一種基于氣壓指紋的室內(nèi)樓層定位方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于氣壓指紋的室內(nèi)樓層定位方法，該方法包括離線階段和在線階段，所述的離線階段是指在實際樓層定位開始前，采集目標(biāo)室內(nèi)定位場景的不同樓層的氣壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過氣壓數(shù)據(jù)處理后形成氣壓指紋庫；所述的在線階段是指在實際樓層定位時，現(xiàn)場采集待定位位置的氣壓數(shù)據(jù)，并與氣壓指紋庫里面的氣壓指紋匹配，選取最匹配的氣壓指紋對應(yīng)的樓層作為當(dāng)前定位樓層。本發(fā)明有益的效果：本發(fā)明專利提供的方法可以結(jié)合已有的室內(nèi)平面定位方法，實現(xiàn)室內(nèi)高精度的三維定位，促進(jìn)室內(nèi)定位應(yīng)用和服務(wù)更好的開展。
【專利說明】
一種基于氣壓指紋的室內(nèi)樓層定位方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及室內(nèi)定位領(lǐng)域，具體涉及一種基于氣壓指紋的室內(nèi)樓層定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人民生活水平的逐步提高和無線通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對基于位置的服 務(wù)的需求日益增大?；谖恢玫姆?wù)的前提在于位置信息如何獲取，即如何對目標(biāo)進(jìn)行定 位，它又分為室外定位和室內(nèi)定位。目前，隨著以GPS、北斗為代表的衛(wèi)星定位系統(tǒng)的成熟， 室外定位已經(jīng)可以商用。例如，目前各種車載導(dǎo)航系統(tǒng)、或者智能手機的導(dǎo)航系統(tǒng)，都是采 用的基于GPS、北斗的衛(wèi)星定位，再輔助室外道路地圖信息完成。但是，在許多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的室 內(nèi)環(huán)境中，由于衛(wèi)星信號被被墻體等障礙物阻隔的原因，無法采用GPS、北斗等定位系統(tǒng)提 供室內(nèi)定位。因此，室內(nèi)定位技術(shù)是目前定位領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003] 室內(nèi)定位中最常用有基于接收信號強度(Received Signal Strength，RSS)的質(zhì) 心定位法、三邊/多邊定位法和指紋定位法等。質(zhì)心定位是利用周圍信標(biāo)節(jié)點的質(zhì)心作為定 位結(jié)果，它是一種簡單的定位算法，非常適合在嵌入式設(shè)備(如手機）中實現(xiàn)，但存在定位精 度不高的缺點。三邊/多邊定位是測量未知節(jié)點到三個或多個信標(biāo)節(jié)點之間的距離，然后利 用此距離和信標(biāo)節(jié)點位置構(gòu)建3個或3個以上的方程，最后采用各種數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，如最大 似然法、內(nèi)點法、線性規(guī)劃等求出最優(yōu)的未知節(jié)點位置。指紋定位方法分為離線和在線階 段，離線階段采集不同室內(nèi)位置的RSS指紋，并錄入到數(shù)據(jù)庫;在線階段利用采集到的RSS指 紋與數(shù)據(jù)庫中的指紋進(jìn)行比對，選取數(shù)據(jù)庫中最匹配的指紋的位置作為定位位置。
