本發(fā)明涉及目標(biāo)定位、目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域，尤其涉及基于智能移動(dòng)設(shè)備的室內(nèi)定位領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著智慧城市、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、智能移動(dòng)設(shè)備等技術(shù)的發(fā)展，作為這些領(lǐng)域的共性技術(shù)——位置服務(wù)顯得尤為重要。同時(shí)，人們對(duì)室內(nèi)定位的需求日益增加，如何通過有效的技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)精確定位已經(jīng)成為亟待解決的問題。

行人航位推算(Pedestrian Dead Reckoning，PDR)是近些年室內(nèi)定位領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，它是通過采集高精度傳感器數(shù)據(jù)，以計(jì)步檢測(cè)和航向估計(jì)為基礎(chǔ)，從已知起始位置進(jìn)行航位推算的目標(biāo)定位技術(shù)。PDR在沒有GPS信號(hào)的室內(nèi)也能正常運(yùn)用，因此廣泛應(yīng)用于室內(nèi)定位。但是，PDR的定位誤差會(huì)隨著時(shí)間而累積，在使用一定時(shí)間后，PDR會(huì)出現(xiàn)誤差逐步增大，定位精度逐步下降的問題。由于在室內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)定位，目標(biāo)的移動(dòng)受到建筑物的墻壁等障礙物的約束，因此，一種有效遏制累積誤差的方法是利用已知的室內(nèi)地圖信息在定位過程中進(jìn)行地圖匹配來提高定位精度。粒子濾波是一種基于粒子仿真的概率估計(jì)算法，其核心思想是通過計(jì)算一組隨機(jī)樣本的蒙特卡洛估計(jì)來表征待估計(jì)的后驗(yàn)概率分布，因此，被廣泛應(yīng)用于定位系統(tǒng)中。粒子實(shí)際就是對(duì)狀態(tài)空間中未知或者隱藏狀態(tài)的采樣。在定位系統(tǒng)中，一個(gè)粒子就表征目標(biāo)一個(gè)可能的位置，當(dāng)粒子數(shù)量足夠大時(shí)，粒子極大概率出現(xiàn)在目標(biāo)正確的位置上。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服當(dāng)前的航位推算室內(nèi)定位算法誤差會(huì)隨著時(shí)間累積導(dǎo)致定位精度隨時(shí)間下降、定位精度較低的不足，本發(fā)明提出一種基于地圖信息和位置自適應(yīng)修正的粒子濾波室內(nèi)定位方法，在定位過程中使用地圖信息，在粒子濾波算法中對(duì)補(bǔ)償粒子的位置進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而修正目標(biāo)位置，減小位置更新過程中的誤差，可有效克服航位推算算法的累積誤差，提高定位精度。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于地圖信息和位置自適應(yīng)修正的粒子濾波室內(nèi)定位方法，包括以下步驟：

步驟1，粒子初始化為指定粒子攜帶的狀態(tài)信息為其中是初始時(shí)刻t₀第i個(gè)粒子的狀態(tài)向量，分別是時(shí)刻t₀第i個(gè)粒子的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和權(quán)重，初始權(quán)重設(shè)為1，N是粒子數(shù)量，是由目標(biāo)初始位置加上偏移量得到，偏移量服從均值為0，方差為σ²的高斯分布；

步驟2，粒子傳播，根據(jù)式(1)由k-1時(shí)刻粒子狀態(tài)向量S_k-1計(jì)算出粒子在k時(shí)刻的狀態(tài)向量S_k，其中是k時(shí)刻第i個(gè)粒子的坐標(biāo)，是k-1時(shí)刻第i個(gè)粒子的坐標(biāo)，L_k-1是k-1時(shí)刻目標(biāo)的行進(jìn)步長(zhǎng)，L_k是k時(shí)刻目標(biāo)的行進(jìn)步長(zhǎng)，由式(2)計(jì)算得到，其中α，β是步長(zhǎng)模型參數(shù)，是在離線階段根據(jù)已知步長(zhǎng)和步頻通過線性回歸計(jì)算得到，freq_k是k時(shí)刻的目標(biāo)步頻，根據(jù)目標(biāo)行進(jìn)過程中采集到的加速度傳感器數(shù)據(jù)通過波峰檢測(cè)算法計(jì)算得到，是k時(shí)刻第i個(gè)粒子的航向，是k-1時(shí)刻第i個(gè)粒子的航向，由方向傳感器采集得到；

L_k＝α·freq_k+β (2)

步驟3，粒子更新，判斷粒子在傳播過程中是否與地圖中的墻壁等障礙物相交，如果存在相交則該粒子滅亡，權(quán)重置為0；

步驟4，目標(biāo)位置確定，根據(jù)式(3)計(jì)算得到目標(biāo)在k時(shí)刻的最終位置，其中(X_k，Y_k)是k時(shí)刻由粒子濾波算法估算出的目標(biāo)最終位置坐標(biāo)，是k時(shí)刻第i個(gè)粒子的坐標(biāo)，是k時(shí)刻第i個(gè)粒子的權(quán)重；

