一种多信息融合的室内外无缝定位方法
阅读：187发布：2024-02-11
专利汇可以提供一种多信息融合的室内外无缝定位方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种多信息融合的室内外无缝 定位 方法，其步骤包括：步骤S1：在行人经过的地方布设蓝牙信标；实时采集行人的卫导数据、ibeacon信息及实时相对 位置 信息，形成多源信息融合数据；步骤S2：进行室内室外判断；结合蓝牙信标 信号 强度接收情况、卫导定位数据接收 质量 和实时相对位置信息是否在室内地图范围内进行综合判断；步骤S3：结合步骤S2的判断，进行对行人位置的估计。本 发明 具有能够实现在复杂的室内外环境下低成本、高 精度 、长时间可靠定位等优点。，下面是一种多信息融合的室内外无缝定位方法专利的具体信息内容。
1.一种多信息融合的室内外无缝定位方法，其特征在于，步骤包括：
步骤S1：在行人经过的地方布设蓝牙信标；实时采集行人的卫导数据、ibeacon信息及实时相对位置信息，形成多信息融合数据；
步骤S2：进行室内室外判断；结合蓝牙信标信号强度接收情况、卫导定位数据接收质量和实时相对位置信息是否在室内地图范围内进行综合判断；
步骤S3：如判断在室外，则以粒子滤波为融合框架的卫导与微惯导的松组合导航定位策略进行定位，根据实时相对位置信息获得粒子滤波运动模型，如卫导数据不可用则直接计算粒子集的加权均值，作为对行人位置估计，如卫导数据可用则在粒子滤波中加入卫导观测，然后计算粒子集的加权均值，作为对行人位置估计；如判断在室内，则以粒子滤波为融合框架，将实时相对位置信息作为粒子滤波运动模型，并加入蓝牙测距观测和地图约束观测，然后计算粒子集的加权均值，获得对行人位置估计。
2.根据权利要求1所述的多信息融合的室内外无缝定位方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述实时相对位置信息通过固定安置在行人足部、腰部或肩部三个位置中任意位置的定位标签中的IMU模块给出，它是相对于定位起点的二维直角坐标。
3.根据权利要求1所述的多信息融合的室内外无缝定位方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述实时卫导数据通过卫导定位模块获取，来源于定位导航系统，数据包括当前目标经纬度位置和能够表征定位位置精度的dop值、卫星数、以及水平面的中误差。
4.根据权利要求1所述的多信息融合的室内外无缝定位方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述ibeacon信息通过蓝牙模块获取，包括蓝牙信标的编号及对应的信号强度值。
5.根据权利要求1所述的多信息融合的室内外无缝定位方法，其特征在于，在所述步骤S1中，多信息融合数据经过粒子滤波作为数据融合滤波器，实时卫导数据、ibeacon信息及实时相对位置信息经过时间同步后，输入到粒子滤波信息融合滤波器中；将实时相对位置信息作为粒子滤波运动模型，而卫导数据、ibeacon信息及平面地图信息作为滤波观测信息，通过条件判断及位置修正，最后获得经过滤波修正的行人经纬度、楼层信息。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的多信息融合的室内外无缝定位方法，其特征在于，还包括一个坐标对齐过程；选取卫导定位位置，通过坐标变换将实时相对位置信息、ibeacon信息及地图位置变换到同一坐标系下。
7.根据权利要求6所述的多信息融合的室内外无缝定位方法，其特征在于，所述坐标对齐过程为：先将所用室内地图标定到全局卫导地图中，获得室内地图中所有像素点到全局卫导地图坐标系中的坐标变换矩阵，而蓝牙信标位置坐标是地图坐标系下的坐标，通过室内地图到全局卫导地图的坐标变换矩阵转换，获得蓝牙信标的经纬度位置；将实时相对位置信息坐标变换到地图坐标系中去，完成坐标对齐。
8.根据权利要求6所述的多信息融合的室内外无缝定位方法，其特征在于，当定位起点位于室内时，利用两个蓝牙信标进行坐标对齐；即由行人携带标签，依次从两个相隔一定距离的蓝牙信标正下方通过，行人每经过一个信标，就搜索该信标的最大信号强度，并认为在最大信号强度时，行人正好位于信号正下方，把该信标的水平投影坐标作为行人此时的在地图中的实际坐标P1，同时记录此时标签给出的相对坐标的水平投影坐标值Q1；通过同样的方法找到经过第二个对齐信标时的行人在地图中的实际坐标P2和当时标签给出的相对坐标Q2，然后，利用向量P2P1与向量Q2Q1之间的相对关系，计算得平面二维实时相对位置信息轨迹对齐坐标变换矩阵。
9.根据权利要求6所述的多信息融合的室内外无缝定位方法，其特征在于，当定位起点位于室外时，利用卫导定位位置进行坐标对齐；即在室外行走一段距离，获取该路程内的卫导定位信息及实时相对位置信息的相对轨迹，之后利用卫导数据中的dop值、卫星数定信息从卫导定位位置中筛选出精度较高的位置点，再通过最小二乘估计计算实时相对位置信息相对轨迹的到全局卫导坐标系下的变换矩阵，在该变换矩阵下，实时相对位置信息轨迹上位置点到对应筛选后的卫导位置点的距离之和最小。
