基于imu數(shù)據(jù)的用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡匹配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于IMU數(shù)據(jù)的用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡匹配算法，具體涉及在室內(nèi)定 位導(dǎo)航中實(shí)現(xiàn)基于MU數(shù)據(jù)的用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)際室內(nèi)地圖之間的匹配定位，將用戶 室內(nèi)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)位移和方向轉(zhuǎn)換成室內(nèi)地圖中的絕對(duì)物理位置。
【背景技術(shù)】
[0002] 伴隨著無線通信技術(shù)的進(jìn)步和微機(jī)電系統(tǒng)的進(jìn)步，裝備有慣性測(cè)量單元 (Inertial Measurement Unit，IMU)的智能手機(jī)越來越普及。攜帶有智能手機(jī)的用戶在室 內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，頂U(kuò)會(huì)產(chǎn)生大量與位置相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，如用戶的運(yùn)動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)方向。但是這 些距離和方向都是一種相對(duì)的位移和方向，其在室內(nèi)地圖上的起始位置和終止位置都是未 知的。如何將用戶的室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡在室內(nèi)地圖上實(shí)現(xiàn)匹配定位，將一種相對(duì)位移和方向轉(zhuǎn) 換成一種絕對(duì)物理位置，以用于室內(nèi)導(dǎo)航或者在室內(nèi)定位時(shí)提供建立Radio Map的位置信 息，是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的室內(nèi)運(yùn)動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)方向都是一種相對(duì)的位移和方向， 其在室內(nèi)地圖上的起始位置和終止位置都是未知的，導(dǎo)致室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡不能在室內(nèi)地圖上 實(shí)現(xiàn)匹配定位的問題?，F(xiàn)提供基于IMU數(shù)據(jù)的用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡匹配方法。
[0004] 基于頂U(kuò)數(shù)據(jù)的用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡匹配方法，它包括以下步驟：
[0005] 步驟一、采用節(jié)點(diǎn)構(gòu)成室內(nèi)參考地圖；
[0006] 步驟二、根據(jù)室內(nèi)參考地圖獲得室內(nèi)參考地圖的轉(zhuǎn)角矩陣GD和室內(nèi)參考地圖的 權(quán)重矩陣W ;
[0007] 步驟三、采用頂U(kuò)數(shù)據(jù)得到室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡獲得轉(zhuǎn)角方向和相 鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離矩陣TD，將室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡與室內(nèi)參考地圖進(jìn)行匹配，獲得室內(nèi)參考地圖 中與室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡包含節(jié)點(diǎn)數(shù)相同的軌跡集合A ;
[0008] 步驟四、從步驟三中的軌跡集合A中排除重復(fù)點(diǎn)的軌跡，獲得軌跡集合B ;
[0009] 步驟五、在軌跡集合B中，將各軌跡中每3個(gè)連續(xù)節(jié)點(diǎn)利用室內(nèi)參考地圖的轉(zhuǎn)角矩 陣GD確定三個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)角方向并與室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡的轉(zhuǎn)角方向比較，與室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡 的轉(zhuǎn)角方向完全相符的軌跡集合保留，獲得軌跡集合C ;
[0010] 步驟六、利用室內(nèi)參考地圖的權(quán)重矩陣W和D算法得到最短距離矩陣R，通過最短 距離矩陣R獲得軌跡集合C中各軌跡相鄰兩節(jié)點(diǎn)之間的直線距離，將軌跡集合C中各軌跡 相鄰兩節(jié)點(diǎn)之間的直線距離與室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡各相鄰節(jié)點(diǎn)之間距離TD對(duì)比，滿足門限值Θ th 等距離條件的軌跡保留，獲得軌跡集合D，從而獲得室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡上各點(diǎn)的絕對(duì)物理位置。
