式计算

w(j)[i]=w(j)[i-1]p(z[i]|X^(j)[i])·κn---(11)]]>

式中表示无线信号蓝牙，WIFI、Zigbee等的似然函数，κ_n表示各似然函数特征信息的权值，通过模糊逻辑推测权值，且κ₁+κ₂+…κ_n＝1，当某个信号不存在时，对应的κ_n＝0；

3)粒子滤波输出后的平面位置值X＝[r_x,r_y,θ]，通过超市地图匹配，在超市地图上实现坐标标记。