10.根据权利要求1-5中任意一项所述的多信息融合的室内外无缝定位方法，其特征在于，在进行室内室外判断时，如果接收的蓝牙信标信号强度大于一个设定的检测阈值，推断行人正在该蓝牙信标足够近的范围内，进而推断出此时行人处在室内；或者，接收到的卫导数据中，卫星的个数小于一个给定的阈值，卫星遮挡严重，推断此时行人处在室内；如果未能接收足够信号强度的蓝牙信标状态，且接收到的卫星数大于一个给定的阈值，则判断行人处于室外。
11.根据权利要求6所述的多信息融合的室内外无缝定位方法，其特征在于，在对齐之后进行室内室外判断时，首先判断接收的蓝牙信标信号强度是否有大于给定阈值的，如果是，则行人处于室内；否则，判断卫星数是否小于给定室内卫星数阈值，如果是，判断当前定位位置是否处在室内地图范围内，如果是，则行人处于室内；如果通过前述步骤不能判定行人在室内，则判定行人在室外。
12.根据权利要求1-5中任意一项所述的多信息融合的室内外无缝定位方法，其特征在于，在通过蓝牙做室内定位时，包括以下方式(a)或(b)：
(a)利用蓝牙信号强度空间中传播随距离衰减的特性，根据距离与信号强度的经验公式，获得距蓝牙的大概距离，然后通过三角定位，得到定位位置；
(b)利用蓝牙信标周围信号强度成指纹状分布的特点，建立蓝牙信号强度指纹库，然后通过指纹匹配获得定位位置。
13.根据权利要求1-5中任意一项所述的多信息融合的室内外无缝定位方法，其特征在于，所述步骤S3中地图约束是通过将地图信息作为粒子滤波的观测而完成的，即用穿墙检测方法判断所有粒子，如果某粒子穿墙，则将该粒子的权重置相应减小；经过粒子滤波重采样后，穿墙粒子将被未穿墙粒子的复制粒子替换，改善粒子集对实际标签位置近似的准确性，实现对定位位置的修正。
14.根据权利要求1-5中任意一项所述的多信息融合的室内外无缝定位方法，其特征在于，还包括定位位置高度的获取及室内地图的楼层切换，其中高度通过气压传感器获取，同时利用部署在不同楼层的蓝牙信标对行人所在楼层进行判断，将蓝牙模块扫描到的信号强度大于一个给定的阈值的蓝牙信标时，将该信标所在楼层的楼层作为行人当前所在的楼层；不同楼层之间的地图切换，通过蓝牙信标进行判断切换。
15.根据权利要求1-5中任意一项所述的多信息融合的室内外无缝定位方法，其特征在于，在上述步骤中通过两个不同的筛选对卫导定位位置数据进行筛选；首先根据卫导数据中的dop值、卫星数、以及水平面的中误差对卫星定位位置数据进行一个初筛选，如果卫导数据通过了初筛选，则选取最近一段筛选后的历史卫导轨迹与该段轨迹对应的实时相对位置信息的定位轨迹进行匹配，给出最小匹配残差，如果该最小匹配残差小于一个给定可用阈值，则认为该卫星数据可靠，否则，不可靠，该卫导数据不能用于融合定位，该数据不可用。
16.根据权利要求1-5中任意一项所述的多信息融合的室内外无缝定位方法，其特征在于，所述蓝牙信标部署的原则如下：
(1)保证室内每层楼的楼梯入口的门框上布设一个信标，用于识别、修正定位楼层；
(2)保证需定位的每一楼层的每扇门的门框上布设一个蓝牙信标；
(3)在其它行人经过几率大的地方布设蓝牙信标，保证蓝牙部署密度。
一种多信息融合的室内外无缝定位方法
技术领域
[0001] 本发明主要涉及到定位技术领域，特指一种多信息融合的室内外无缝定位方法。
背景技术
[0002] 随着无线网络、移动计算等现代信息技术的发展，基于位置的服务已广泛应用于大众生产、生活中的各个方面。而GPS、GLONASS与北斗定位系统的相继建立，使得实时、准确的实现室外定位已不再困难。但由于信号遮挡、多道效应等因素影响，在室内时，GPS等卫星定位系统无法满足人们对定位精度的要求。因此，各种室内定位技术、方法应运而生。这些室内定位方法中，有单纯基于某一技术的，如：基于蓝牙、基于WIFI、基于超宽带、和基于微惯导等，也有将几种技术结合起来，克服各自劣势，实现定位的方法，如：将微惯导与超宽带融合、微惯导与WIFI融合等。
[0003] 基于蓝牙的室内定位方法，主要通过两种方式实现定位。一种是利用蓝牙无线电信号强度空间中随距离衰减的规律，建立信号强度衰减模型，通过测量空间一点上特定蓝牙信标信号强度，经模型换算，求得该点到蓝牙信标的几何距离。这种方式首先在待定位区域布置足够密度的蓝牙信标并测得蓝牙信标空间坐标位置。定位时，待定位目标携带定位标签，定位标签实时采集周围蓝牙信标的信号强度信息，这些信号强度数据经滤波后，进行模型解算，求得标签距周围蓝牙信标的几何距离，最后利用三点定位或最小二乘定位方法给出定位结果。另一种，是指纹匹配定位方式。这种方式首先在待定位空间布置足够密度的蓝牙信标，然后在空间中均匀的选定位置点(如每1米×1米选定一个点)，并采集每一个点上的蓝牙信号强度信息，利用这些点的位置坐标及对应的信号强度信息建立定位指纹库。定位时，定位目标携带定位标签实时的搜索、采集周围的蓝牙信标强度信息，然后利用指纹匹配定位方法，将信号强度信息与指纹库中的信号强度信息进行匹配解算，从而估计出目标当前所处的位置，实现定位。
[0004] 基于WIFI的室内定位方法，在实现方式上与基于蓝牙的定位方式相同，也可利用信号强度空间衰减规律，先测距后定位，和建立指纹库，通过指纹匹配实现定位。但实际应用中多采用指纹匹配的方式，因为这种方式中，不需为了定位单独布设WIFI基站，可以直接利用定位场景中覆盖的WIFI信号，只需建立WIFI指纹库，通过指纹匹配即可实现定位功能，因此该定位方式也多用于可用WIFI源较多的定位场景中。