[0004] 總體上說，目前室內(nèi)定位技術(shù)研究大多集中在平面定位，即二維定位。但在實際的 商用應(yīng)用中，僅僅二維定位還是不夠，需要三維定位。如室內(nèi)定位系統(tǒng)用于跟蹤有特殊需求 的人、遠(yuǎn)離視線監(jiān)管的小孩等，這都需要三維信息，即不僅要知道平面的二維坐標(biāo)，還要知 道對象在哪個樓層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，而提供一種基于氣壓指紋的室內(nèi)樓層定 位方法，該方法可以與現(xiàn)有的室內(nèi)平面定位結(jié)合，從而實現(xiàn)室內(nèi)三維定位。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。這種基于氣壓指紋的室內(nèi)樓層定位方 法，該方法包括離線階段和在線階段，所述的離線階段是指在實際樓層定位開始前，采集目 標(biāo)室內(nèi)定位場景的不同樓層的氣壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過氣壓數(shù)據(jù)處理后形成氣壓指紋庫;所述的在 線階段是指在實際樓層定位時，現(xiàn)場采集待定位位置的氣壓數(shù)據(jù)，并與氣壓指紋庫里面的 氣壓指紋匹配，選取最匹配的氣壓指紋對應(yīng)的樓層作為當(dāng)前定位樓層。
[0007] 本發(fā)明解決室內(nèi)樓層定位問題采用的技術(shù)方案是基于氣壓指紋的室內(nèi)樓層定位 方法，它分為離線階段和在線階段。
[0008] 所述的離線階段是指在實際樓層定位開始前，采集目標(biāo)室內(nèi)定位場景的不同樓層 的氣壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后形成氣壓指紋庫。
[0009] 所述的離線階段采集樓層的氣壓數(shù)據(jù)的特征是多個、實時和室內(nèi)。
[0010] 所述的氣壓數(shù)據(jù)的"多個"特征是指不能僅采集幾個，避免數(shù)據(jù)量少而引起的樣本 代表性不足問題?，F(xiàn)場實驗表明，30個以上即可。
[0011] 所述的氣壓數(shù)據(jù)的"實時"特征是指離線階段氣壓指紋采集時間和在線階段氣壓 采集時間的時間差不能太長，避免氣壓指紋失效。現(xiàn)場實驗表明，60分鐘以內(nèi)即可。
[0012] 所述的氣壓數(shù)據(jù)的"室內(nèi)"特征是指采集地點為室內(nèi)。
[0013] 所述的離線階段的氣壓數(shù)據(jù)處理包括預(yù)處理和均值計算。預(yù)處理用來消除采集的 氣壓數(shù)據(jù)的粗大誤差。
[0014] 所述的氣壓指紋庫的表項形式為<P，F(xiàn)，T> 1代表所在樓層的室內(nèi)氣壓平均值，F(xiàn)代 表樓層，Τ代表氣壓指紋采集時間。
[0015] 所述的在線階段是指在實際樓層定位時，現(xiàn)場采集待定位位置的氣壓數(shù)據(jù)，并與 氣壓指紋庫里面的氣壓指紋匹配，選取最匹配的氣壓指紋對應(yīng)的樓層作為當(dāng)前定位樓層。
[0016] 所述的在線階段采集待定位位置的氣壓數(shù)據(jù)，要求采集5個以上的數(shù)據(jù)。
[0017] 所述的與氣壓指紋庫匹配的氣壓數(shù)據(jù)是現(xiàn)場采集的氣壓數(shù)據(jù)的平均值Pc。
[0018] 所述的匹配準(zhǔn)則是歐氏距離(d= |pc-pf |，pc為場采集的氣壓數(shù)據(jù)的平均值，Pf為 指紋數(shù)據(jù)庫里面的氣壓值)最近準(zhǔn)則。
[0019] 所述的選取最匹配的氣壓指紋對應(yīng)的樓層作為當(dāng)前定位樓層即在氣壓指紋庫里 面找到與P。最接近的Pf，將Pf對應(yīng)的F作為定位樓層結(jié)果輸出。
[0020] 更進(jìn)一步的，該方法包括如下步驟：
[0021] 步驟1.離線采集階段
[0022] 1.1樓層定位服務(wù)器每隔t分鐘，通過通信網(wǎng)絡(luò)啟動每層樓內(nèi)的氣壓采集裝置采集 室內(nèi)氣壓數(shù)據(jù)；
[0023] 1.2樓層氣壓裝置收到氣壓采集命令后，采集η個氣壓數(shù)據(jù)，通過通信網(wǎng)絡(luò)將這些 數(shù)據(jù)及其所在樓層發(fā)送給樓層定位服務(wù)器；