[0011] 本發(fā)明的有益效果為：利用節(jié)點(diǎn)組成的室內(nèi)參考地圖，然后構(gòu)造關(guān)于參考地圖的 三維轉(zhuǎn)角矩陣GD以及權(quán)重矩陣W，再利用頂U(kuò)數(shù)據(jù)生成的用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡與室內(nèi)地圖的 匹配定位，由于室內(nèi)地圖中各點(diǎn)物理位置是已知的，由此便可將用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)位移 和方向轉(zhuǎn)換成一種絕對(duì)物理位置。因此，獲得在室內(nèi)地圖上的起始位置和終止位置，實(shí)現(xiàn)室 內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡在室內(nèi)地圖上實(shí)現(xiàn)匹配定位。
【附圖說明】
[0012] 圖1為實(shí)施例的平面圖，
[0013] 圖2為實(shí)施例的平面拓?fù)鋱D，
[0014] 圖3為實(shí)施例的參考地圖，
[0015] 圖4為基于頂U(kuò)數(shù)據(jù)的用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡圖，
[0016] 圖5為【具體實(shí)施方式】一所述的基于頂U(kuò)數(shù)據(jù)的用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡匹配方法的流程 圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0017] 一：參照?qǐng)D5具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的基于頂U(kuò)數(shù)據(jù) 的
[0018] 用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡匹配方法，它包括以下步驟：
[0019] 步驟一、采用節(jié)點(diǎn)構(gòu)成室內(nèi)參考地圖；
[0020] 步驟二、根據(jù)室內(nèi)參考地圖獲得室內(nèi)參考地圖的轉(zhuǎn)角矩陣GD和室內(nèi)參考地圖的 權(quán)重矩陣W ;
[0021] 步驟三、采用頂U(kuò)數(shù)據(jù)得到室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡獲得轉(zhuǎn)角方向和相 鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離矩陣TD，將室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡與室內(nèi)參考地圖進(jìn)行匹配，獲得室內(nèi)參考地圖 中與室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡包含節(jié)點(diǎn)數(shù)相同的軌跡集合A ;
[0022] 步驟四、從步驟三中的軌跡集合A中排除重復(fù)點(diǎn)的軌跡，獲得軌跡集合B ;
[0023] 步驟五、在軌跡集合B中，將各軌跡中每3個(gè)連續(xù)節(jié)點(diǎn)利用室內(nèi)參考地圖的轉(zhuǎn)角矩 陣GD確定三個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)角方向并與室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡的轉(zhuǎn)角方向比較，與室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡 的轉(zhuǎn)角方向完全相符的軌跡集合保留，獲得軌跡集合C ;
[0024] 步驟六、利用室內(nèi)參考地圖的權(quán)重矩陣W和D算法得到最短距離矩陣R，通過最短 距離矩陣R獲得軌跡集合C中各軌跡相鄰兩節(jié)點(diǎn)之間的直線距離，將軌跡集合C中各軌跡 相鄰兩節(jié)點(diǎn)之間的直線距離與室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡各相鄰節(jié)點(diǎn)之間距離TD對(duì)比，滿足門限值Θ th 等距離條件的軌跡保留，獲得軌跡集合D，從而獲得室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡上各點(diǎn)的絕對(duì)物理位置。
[0025] 本實(shí)施方式中，如⑶（14, 15, 13) = 1，表示從V14到V15在經(jīng)過V13時(shí)右轉(zhuǎn)，并且只 發(fā)生這一個(gè)轉(zhuǎn)角。⑶（15, 14, 13) =-1，表示從V15到V14在經(jīng)過V13時(shí)左轉(zhuǎn)，并且只發(fā)生這一 個(gè)轉(zhuǎn)角。對(duì)于根本不經(jīng)過節(jié)點(diǎn)V ni的情況以及以Vni為起點(diǎn)和終點(diǎn)的也記為〇,其它節(jié)點(diǎn)的矩 陣也按照此方式生成，由此便可得到維數(shù)為nXnXn的一個(gè)三維轉(zhuǎn)角矩陣⑶。由此矩陣⑶ 具有以下性質(zhì)：
[0026] ①⑶（:，：，m)的第m行和第m列均為0。
[0027] ② GD (:，：，m) = -GD (:，：，m) '。
[0028] 得到轉(zhuǎn)角矩陣⑶后。利用權(quán)重矩陣W和D算法計(jì)算得到參考地圖中各點(diǎn)間的最 短距離矩陣R。
[0029] 實(shí)施例：