[0005] 基于超宽带的室内定位方法，是以超宽带测距技术为基础的。超宽带测距,主流方法是通过发射具有极高带宽，持续时间短至纳秒级，有很强时间分辨能力无线电脉冲，而后测量接收脉冲的到达时间或到达时间差，来实现测距的。用这种方式实现定位时，首先在定位区域合理选取超宽带测距基站位置并布设基站，位置的选取必须保证定位区域中任意一点必须能够收到至少收到三个基站的测距信号。定位时，待定位目标携带定位标签，实时接收与周围基站的测距信息，然后通过三点定位方法解算出定位位置。
[0006] 基于微惯导的室内定位方法，与上述三种利用无线电波技术进行定位不同，是利用陀螺仪、加速度计、磁力计等微机电(MEMS)传感器实现位置获取的。将微惯导用于行人定位时，通常称为行人航迹推算(Pedestrian Dead Reckoning，PDR),利用加速度计、陀螺仪、磁力计等传感器，实时获取行人运动数据，对其行走的步数、步长、方向进行测量和统计，推算出步行者行走轨迹，和位置等信息，最终实现定位。
[0007] 在复杂室内外环境中，基于无线电技术的定位方法必然因为信号被遮挡、多道效应等因素，使得定位成本升高、精度下降。在室外，大部分情况下，通过卫导可得到满足精度要求的定位结果，但当目标靠近高墙、狭窄通道时，定位为变得不稳定，精度降低。在室内环境下，基于无线电信号强度的定位方法(如蓝牙定位、WIFI定位、射频RFID定位等)，定位精度较差、且需要稠密布置。而超宽带定位，由于室内空间较窄、且存在多墙壁、陈设等的遮挡，无法发挥超宽带定位范围广的优势，需要增加基站部署，故必要增加成本与施工难度，且同样会由于遮挡及多道效应的影响而定位精度下降。而基于惯导的方法，由于工作时不依赖外界信息，故不易受到室内复杂环境的干扰，但由于所用设备必须便于人员携带，因此惯导只能采用微惯导技术，而基于微机电传感器的微惯导，误差积累和方向漂移都比较大，无法满足长时间的定位需求。
发明内容
[0008] 本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够实现在复杂的室内外环境下低成本、高精度、长时间可靠定位的多信息融合的室内外无缝定位方法。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
[0010] 一种多信息融合的室内外无缝定位方法，其步骤包括：
[0011] 步骤S1：在行人经过的地方布设蓝牙信标；实时采集行人的卫导数据、ibeacon信息及实时相对位置信息，形成多信息融合数据；
[0012] 步骤S2：进行室内室外判断；结合蓝牙信标信号强度接收情况、卫导定位数据接收质量和实时相对位置信息是否在室内地图范围内进行综合判断；
[0013] 步骤S3：如判断在室外，则以粒子滤波为融合框架的卫导与微惯导的松组合导航定位策略进行定位，根据实时相对位置信息获得粒子滤波运动模型，如卫导数据不可用则直接计算粒子集的加权均值，作为对行人位置的估计，如卫导数据可用则在粒子滤波中加入卫导观测，然后计算粒子集的加权均值，作为对行人位置的估计；如判断在室内，则以粒子滤波为融合框架，将实时相对位置信息作为粒子滤波运动模型，并加入蓝牙测距观测和地图约束观测，然后计算粒子集的加权均值，获得对行人位置的估计。
[0015] 作为本发明的进一步改进：在所述步骤S1中，所述实时卫导数据通过卫导定位模块获取，来源于定位导航系统，数据包括当前目标经纬度位置和能够表征定位位置精度的dop值、卫星数、以及水平面的中误差。
[0016] 作为本发明的进一步改进：在所述步骤S1中，所述ibeacon信息通过蓝牙模块获取，包括蓝牙信标的编号及对应的信号强度值。
[0017] 作为本发明的进一步改进：在所述步骤S1中，多信息融合数据经过粒子滤波作为数据融合滤波器，实时卫导数据、ibeacon信息及实时相对位置信息经过时间同步后，输入到粒子滤波信息融合滤波器中；将实时相对位置信息作为粒子滤波运动模型，而卫导数据、ibeacon信息及平面地图信息作为滤波观测信息，通过条件判断及位置修正，最后获得经过滤波修正的行人经纬度、楼层信息。
[0018] 作为本发明的进一步改进：还包括一个坐标对齐过程；选取卫导定位位置，通过坐标变换将实时相对位置信息、ibeacon信息及地图位置变换到同一坐标系下，[0019] 作为本发明的进一步改进：所述标对齐过程为：先将所用室内地图标定到全局卫导地图中，获得室内地图中所有像素点到全局卫导地图坐标系中的坐标变换矩阵，而蓝牙信标位置坐标是地图坐标系下的坐标，通过室内地图到全局卫导地图的坐标变换矩阵转换，获得蓝牙信标的经纬度位置；将实时相对位置信息坐标变换到地图坐标系中去，完成坐标对齐。