[0024] 1.3樓層定位服務(wù)器收到每個樓層返回的氣壓數(shù)據(jù)后，對η個氣壓數(shù)據(jù)按3S準(zhǔn)則進(jìn) 行預(yù)處理，具體方式如下：
[0025] 假設(shè)采集到的氣壓數(shù)據(jù)為P1，Ρ2，…，ρη ;
[0028] (3)若某個數(shù)據(jù)不在區(qū)間?-3S，p+3s]內(nèi)，則認(rèn)為此數(shù)據(jù)存在粗大誤差，剔除此數(shù) 據(jù)，直到所有數(shù)據(jù)都在區(qū)間[羅-3s.，尹如]內(nèi)；
[0029] 1.4樓層定位服務(wù)器計算經(jīng)過預(yù)處理的每個樓層的氣壓數(shù)據(jù)的平均值，并按<P，F(xiàn)， τ>三元組的方式更新指紋數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)樓層的氣壓指紋，其中，P代表所在樓層的室內(nèi)氣壓 平均值，F(xiàn)代表樓層，Τ代表氣壓指紋采集時間；
[0030] 步驟2.在線定位階段
[0031] 2.1智能手機上的樓層定位應(yīng)用程序通過手機內(nèi)部的氣壓傳感器測試待定位位置 的氣壓數(shù)據(jù)m次；
[0032] 2.2智能手機上的樓層定位應(yīng)用程序計算當(dāng)前位置的氣壓數(shù)據(jù)平均值，并將此值 上傳給樓層定位服務(wù)器；
[0033] 2.3樓層定位服務(wù)器在氣壓指紋庫中查詢與此氣壓平均值最接近的氣壓值，具體 方式如下：
[0034]假設(shè)當(dāng)前位置的氣壓數(shù)據(jù)平均值為p，氣壓指紋庫中共有η個氣壓指紋，分別為〈 Pi，F(xiàn)i，Ti>，i = l，2，."，n〇
[0035] (1)計算p到每條氣壓指紋的距離|p-P山
[0036] (2)找出最小的dmin=min{di，i = 1，2,…，n}，min為取最小值函數(shù)，此dmin對應(yīng)的Pi 即為最接近的氣壓指紋值；
[0037] 2.4樓層定位服務(wù)器將Pi對應(yīng)的h作為樓層定位結(jié)果發(fā)送給智能手機，從而實現(xiàn)準(zhǔn) 確的樓層定位。
[0038] 本發(fā)明有益的效果:本發(fā)明專利提供的方法可以結(jié)合已有的室內(nèi)平面定位方法， 實現(xiàn)室內(nèi)高精度的三維定位，促進(jìn)室內(nèi)定位應(yīng)用和服務(wù)更好的開展。
【附圖說明】
[0039]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)連接示意圖。
【具體實施方式】
[0040] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0041] 具體實施例的室內(nèi)樓層定位系統(tǒng)由每層的室內(nèi)氣壓采集裝置、樓層定位服務(wù)器和 通信網(wǎng)絡(luò)組成。待定位目標(biāo)是手持智能手機的行人，該智能手機硬件包含氣壓傳感器，軟件 安裝有本發(fā)明公開的基于氣壓指紋的室內(nèi)樓層定位應(yīng)用程序。此外，還需要室內(nèi)氣壓采集 裝置、智能手機都可以通過通信網(wǎng)絡(luò)與樓層定位服務(wù)器雙向通信。
[0042]本發(fā)明的【具體實施方式】是：
[0043] 1.離線采集階段
[0044] 1.1樓層定位服務(wù)器每隔t分鐘，通過通信網(wǎng)絡(luò)啟動每層樓內(nèi)的氣壓采集裝置采集 室內(nèi)氣壓數(shù)據(jù)。此處，可以取t = 60。
[0045] 1.2樓層氣壓裝置收到氣壓采集命令后，采集η個氣壓數(shù)據(jù)，通過通信網(wǎng)絡(luò)將這些 數(shù)據(jù)及其所在樓層發(fā)送給樓層定位服務(wù)器。此處，可以取η = 30