步驟5，粒子重采樣和位置自適應(yīng)修正，設(shè)步驟3中得到的存活粒子數(shù)為N_s，在存活的粒子中隨機(jī)抽取N-N_s個(gè)粒子用于補(bǔ)償損失的粒子；在粒子補(bǔ)償時(shí)對(duì)補(bǔ)償?shù)牧Ｗ游恢酶鶕?jù)式(4)進(jìn)行調(diào)整，其中是在k時(shí)刻隨機(jī)抽取的存活粒子的位置坐標(biāo)，是在k時(shí)刻補(bǔ)償粒子的位置坐標(biāo)，是k時(shí)刻的航向偏差修正參數(shù)，分別是的x軸分量和y軸分量，由式(5)計(jì)算得到，是k時(shí)刻重采樣粒子i的位置偏移量，服從均值為0，方差為σ²的高斯分布，分別是的x軸分量和y軸分量；是k時(shí)刻存活粒子位置距離目標(biāo)位置的平均偏移量，分別是的x軸分量和y軸分量，是k-1時(shí)刻重采樣后粒子位置距離目標(biāo)位置的平均偏移量，分別是的x軸分量和y軸分量；μ_k是k時(shí)刻的位置修正增益參數(shù)，由式(10)計(jì)算得到，其中表示

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：為了克服航位推算目標(biāo)定位算法的累積誤差，利用地圖信息，在粒子重采樣中對(duì)補(bǔ)償粒子位置進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而修正目標(biāo)位置，減小了位置更新過程中的累積誤差，有效的提高了定位精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于地圖信息和位置自適應(yīng)修正的粒子濾波室內(nèi)定位方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明方法和其他方法的室內(nèi)定位效果比較圖。

圖3為本發(fā)明方法和其他方法的定位誤差比較圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

參照?qǐng)D1～圖3，一種基于地圖信息和位置自適應(yīng)修正的粒子濾波室內(nèi)定位方法，在安卓手機(jī)平臺(tái)上實(shí)施，采用手機(jī)平臺(tái)的傳感器采集到的數(shù)據(jù)做測(cè)試。目標(biāo)在行進(jìn)過程中，有兩個(gè)傳感器數(shù)據(jù)需要采集——加速度傳感器數(shù)據(jù)和方向傳感器數(shù)據(jù)。測(cè)試選擇在一段長(zhǎng)約53米的室內(nèi)曲線型路段進(jìn)行，路面寬約2.5米，路面兩側(cè)為墻壁。

加速度傳感器數(shù)據(jù)處理包括采用波峰檢測(cè)算法檢測(cè)出目標(biāo)行進(jìn)步數(shù)，同時(shí)計(jì)算出實(shí)時(shí)的步頻，用于航位推算系統(tǒng)中行進(jìn)距離的計(jì)算；方向傳感器數(shù)據(jù)用于估計(jì)目標(biāo)行進(jìn)方向。

為了克服現(xiàn)有航位推算的累積誤差，本發(fā)明采用一種基于地圖信息和位置自適應(yīng)修正的粒子濾波室內(nèi)定位方法，可以根據(jù)定位誤差自適應(yīng)調(diào)整粒子位置來修正目標(biāo)位置，得到更高的定位精度，簡(jiǎn)稱為PA-PF。

該方法的步驟如下：

步驟1，初始化粒子為指定粒子攜帶的狀態(tài)信息為其中是初始時(shí)刻t₀第i個(gè)粒子狀態(tài)向量，分別是時(shí)刻t₀第i個(gè)粒子的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和粒子權(quán)重，是由目標(biāo)初始位置加上偏移量得到，偏移量服從均值為0，方差σ²＝22的高斯分布；

取粒子數(shù)為N＝200，初始權(quán)重設(shè)為1，每個(gè)粒子都代表用戶一個(gè)可能的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也就是目標(biāo)一個(gè)可能的位置；

步驟2，粒子傳播，每個(gè)粒子根據(jù)航位推算公式，即通過步數(shù)和步長(zhǎng)的乘積來獲得目標(biāo)的相對(duì)位移，根據(jù)式(1)由k-1時(shí)刻粒子狀態(tài)向量S_k-1計(jì)算出粒子在k時(shí)刻的狀態(tài)向量S_k；

其中，是k時(shí)刻第i個(gè)粒子的坐標(biāo)，是k-1時(shí)刻第i個(gè)粒子的坐標(biāo)；是k-1時(shí)刻第i個(gè)粒子的航向；L_k-1是k-1時(shí)刻目標(biāo)的行進(jìn)步長(zhǎng)，L_k是k時(shí)刻目標(biāo)的行進(jìn)步長(zhǎng)；由式(2)計(jì)算得到，其中α，β是步長(zhǎng)模型參數(shù)，是在離線階段根據(jù)已知步長(zhǎng)和步頻通過線性回歸計(jì)算得到，freq_k是k時(shí)刻的目標(biāo)步頻，根據(jù)目標(biāo)行進(jìn)過程中采集到的加速度傳感器數(shù)據(jù)通過波峰檢測(cè)算法計(jì)算得到，是k時(shí)刻第i個(gè)粒子的航向，由方向傳感器采集得到；