[0020] 作为本发明的进一步改进：当定位起点位于室内时，利用两个蓝牙信标进行坐标对齐；即由行人携带标签，依次从两个相隔一定距离的蓝牙信标正下方通过，行人每经过一个信标，就搜索该信标的最大信号强度，并认为在最大信号强度时，行人正好位于信号正下方，把该信标的水平投影坐标作为行人此时的在地图中的实际坐标P1，同时记录此时标签给出的相对坐标的水平投影坐标值Q1；通过同样的方法找到经过第二个对齐信标时的行人在地图中的实际坐标P2和当时标签给出的相对坐标Q2，然后，利用向量P2P1与向量Q2Q1之间的相对关系，计算得平面二维实时相对位置信息轨迹对齐坐标变换矩阵。
[0021] 作为本发明的进一步改进：当定位起点位于室外时，利用卫导定位位置进行坐标对齐；即在室外行走一段距离，获取该路程内的卫导定位信息及实时相对位置信息的相对轨迹，之后利用卫导数据中的dop值、卫星数定信息从卫导定位位置中筛选出精度较高的位置点，再通过最小二乘估计计算实时相对位置信息相对轨迹的到全局卫导坐标系下的变换矩阵，在该变换矩阵下，实时相对位置信息轨迹上位置点到对应筛选后的卫导位置点的距离之和最小。
[0022] 作为本发明的进一步改进：在进行室内室外判断时，如果接收的蓝牙信标信号强度大于一个设定的检测阈值，推断行人正在该蓝牙信标足够近的范围内，进而推断出此时行人处在室内；或者，接收到的卫导数据中，卫星的个数小于一个给定的阈值，卫星遮挡严重，推断此时行人处在室内；如果未能接收足够信号强度的蓝牙信标状态，且接收到的卫星数大于一个给定的阈值，则判断行人处于室外。
[0023] 作为本发明的进一步改进：在对齐之后进行室内室外判断时，首先判断接收的蓝牙信标信号强度是否有大于给定阈值的，如果是，则行人处于室内；否则，判断卫星数是否小于给定室内卫星数阈值，如果是，判断当前定位位置是否处在室内地图范围内，如果是，则行人处于室内；如果通过前述步骤不能判定行人在室内，则判定行人在室外。
[0024] 作为本发明的进一步改进：在通过蓝牙做室内定位时，包括以下方式(a)或(b)：
[0025] (a)利用蓝牙信号强度空间中传播随距离衰减的特性，根据距离与信号强度的经验公式，获得距蓝牙的大概距离，然后通过三角定位，得到定位位置；
[0026] (b)利用蓝牙信标周围信号强度成指纹状分布的特点，建立蓝牙信号强度指纹库，然后通过指纹匹配获得定位位置。
[0027] 作为本发明的进一步改进：所述步骤S3中地图约束是通过将地图信息作为粒子滤波的观测而完成的，即用穿墙检测方法判断所有粒子，如果某粒子穿墙，则将该粒子的权重置相应减小；经过粒子滤波重采样后，穿墙粒子将被未穿墙粒子的复制粒子替换，改善粒子集对实际标签位置近似的准确性，实现对定位位置的修正。
[0028] 作为本发明的进一步改进：还包括定位位置高度的获取及室内地图的楼层切换，其中高度通过气压传感器获取，同时利用部署在不同楼层的蓝牙信标对行人所在楼层进行判断，将蓝牙模块扫描到的信号强度大于一个给定的阈值的蓝牙信标时，将该信标所在楼层的楼层作为行人当前所在的楼层；不同楼层之间的地图切换，通过蓝牙信标进行判断切换。
[0029] 作为本发明的进一步改进：在上述步骤中通过两个不同的筛选对卫导定位位置数据进行筛选；首先根据卫导数据中的dop值、卫星数、以及水平面的中误差对卫星定位位置数据进行一个初筛选，如果卫导数据通过了初筛选，则选取最近一段筛选后的历史卫导轨迹与该段轨迹对应的实时相对位置信息的定位轨迹进行匹配，给出最小匹配残差，如果该最小匹配残差小于一个给定可用阈值，则认为该卫星数据可靠，否则，不可靠，该卫导数据不能用于融合定位，该数据不可用。
[0030] 作为本发明的进一步改进：所述蓝牙信标部署的原则如下：
[0032] (2)保证需定位的每一楼层的每扇门的门框上布设一个蓝牙信标；
[0033] (3)在其它行人经过几率大的地方布设蓝牙信标，保证蓝牙部署密度。
[0034] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0035] 1、本发明的一种多信息融合的室内外无缝定位方法，为一种综合利用卫导、微惯导、蓝牙和地图信息的室外室内无缝定位方法，能够实现在复杂的室内外环境下低成本、高精度、长时间的定位，从而解决了基于无线电的定位技术受环境影响大，而基于惯导的定位技术误差累积的缺点，同时实现了室内外连续稳定的无缝定位。
[0036] 2、本发明的一种多信息融合的室内外无缝定位方法，在室外，单纯利用卫导定位时，但行人走入狭巷、林地及靠近高大建筑时，由于卫导信号遮挡、多径等，定位稳定性、精度都会下降。利用基于卫导和微惯导的组合导航方法进行定位，可显著提高复杂室外环境下的定位精度与稳定性。在室内时，单纯利用IMU进行行人定位时，由于惯导解算的误差积累和方向漂移，定位误差会随着时间累积而变的不可接受，单纯利用蓝牙信标，定位精度低，同时因为需高密度部署而导致成本高，而通过用粒子滤波方法将IMU轨迹、蓝牙定位信息与地图进行融合，利用地图、蓝牙定位位置点可对IMU的方向漂移和位置累积误差进行抑制修正。由于综合利用了卫导、IMU、地图和蓝牙信标，可实现复杂室内外环境中人员无缝长时间高精度实时定位问题，并且室内定位信标稀疏部署，无线缆、无弱电施工，部署、维护和迁移简便。附图说明
[0037] 图1是本发明方法的流程示意图。
[0038] 图2是本发明在具体应用实例中的原理示意图。
[0039] 图3是本发明在具体应用实例中采用基于蓝牙信标的两点对齐法的示意图。