[0030] 假設(shè)利用IMU數(shù)據(jù)得到的用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所不，'\￥1、'\￥ 6表不用戶運(yùn)動(dòng)時(shí)的 起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，W2-W5表示的是用戶運(yùn)動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)角點(diǎn)，設(shè)左轉(zhuǎn)為-1，右轉(zhuǎn)為1，記為轉(zhuǎn) 角方向Direction = [-1 -I -I -1]。相鄰兩點(diǎn)之間紅色的數(shù)字表示兩點(diǎn)之間的距離記為 TD = [8 12 47 12 13] 〇
[0031] 對(duì)于用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡與參考地圖的匹配來說，用戶的室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡在參考地圖 中的匹配結(jié)果應(yīng)該是一條與之形狀類似的軌跡，假設(shè)為TR(v a，vb，v。，vd，vf)，其中va、v b、 v。、vd、Vp vf分別與圖4中用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡中的節(jié)點(diǎn)w i、w2、w3、w4、w5、w6相對(duì)應(yīng)。那么這 條軌跡TR (va, vb, vc, vd, ve, vf)應(yīng)該滿足以下幾個(gè)條件：
[0032] (I) vb、vc、vd、Ve必須是轉(zhuǎn)角節(jié)點(diǎn)，且V b、vc、vd、Ve處轉(zhuǎn)角方向均為左轉(zhuǎn)。這個(gè)條件 是否滿足可以利用轉(zhuǎn)角矩陣GD判斷，即是否同時(shí)滿足：
[0033] GD (a, c, b) = -I, GD (b, d, c) = -I, GD (c, e, d) = -I, GD (d, f, e) = -1
[0034] (2) a, b, c, d, e, f的值不相等，即不存在重復(fù)節(jié)點(diǎn)，軌跡不構(gòu)成回路。
[0035] (3)由于頂U(kuò)在使用時(shí)不可避免會(huì)受到噪聲等的干擾以及用戶步長之間也會(huì)存在 差異等原因，致使用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡中相鄰節(jié)點(diǎn)間的長度會(huì)存在一定的偏差，為此設(shè)置一 個(gè)允許誤差門限值Θ th，同時(shí)還考慮到用戶的出發(fā)點(diǎn)和終止點(diǎn)有可能是在參考地圖中相鄰 兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中間的情況，為此軌跡TR應(yīng)該同時(shí)滿足以下距離條件：
[0036] ①：I VaVb-8 I 彡 Θ th或者 v aVb> 8
[0037] ②：I vevf-13 I 彡 Θ th或者 V eVf 多 13
[0038] ③：|vbvc-12| 彡 Θ th
[0039] ④：I vcvd-47 I 彡 Θ th
[0040] ⑤：|vdve-12| 彡 0th
[0041] 其中，VaVb等表示的是兩點(diǎn)間的直線距離可利用最短距離矩陣R獲得。由此便可 在參考地圖中匹配得到與圖4所示的用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡形似的軌跡TR，完成用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng) 軌跡在參考地圖中的匹配定位。
[0042] 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
[0043] 本發(fā)明選用圖1所示的哈工大科學(xué)園信息大樓第12樓作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，平面拓?fù)鋱D 和參考地圖如圖2和圖3所示，允許誤差門限值Θ th設(shè)置為2m，實(shí)際可根據(jù)頂U(kuò)受噪聲影 響的程度以及用戶之間步長差異大小等加以調(diào)整，對(duì)含有不同轉(zhuǎn)角數(shù)量的用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌 跡進(jìn)行匹配，得到以下仿真結(jié)果。室內(nèi)軌跡集合D中每一行表示參考地圖中的一條軌跡，數(shù) 字表示的是參考地圖中點(diǎn)的編號(hào)。
[0044] 1、一個(gè)轉(zhuǎn)角的情況：
[0045] 用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡的距離矩陣TD = [11 48]
[0046] 用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡的轉(zhuǎn)角方向Direction = [-1]
[0047] 室內(nèi)軌跡集合D =
[0048] 5 12 28
[0049] 5 12 30
[0050] 6 12 28
[0051] 6 12 30
[0052] 2、兩個(gè)轉(zhuǎn)角的情況：
[0053] 用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡的距離矩陣TD = [12 11 48]
[0054] 用戶室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡的轉(zhuǎn)角方向Direction = [I 1]
[0055] 室內(nèi)軌跡集合D