[0046] 1.3樓層定位服務(wù)器收到每個樓層返回的氣壓數(shù)據(jù)后，對η個氣壓數(shù)據(jù)按3S準(zhǔn)則 (萊以特準(zhǔn)則)進(jìn)行預(yù)處理。具體方式如下：
[0047]假設(shè)采集到的氣壓數(shù)據(jù)為pi，Ρ2，…，Ρη，η = 30。
[0050] (3)若某個數(shù)據(jù)不在區(qū)間?-3s，f+3s]內(nèi)，則認(rèn)為此數(shù)據(jù)存在粗大誤差，剔除此數(shù) 據(jù)，直到所有數(shù)據(jù)都在區(qū)間[p_3s，p+3s]內(nèi)。
[0051] 1.4樓層定位服務(wù)器計算經(jīng)過預(yù)處理的每個樓層的氣壓數(shù)據(jù)的平均值，并按<P，F(xiàn)， τ>三元組的方式更新指紋數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)樓層的氣壓指紋。此處，P代表所在樓層的室內(nèi)氣壓 平均值，F(xiàn)代表樓層，Τ代表氣壓指紋采集時間。
[0052] 2.在線定位階段
[0053] 2.1智能手機上的樓層定位應(yīng)用程序通過手機內(nèi)部的氣壓傳感器測試待定位位置 的氣壓數(shù)據(jù)m次，比如取m = 5。
[0054] 2.2智能手機上的樓層定位應(yīng)用程序計算當(dāng)前位置的氣壓數(shù)據(jù)平均值，并將此值 上傳給樓層定位服務(wù)器。
[0055] 2.3樓層定位服務(wù)器在氣壓指紋庫中查詢與此氣壓平均值最接近的氣壓值，具體 方式如下：
[0056] 假設(shè)當(dāng)前位置的氣壓數(shù)據(jù)平均值為p，氣壓指紋庫中共有η個氣壓指紋，分別為〈 Pi，F(xiàn)i，Ti>，i = l，2，."，n〇
[0057] (1)計算p到每條氣壓指紋的距離|p-P山
[0058] (2)找出最小的dmin=min{di，i = 1，2,…，n}，min為取最小值函數(shù)。此dmin對應(yīng)的Pi 即為最接近的氣壓指紋值。
[0059] 2.4樓層定位服務(wù)器將Pi對應(yīng)的h作為樓層定位結(jié)果發(fā)送給智能手機，從而實現(xiàn)準(zhǔn) 確的樓層定位。
[0060] 雖然本發(fā)明參照當(dāng)前的較佳實施方式進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)能理 解，上述較佳實施方式僅用來說明本發(fā)明，并非用來限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，任何在本發(fā)明 的精神和原則范圍之內(nèi)，所做的任何修飾、等效替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利保 護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于氣壓指紋的室內(nèi)樓層定位方法，其特征在于：該方法包括離線階段和在線 階段，所述的離線階段是指在實際樓層定位開始前，采集目標(biāo)室內(nèi)定位場景的不同樓層的 氣壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過氣壓數(shù)據(jù)處理后形成氣壓指紋庫;所述的在線階段是指在實際樓層定位時， 現(xiàn)場采集待定位位置的氣壓數(shù)據(jù)，并與氣壓指紋庫里面的氣壓指紋匹配，選取最匹配的氣 壓指紋對應(yīng)的樓層作為當(dāng)前定位樓層。