[0040] 图4是本发明在具体应用实例中第一阶段室内室外判别的流程示意图。
[0041] 图5是本发明在具体应用实例中第二阶段室内室外判别的流程示意图。
[0042] 图6是本发明在具体应用实例中的卫导信号筛选流程示意图。
[0043] 图7是本发明在具体应用实例中的完整流程示意图。
具体实施方式
[0045] 如图1和图2所示，本发明的一种多信息融合的室内外无缝定位方法，其步骤包括：
[0046] 步骤S1：在行人经过的地方布设蓝牙信标；实时采集行人的卫导数据、ibeacon信息及实时相对位置信息，形成多信息融合数据；
[0047] 步骤S2：进行室内室外判断；结合蓝牙信标信号强度接收情况、卫导定位数据接收质量和实时相对位置信息是否在室内地图范围内进行综合判断。
[0048] 步骤S3：如判断在室外，则以粒子滤波为融合框架的卫导与微惯导的松组合导航定位策略进行定位，根据实时相对位置信息获得粒子滤波运动模型，如卫导数据不可用则直接计算粒子集的加权均值，作为对行人位置的估计，如卫导数据可用则在粒子滤波中加入卫导观测，然后计算粒子集的加权均值，作为对行人位置的估计；如判断在室内，则以粒子滤波为融合框架，将实时相对位置信息作为粒子滤波运动模型，并加入蓝牙测距观测和地图约束观测，然后计算粒子集的加权均值，获得对行人位置的估计。
[0049] 在具体应用实例中，在上述步骤S1中，实时相对位置信息通过固定安置在行人足部、腰部或肩部三个位置中任意位置的定位标签中的IMU模块给出，它是相对于定位起点的二维直角坐标。实时卫导数据通过卫导定位模块获取，可来源于GPS、北斗等任意可用的定位导航系统，数据包括当前目标经纬度位置和能够表征定位位置精度的dop值、卫星数、以及水平面的中误差等。实时ibeacon信息通过蓝牙模块获取，包括蓝牙信标的编号及对应的信号强度值。
[0050] 在具体应用实例中，在上述步骤S1中，所述实时ibeacon信息中包括一个或多个蓝牙的编号、对应的信号强度以及扫描获得这些蓝牙信标编号、信号强度时的系统时间。所述卫导数据中包括经度、纬度、高度、卫星数、dop值、水平面的中误差以及该帧卫导数据的获取时间。所述IMU模块采集的位置数据包括IMU相对坐标系下的x坐标值、y坐标值、z坐标值、气压计高度值，以及该帧IMU位置数据产生的系统时间，同时所有IMU位置数据都是在行人完成一步时给出。
[0051] 在具体应用实例中，在上述步骤S1中，多信息融合数据经过粒子滤波作为数据融合滤波器，实时IMU相对位置、卫导数据及扫描到的蓝牙信息经过时间同步后，输入到粒子滤波信息融合滤波器中，将IMU相对位置作为粒子滤波运动模型，而卫导定位位置、蓝牙信号强度定位信息及平面地图信息作为滤波观测信息，通过一定的条件判断，适时的滤波定位位置进行修正。最后，获得经过滤波修正的行人经纬度、楼层信息。
[0052] 具体应用时，在本发明的方法中，采用标签相对位置对齐到地图坐标系下的位置更新模型作为粒子滤波的传播模型，其模型形式如下式(式(1))：
[0053]
[0054] 其中△lt、△headingt分别为标签从t-1时刻移动到t时候时IMU给出的步长和航向角增量，是携带标签的行人完成一步的步长和该步的前进方向相对于上一步前进方向的角增量。xt、yt和headingt分别为携带标签的行人t时刻在地图坐标系中的水平x、y轴坐标与前进方向。
[0055] 粒子滤波中，粒子集的粒子是通过对建议分布(或称提议分布)采样得到的，在本发明的方法中，分布通过在传播模型上式上加均值为零的高斯噪声得到。
[0056] 而权值修正，则分为用卫导定位位置作为滤波观测时的权值修正、用蓝牙信标信号强度测距作为滤波观测时的权值修正和用地图约束作为滤波观测时的权重修正三种情况。
[0057] 第一种情况下，权重修正公式如下(式(2))：
[0058]
[0059] 其中wt(k)为t时刻第k个粒子的权重，ρ为归一化系数， 为t时刻卫导定位位置，(xt(k),yt(k))为t时刻第k个粒子代表的位置，σs为高斯分布均方差，与卫导定位精度相关。
[0060] 第二种情况下，权重修正公式如下(式(3))：
[0061]
[0062] 其中wt(k)为t时刻第k个粒子的权重，ρ为归一化系数，ranget(m)为t时刻测得的相对第m个蓝牙信标的距离，ranget(k,m)为t时刻第k个粒子到第m个蓝牙信标的距离。
[0063] 当第二种情况下用地图约束时，将穿墙粒子权重，乘上一个小于1的系数，降低其权重，而未穿墙的粒子保持原来的权重不变，然后对所有权重进行归一化处理。
[0064] 在具体应用实例中，在上述步骤S1中，蓝牙信标部署的原则如下：
[0065] (1)保证室内每层楼的楼梯入口的门框上布设一个信标，用于识别、修正定位楼层；
[0066] (2)保证需定位的每一楼层的每扇门的门框上布设一个蓝牙信标；
[0067] (3)在其它行人经过几率大的地方布设蓝牙信标，保证一定的蓝牙部署密度。
[0068] 作为较佳的实施例，在本发明定位方法的初始化阶段，还包括一个坐标对齐过程。无论是定位标签通过惯性器件获得的相对位置，还是蓝牙信标测距信息，或者区域地图位置都是相对于各自的相对坐标系的，要想进行定位融合，首先必须进行坐标变换，将三者坐标变换到同一坐标系下。又由于最终需获得行人在全局地图的经纬度位置，故本发明的定位方法中，选取卫导定位位置所在坐标系作为基准坐标系，将标签相对位置坐标、蓝牙信标位置坐标和地图坐标系变换到地图坐标系中来。