L_k＝α·freq_k+β (2)

步驟3，粒子更新，判斷粒子傳播的每一步中是否與地圖中的障礙物相交，如果存在相交則該粒子滅亡，權(quán)重置為0；

步驟4，目標(biāo)位置確定，根據(jù)式(3)通過存活的粒子所在位置的加權(quán)和來確定目標(biāo)在k時(shí)刻的最終位置，其中(X_k，Y_k)是k時(shí)刻目標(biāo)由粒子濾波算法估算出的最終位置的坐標(biāo)，是k時(shí)刻第i個(gè)粒子的坐標(biāo)，是k時(shí)刻第i個(gè)粒子的權(quán)重；

步驟5，粒子重采樣和位置自適應(yīng)修正，隨著濾波時(shí)間的增加，由于粒子的滅亡會(huì)出現(xiàn)粒子退化現(xiàn)象，需要對(duì)其進(jìn)行重采樣，增加對(duì)精確定位更加可靠的粒子數(shù)；

本發(fā)明采用隨機(jī)采樣方法，設(shè)粒子更新中得到的存活粒子數(shù)為N_s，從存活下來的粒子中隨機(jī)選取N-N_s個(gè)粒子用于補(bǔ)償損失的粒子，在對(duì)粒子補(bǔ)償過程中根據(jù)粒子滅亡的情況通過式(4)對(duì)補(bǔ)償粒子的生成位置做自適應(yīng)調(diào)整，從而對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行修正；

其中，是在k時(shí)刻隨機(jī)抽取的存活粒子的位置坐標(biāo)，是在k時(shí)刻補(bǔ)償粒子的位置坐標(biāo)，是k時(shí)刻的航向偏差修正參數(shù)，分別是的x軸分量和y軸分量，由式(5)計(jì)算得到，是k時(shí)刻重采樣粒子i的位置偏移量，服從均值為0，方差為σ²的高斯分布，分別是的x軸分量和y軸分量；是k時(shí)刻存活粒子位置距離目標(biāo)位置的平均偏移量，分別是的x軸分量和y軸分量，是k-1時(shí)刻重采樣后粒子位置距離目標(biāo)位置的平均偏移量，分別是的x軸分量和y軸分量；

μ_k是k時(shí)刻的位置修正增益參數(shù)，因?yàn)樵诓煌瑫r(shí)刻，不同路線下對(duì)重采樣粒子進(jìn)行位置調(diào)整的大小不同，所以在設(shè)定初始位置修正增益參數(shù)μ₀＝50后，在不同時(shí)刻根據(jù)實(shí)際情況自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)μ_k以達(dá)到最優(yōu)修正；式(10)是參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整公式，其中表示

圖2是使用航位推算(DR)方法、粒子濾波(PF)方法和本發(fā)明基于地圖信息和位置自適應(yīng)修正的粒子濾波室內(nèi)定位(PA-PF)方法的室內(nèi)定位效果比較圖。由圖2可以看出由于DR方法的定位誤差會(huì)隨著時(shí)間而累積，目標(biāo)的移動(dòng)軌跡隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)了較大的偏差，PF方法有效提高了定位精度，而PA-PF方法在PF方法上進(jìn)行了改進(jìn)，根據(jù)定位誤差自適應(yīng)調(diào)整粒子位置從而取得了更高的定位精度。圖3是使用航位推算(DR)方法、粒子濾波(PF)方法和本發(fā)明基于地圖信息和位置自適應(yīng)修正的粒子濾波室內(nèi)定位(PA-PF)方法的定位誤差比較圖。由圖3中可以看出隨著時(shí)間的推移，DR方法的平均誤差不斷累積增加，并且沒有收斂，而PF方法和PA-PF方法的平均誤差在整體上明顯比DR方法的誤差小得多，有明顯的收斂趨勢(shì)，即使在局部增大到一個(gè)程度，也會(huì)在后期漸漸收斂到一個(gè)較低的誤差，且PA-PF方法比PF方法的誤差更小，具有更優(yōu)的定位效果。表1是使用航位推算(DR)方法、粒子濾波(PF)方法和本發(fā)明基于地圖信息和位置自適應(yīng)修正的粒子濾波室內(nèi)定位(PA-PF)方法的平均誤差比較，可以看出，本發(fā)明方法較其他方法有效的提高了定位精度。

表1

顯而易見，在不偏離本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍的前提下，在此描述下的本發(fā)明可以有許多變化。因此，所有對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說一些顯而易見的改變，都應(yīng)包括在本權(quán)利要求書所涵蓋的范圍之內(nèi)。本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍僅由所述的權(quán)利要求書進(jìn)行限定。