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氣壓指紋的室內(nèi)樓層定位方法，其特征在于:所述的離線 階段采集樓層的氣壓數(shù)據(jù)的特征是多個、實時和室內(nèi)；所述的氣壓數(shù)據(jù)的"實時"特征是指 離線階段氣壓指紋采集時間和在線階段氣壓采集時間的時間差在60分鐘以內(nèi)；所述的氣壓 數(shù)據(jù)的"室內(nèi)"特征是指采集地點為室內(nèi)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氣壓指紋的室內(nèi)樓層定位方法，其特征在于:所述的在線 階段采集待定位位置的氣壓數(shù)據(jù)，要求采集5個以上的數(shù)據(jù);所述的與氣壓指紋庫匹配的氣 壓數(shù)據(jù)是現(xiàn)場采集的氣壓數(shù)據(jù)的平均值P。;所述的匹配準(zhǔn)則是歐氏距離最近準(zhǔn)則，即d = Pc-Pfl，P。為場采集的氣壓數(shù)據(jù)的平均值，Pf為指紋數(shù)據(jù)庫里面的氣壓值;所述的選取最匹 配的氣壓指紋對應(yīng)的樓層作為當(dāng)前定位樓層即在氣壓指紋庫里面找到與P。最接近的P f，將 Pf對應(yīng)的F作為定位樓層結(jié)果輸出。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氣壓指紋的室內(nèi)樓層定位方法，其特征在于： 步驟1.離線采集階段 1.1樓層定位服務(wù)器每隔t分鐘，通過通信網(wǎng)絡(luò)啟動每層樓內(nèi)的氣壓采集裝置采集室內(nèi) 氣壓數(shù)據(jù)； 1.2樓層氣壓裝置收到氣壓采集命令后，采集η個氣壓數(shù)據(jù)，通過通信網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù) 及其所在樓層發(fā)送給樓層定位服務(wù)器； 1.3樓層定位服務(wù)器收到每個樓層返回的氣壓數(shù)據(jù)后，對η個氣壓數(shù)據(jù)按3S準(zhǔn)則進(jìn)行預(yù) 處理，具體方式如下： 假設(shè)采集到的氣壓數(shù)據(jù)為P1，P2，…，Pn;(1) 計算這η個數(shù)據(jù)的樣本尨 (2) 計算這η個數(shù)據(jù)的樣本Z (3) 若某個數(shù)據(jù)不在區(qū)間茂-:33,.麥+33]內(nèi)，則認(rèn)為此數(shù)據(jù)存在粗大誤差，剔除此數(shù)據(jù)，直 到所有數(shù)據(jù)都在區(qū)間[P-3s，p+3s]內(nèi)； 1.4樓層定位服務(wù)器計算經(jīng)過預(yù)處理的每個樓層的氣壓數(shù)據(jù)的平均值，并按<P，F(xiàn)，T>三 元組的方式更新指紋數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)樓層的氣壓指紋，其中，P代表所在樓層的室內(nèi)氣壓平均 值，F(xiàn)代表樓層，T代表氣壓指紋采集時間； 步驟2.在線定位階段 2.1智能手機上的樓層定位應(yīng)用程序通過手機內(nèi)部的氣壓傳感器測試待定位位置的氣 壓數(shù)據(jù)m次； 2.2智能手機上的樓層定位應(yīng)用程序計算當(dāng)前位置的氣壓數(shù)據(jù)平均值，并將此值上傳 給樓層定位服務(wù)器； 2.3樓層定位服務(wù)器在氣壓指紋庫中查詢與此氣壓平均值最接近的氣壓值，具體方式 如下： 假設(shè)當(dāng)前位置的氣壓數(shù)據(jù)平均值為P，氣壓指紋庫中共有η個氣壓指紋，分別為〈P^Fi， Ti>，i = l，2，···，n〇 ⑴計算P到每條氣壓指紋的距離di，di= |p-Pi| ; (2)找出最小的(1_ = 1^11{64 = 1，2，"_，11}，1^11為取最小值函數(shù)，此(1_對應(yīng)的？1即為 最接近的氣壓指紋值； 2.4樓層定位服務(wù)器將P1對應(yīng)的F1作為樓層定位結(jié)果發(fā)送給智能手機，從而實現(xiàn)準(zhǔn)確的 樓層定位。
【文檔編號】H04W64/00GK106028447SQ201610556355
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月12日
【發(fā)明人】姚英彪, 嚴(yán)軍榮, 潘鵬
【申請人】三維通信股份有限公司