[0069] 具体方法是先将所用室内地图标定到全局卫导地图中，获得室内地图中所有像素点到全局卫导地图坐标系中的坐标变换矩阵，而蓝牙信标位置坐标，是通过部署蓝牙信标时，在地图的中标出对应位置获得的坐标，因此蓝牙信标坐标是地图坐标系下的坐标，通过室内地图到全局卫导地图的坐标变换矩阵转换，即可获得蓝牙信标的经纬度位置。之后，是将IMU相对位置坐标变换到地图坐标系中去，即此处所示的坐标对齐。
[0070] 本发明定位方法中，坐标对齐通过两种方法中的一种实现，根据行人定位起点位于室内还是室外进行选择。当定位起点位于室内时，利用两个蓝牙信标进行坐标对齐，如图3所示。其原理为：标签开机初始化后，行人携带标签，依次从两个相隔一定距离的蓝牙信标正下方通过，行人每经过一个信标，就搜索该信标的最大信号强度，并认为在最大信号强度时，行人正好位于信号正下方，从而可以把该信标的水平投影坐标作为行人此时的在地图中的实际坐标P1(xP1,yP1)，同时记录此时标签给出的相对坐标的水平投影坐标值Q1(xQ1,yQ1)，通过同样的方法找到经过第二个对齐信标时的行人在地图中的实际坐标P2(xP2,yP2)和当时标签给出的相对坐标Q2(xQ2,yQ2)。然后，利用向量P2P1与向量Q2Q1之间的相对关系，计算得平面二维IMU轨迹对齐坐标变换矩阵如下式(式(4))：
[0071] △θ＝tan-1((yP2-yP1)/(xP2-xP1))-tan-1((yQ2-yQ1)/(xQ2-xQ1))[0072]
[0073] 其中，(x,y)为IMU的原始轨迹点坐标，(xalign,yalign)为对齐后的IMU的轨迹点坐标。
[0074] 当定位起点位于室外的时，利用卫导定位位置进行坐标对齐。具体方法是在室外行走一段距离，获取该路程内的卫导定位信息及IMU相对轨迹，之后利用卫导数据中的dop值、卫星数定信息从卫导定位位置中筛选出精度较高的位置点，再通过最小二乘估计计算IMU相对轨迹的到全局卫导坐标系下的变换矩阵，在该变换矩阵下，IMU轨迹上位置点到对应筛选后的卫导位置点的距离之和最小。
[0075] 具体应用时，在本发明的上述流程中，室内室外判断需结合蓝牙信标信号强度接收情况、卫导定位数据接收质量和实时定位位置是否在室内地图范围内三个依据条件进行综合判断。根据本方法流程，将该室内室外判断分成两个阶段的室内室外判断。
[0076] 参见图4，第一个阶段为对齐成功之前的室内室外判断，对齐之前尚未获得行人的实时定位位置，因此只能根据蓝牙信标信号强度接收情况和卫导定位数据接收质量进行判断。
[0077] 具体方法为：如果接收的蓝牙信标信号强度大于一个设定的检测阈值，可推断行人正在该蓝牙信标足够近的范围内，由于蓝牙部署在室内，故可推断出此时行人处在室内；或者，接收到的卫导数据中，卫星的个数小于一个给定的阈值，卫星遮挡严重，可推断此时行人处在室内。如果未能接收足够信号强度的蓝牙信标状态，且接收到的卫星数大于一个给定的阈值，则判断行人处于室外。否则，行人处于从室内到室外的过渡地带。
[0078] 参见图5，第二个阶段为对齐之后的室内室外判断。室内室外的判断方法为：首先判断接收的蓝牙信标信号强度是否有大于给定阈值的，如果是，则行人处于室内；否则，判断卫星数是否小于给定室内卫星数阈值，如果是，判断当前定位位置是否处在室内地图范围内，如果是，则行人处于室内。如果通过前述步骤不能判定行人在室内，则判定行人在室外。相对第一阶段，第二阶段的过渡地带被划入了室外部分，由于此时惯导轨迹已经对齐到卫导全局坐标中，在室外无卫导的情况下，可由惯导给出全局定位坐标，故过渡地带划入室外不会影响室外的定位。
[0079] 作为较佳的实施例，本发明在具体应用时利用蓝牙做室内定位有两种方法，一种是利用蓝牙信号强度空间中传播随距离衰减的特性，根据距离与信号强度的经验公式，可以获得距蓝牙的大概距离，然后通过三角定位，得到定位位置。另一种是利用蓝牙信标周围信号强度成指纹状分布的特点，建立蓝牙信号强度指纹库，然后通过指纹匹配获得定位位置。
[0080] 本定位方法中，只是利用蓝牙信号强度测距测得的标签到蓝牙信标的距离来修正信标在地图中的位置。修正方式有两种，一种是将蓝牙信标测距测得的标签到蓝牙信标的距离作为粒子滤波的观测量。在这个方式中，用于蓝牙测距的经验公式如下(式(5))：
[0081]
[0082] 其中rssi为标签当前测得的第i个蓝牙信标的信号强度，rangei为标签到第i个蓝牙信标的距离，n为与环境有关的系数，RSS则是一米处信号强度标定值。在[0083] range
[0084] 粒子滤波中，结合上述策略，即可对滤波位置起到修正作用。
[0085] 另一种方式是，当标签接收到某个蓝牙信标的信号强度大于或等于该蓝牙信标的RSSmax值而粒子滤波给出的当前标签位置到该蓝牙的距离大于设定的阈值时，直接将标签在地图中的位置修正到蓝牙信标在地图中的水平投影位置。方式是，在粒子滤波中，利用该信标的水平投影位置(x，y)重新初始化粒子集中每个粒子的x和y两个状态，而heading状态保持不变。
[0086] 作为较佳的实施例，本发明在具体应用时进一步进行地图约束修正。即在室内定位中，利用地图中一些不可到达的区域对定位位置进行限制，可对定位结果起到有效的修正作用。而在粒子滤波框架下，做地图限制又相对容易，因此定位方法在定位中融入地图信息，以便改善定位效果。
[0087] 本定位方法中用于做地图匹配的地图为二值地图，即地图灰度值只就0和1两种值，1值表示该像素点处为墙或其它不可穿过的物体，灰度为0的像素点处为室内空间，可被穿透或被标签位置占据。
[0088] 地图匹配的核心是穿墙检测，这里的方法是对单个粒子，在二值地图中用直线连接该粒子的上一个状态位置和当前位置，判断该线段所有最近邻像素点的灰度值，如果存在为1的像素点，则表明该粒子在本步传播中穿墙或其它障碍物。
[0089] 在本定位方法中，地图约束是通过将地图信息作为粒子滤波的观测而完成的，方法是用穿墙检测方法判断所有粒子，如果某粒子穿墙，则将该粒子的权重置相应减小。经过粒子滤波重采样后，穿墙粒子将被未穿墙粒子的复制粒子替换。从而改善粒子集对实际标签位置近似的准确性，实现对定位位置的修正。
[0090] 作为较佳的实施例，本发明的定位方法中，室外部分的定位是一种以粒子滤波为融合框架的卫导与微惯导的松组合导航定位方法。在这种松组合导航中，卫导定位位置的好坏，对最终融合定位结果的影响很大。因此，在融合滤波前，对卫导定位数据进行筛选，去掉误差显示的定位位置，能提高融合定位结果的稳定性和精度。
[0091] 在本方法中，通过两个不同的筛选对卫导定位位置数据进行严格的筛选。首先根据卫导数据中的dop值、卫星数、以及水平面的中误差对卫星定位位置数据进行一个初筛选，如果卫导数据通过了初筛选，则选取最近一段筛选后的历史卫导轨迹与该段轨迹对应的IMU定位轨迹进行匹配，给出最小匹配残差，如果该最小匹配残差小于一个给定可用阈值，则认为该卫星数据可靠，否则，不可靠，该卫导数据不能用于融合定位，该数据不可用。筛选流程如图6所示。
[0093] 作为较佳的实施例，本发明的定位方法中进一步包括定位位置高度的获取及室内地图的楼层切换，高度通过气压传感器获取，同时利用部署在不同楼层的蓝牙信标对行人所在楼层进行判断，将蓝牙模块扫描到的信号强度大于一个给定的阈值的蓝牙信标时，将该信标所在楼层的楼层作为行人当前所在的楼层。根据该楼层号结合地图中给出的楼层高度等信息，可对气压计给出的行人位置高度进行标定和修正。而不同楼层之间的地图切换，同样通过蓝牙信标进行判断切换。
[0094] 以本发明一个具体应用中的完成流程对本发明的工作流程做进一步阐述。本定位方法的总体实现流程如图7所示。步骤如下：
[0095] (1)初始化。载入包含所有N个蓝牙信标的蓝牙信标部署位置表，和定位场景的室内部分的二值栅格地图，设置携带定位标签的行人行走步号为step_num＝0，设置卫导对齐数据缓存计数器satellite_num＝0(在用卫导对齐过程中，表示已经存入卫导数据缓存中的可用卫导数据的个数，即每往卫导对齐数据缓存中存入一个可用卫导数据及该数据对应IUM位置，则该计数器值加1)，最大缓存数satellite_max_num(卫导对齐数据缓存的最大长度，取值范围为10～25)，设置对齐标志align_flag＝0(初始化时取值0，当搜索到第一个可用于对齐蓝牙信标，或者接收到第一个可用的卫导数据时，该标志位被置1，对齐成功后该标志位被置成2，因此取值1表明正处于轨迹对齐阶段，取值2表示对齐成功，进入正常滤波定位阶段)，设置利用蓝牙信标修正定位位置使能标志beacon_enable＝true(取值为true时蓝牙信标即用于室内惯导轨迹对齐对齐也用于定位修正，取值false则只用于室内惯导轨迹对齐)，设置蓝牙信号强度可用门限值rss_min_limit(取值范围为-65dB～-50dB，大于该门限的信号强度值为可用信号)。执行(2)；
[0096] (2)输入数据时间同步。
[0097] 按时间顺序接收定位标签上蓝牙模块扫到的蓝牙编号及信号强度信息，等待IMU模块产生步子位置数据及卫导数据。当有步子产生时，step_num＝step_num+1，分别求取一步内扫到各蓝牙信标的平均信号强度值，以及一步之内时间上距该步子点最近的一个卫导数据，将该信标平均信号强度值和最近卫导数据作为步子位置点处接收到的蓝牙信号强度值和卫导定位值，如果一步之内无蓝牙数据则设置该步子位置点处扫到的蓝牙信标的信号强度值为很小的无效值(小于-110dB)，若一步之内未接收到卫导数据，则将该步子位置点对应的卫导数据中所有项都设置为零。
[0098] (3)如果align_flag＝＝2，执行(7)进入粒子滤波传播修正过程。否则如果align_flag<＝1，进行室内室外判定，进入IMU轨迹对齐过程：判定为室内则执行(5)；判定为室外则执行(4)；判定为过渡地带，则返回执行(2)。
[0099] (4)利用卫导数据对齐：
[0100] 4.1)判定卫导数据是否可用，如果否，返回执行(2)，如果是，satellite_num＝satellite_num+1。若satellite_num＝＝1，则置align_flag＝1。将卫导定位位置和IMU位置加入到卫导对齐数据缓存中，执行4.2)；
[0101] 4.2)如果satellite_num小于satellite_max_num，则返回执行(2)，否则，设置satellite_num＝0，赋值用‘＝’表示，将卫导对齐数据缓存中的经纬度坐标转换为本地坐标，之后利用缓存的数据通过最小二乘估计计算IMU相对坐标到卫导全局坐标的坐标变换矩阵，并得到当前IMU坐标变换到卫导坐标本地化后坐标系中的位置坐标(xinit,yinit)，及航向角init_heading，执行(6)。卫导对齐不成功，是指对齐过程尚未完成，未计算出位置坐标(xinit,yinit)和init_heading的值。
[0102] (5)利用蓝牙信标对齐，若align_flag＝＝0，执行5.1)，若align_flag＝＝1，则执行5.2)：
[0103] 5.1)搜索第一个蓝牙信标。
[0104] 5.1.1)如果一步之间的搜到的所有蓝牙信标的信号强度值都小于rss_min_limit，则返回执行(2)，否则，执行5.1.2)；
[0105] 5.1.2)搜索蓝牙信号强度最强点，并保存当前信号最强信号值对应的蓝牙编号及对应的IMU给出的相对位置坐标。如果不满足搜索结束条件，则返回执行(2)，否则，执行5.1.3)；
[0106] 5.1.3)置align_flag＝1，取信号最强点出的IMU相对位置记为Q1(xP1,yP1)，用最强信号值对应的蓝牙编号搜索蓝牙位置表，获取此时行人在地图中的实际坐标，并将其经纬度坐标本地化得P1(xP1,yP1)，返回执行(2)；
[0107] 5.2)使用5.1)中同样的方法搜索第二个蓝牙信标。
[0108] 若尚未获得Q2(xQ2,yQ2)和P2(xP2,yP2)，则搜索第二个蓝牙信标，获取Q2(xQ2,yQ2)和P2(xP2,yP2)，利用式(4)对当前IMU相对位置进行对齐变换，获取对齐后的位置P3(xP3,yP3)，执行5.3)，否则，利用式(4)对当前IMU相对位置进行对齐变换，获取对齐后的位置P3(xP3,yP3)，执行5.3)。
[0109] 5.3)如果P2与P3同一个点，则返回执行(2)，否则，计算对齐初始位置及初始航向角：
[0110] xinit＝xP3
[0111] yinit＝yP3
[0112] init_heading＝atan2(yP3-yp2,xP3-xp2)
[0113] 执行(6)。
[0114] (6)粒子滤波粒子集初始化。
[0115] 利用得到的(xinit,yinit)和init_heading初始化初始化粒子滤波粒子集：
[0116] Particles{xi,yi,headingi,weightsi}N,i∈{1,2,…,N}，
[0117] 其中：
[0118]
[0119] N为粒子集粒子数，weight为粒子权重，pos_noise和head_noise分别为初始化粒子位置白噪声与航向角白噪声。置align_flag＝2，返回(2)。
[0120] (7)备份整个粒子集，然后按式(1)进行粒子群一步传播。执行(8)。
[0121] (8)判断室内还是室外，如果是室内，执行(9)，否则，判断当前卫导数据是否可用，当前卫导数据不可用则执行(12)，当前卫导数据可用则根据式(2)更新粒子权重，之后对粒子集进行重采样，再执行(12)；
[0122] (9)判断beacon_enable的取值，如果beacon_enable＝＝false，则执行(10)，否则，判断一步间搜到的信标信息中，是否存在信标，其一步间的信号强度平均值大于rss_min_limit，如果存在，则根据式(3)更新粒子权重(蓝牙测距修正)，之后对粒子集进行重采样，然后执行(10)，否则，直接执行(10)；
[0123] (10)根据扫描到的蓝牙信标所对应的楼层信息及气压计给出的高度，判断当前所在楼层，根据楼层加载室内地图，执行(11)；
[0124] (11)利用地图约束，修正更新粒子集。置i＝1，执行11.1)；
[0125] 11.1)选定第i一个粒子，在二值地图中，用直线连接粒子当前所在位置和进行一步传播操作之前备份的位置(从(7)中所述备份粒子集中获取)，得到一条连接该粒子在滤波中上一步和当前步位置的线段，执行11.2)；
[0126] 11.2)在室内二值地图中检测该线段是否穿墙，即在室内二值地图中，判断该线段通过的像素点中，是否存在灰度值为1的像素点，如果有，则该粒子在最近一次传播过程中穿墙，表明该粒子表示的定位位置误差大，设置粒子权置weighti＝weighti/η(其中η≥10)，执行11.3)。否则，执行11.3)；
[0127] 11.3)判断i
[0128] (12)通过粒子集粒子状态与粒子权重求加权和，计算当前行人位置的估计值，并将该本地局部坐标系中的估计值转换为经纬度坐标，同时根据扫描到的蓝牙信标所对应的楼层信息及气压计给出的高度，判断当前所在楼层及高度坐标，返回执行(2)。
[0129] 以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
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