一種智能設備室內定位系統(tǒng)和方法
【專利說明】一種智能設備室內定位系統(tǒng)和方法 【技術領域】
[0001 ]本發(fā)明屬于室內定位技術領域，涉及一種智能設備室內定位系統(tǒng)和方法。 【【背景技術】】
[0002] 隨著摩天大樓的不斷增多，龐大的建筑群給人們生活帶了方便，但也帶來了不便。 人們在大型商場，停車場等大型場所中沒有GPS信號，很容易找不到東西南北，商場該怎么 出去，停車場的車放在那里，等一系列室內位置問題給人們的生活帶來很大的不便，因此， 室內定位技術受到了越來越多的重視。
[0003] 目前室內的定位方法主要有:射頻識別、超聲波、超寬帶、WIFI、藍牙、Zigbee等，大 多數的方法不能直接應用到設備上，必須通過專業(yè)的手持設備才能實現(xiàn)，實用性不強，并且 精度受到一定的限制。 【
【發(fā)明內容】
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[0004] 有鑒于此，本發(fā)明提供一種智能設備室內定位系統(tǒng)和方法，通過信標信號強度與 運動傳感器融合的智能設備室內定位方法和系統(tǒng)，該方法利用室內布置的信標、手機室內 地圖和手機傳感器，實現(xiàn)手機的室內定位。
[0005] 為了達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：
[0006] -種智能設備室內定位系統(tǒng)，包括信標和智能設備，所述的信標用于發(fā)出信標信 號，所述的智能設備包括用于接收該信標信號的接收裝置、用于檢測智能設備運動數據的 運動傳感器和定位軟件APP，所述的定位軟件APP通過所述的信標信號和運動數據來計算得 到與該智能設備最近的信標，進而實現(xiàn)該智能設備的精確定位。
[0007] 所述的信標間隔設置在室內，相鄰兩個信標之間的距離不大于所述接收裝置接收 信標信號的接收范圍。
[0008] 所述的信標選用藍牙信標，所述的智能設備選用智能手機，所述的接收裝置選用 藍牙裝置，所述的運動傳感器包括加速度傳感器、方向傳感器和陀螺儀。
[0009 ] -種智能設備室內定位方法，包括以下步驟：
[0010]步驟一:將智能設備的定位軟件APP打開，該定位軟件APP控制該智能設備的接收 裝置自動搜索智能設備周圍的信標信號；同時，該智能設備通過運動傳感器檢測智能設備 的運動數據；
[0011] 步驟二:定位軟件APP通過濾波算法對采集到的信標信號強度值進行濾波，通過濾 波后的信標信號強度值確定距離設備最近的信標；
[0012] 步驟三:定位軟件APP將濾波后的信標信號強度值和運動傳感器檢測的運動數據 通過梯度融合的方法計算智能設備到最近的信標之間的距離；
[0013] 步驟四：定位軟件APP通過步驟三計算得到的智能設備到最近的信標之間的距離 并在地圖上匹配位置信息，結合智能設備的運動方向和速度實現(xiàn)精確定位。
[0014] 所述的步驟一中，打開定位軟件APP后，定位軟件APP控制智能設備自動掃描周圍 的信標信號，智能設備的接收裝置采集并接收信標信號，定位軟件APP收集信標的信號強度 和UUID(通用唯一識別碼〖Universally Unique Identifier)標識。
[0015] 所述的步驟一中，所述的信標間隔向外廣播信號，該廣播信號包括信標的信標信 號強度和UUID標識。
[0016] 所述的步驟二中，所述的定位軟件APP通過卡爾曼濾波并確定距離設備最近的信 標。
[0017] 所述的步驟三中，所述的運動傳感器包括加速度傳感器、方向傳感器和陀螺儀，所 述的定位軟件APP對加速度傳感器和陀螺儀進行采樣，利用智能設備的姿態(tài)算法獲得智能 設備的姿態(tài)和水平方向的夾角，并記錄加速度的連續(xù)變化量和加速度矢量。
[0018] 所述的步驟三中，所述的定位軟件APP通過如下步驟計算智能設備到最近的信標 之間的距離：
[0019] 步驟1):利用接收信標信號的強度和距離關系，如式(1)所示，計算出一個距離，
[0020] d=10(478l(d))/3·22 (1)這是根據信號的傳播模型得到的，其中，d為距信標節(jié)點 的距離，P(d)為信號強度；
[0021] 步驟2):利用陀螺儀和加速度傳感器測得的加速度矢量和智能設備姿態(tài)，可以得 到智能設備移動的瞬時速率可以表示為(2)式所示，
[0022] Vi = ai · Δ ti · cosB (2)
[0023] 其中，&1為測得的加速度矢量，Θ為智能設備與水平面的夾角，Atl為測量間隔時間， 在第η次利用加速度傳感器和陀螺儀預測距離的值可以表示為式(3)所示，
[0024] Xn = Vn · A t+Xn-1 (3)
[0025] Xn代表通過加速度預測的距離，這樣的預測過程被用于下一個距離的測量，為了 減小測量環(huán)境變化對測距的影響，用標準差規(guī)則來過濾測量值，式(4)是用來計算預測值和 以前測量距離的標準差，
[0026] (4)
[0027] δ(Χη，Χη)表示預測值和當前測量值的標準差， Χη表示依靠信號傳播模型測量的距 離；
[0028] 步驟3):利用公式(5)決定用戶最后的距離，
[0029] Xf = xn+(sign(Xn_xn) )*δ(Χη，χη)δ(Χη，χη)2 (5)
[0030] Sign(x)為符號函數，代表了預測值χη減測量值&的正負，如果差值為正則輸出為 1，如果差值為負則輸出為-1，Xf為智能設備到最近的信標之間的距離。
[0031] 所述的步驟四中，所述的定位軟件APP通過如下步驟在地圖上匹配智能設備的位 置信息，結合智能設備的運動方向和速度實現(xiàn)精確定位：
[0032] 步驟a):由步驟三檢測到的加速度和信號強度變化趨勢判斷設備遠離信標節(jié)點或 者靠近信標節(jié)點，用D(t)表示，如式(6)所示：
(6)；[0034] 步驟b):假設信標節(jié)點的坐標為(XAP，YAP)，利用公式（7)可以得到設備的坐標(X
[0033] (t)，y(t))，式中f(t)為測量的距離，
[0035] x(t) =XAP+D(t) · f(t) · cos9(t)
[0036] y(t) =yAP+D(t) · f(t).sin9(t) (7)。
[0037] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0038] 本發(fā)明的智能設備室內定位系統(tǒng)通過在室內設置信標，通過信標發(fā)出信標信號， 通過智能設備接收該信標信號，并根據接收到信標信號的強度來判斷最近的信標和智能設 備與該信標之間的距離，然后在智能設備的電子地圖上根據該距離匹配位置信息，再結合 智能設備上的運動傳感器檢測的運動信息實現(xiàn)精確定位。
[0039] 進一步的，將信標間隔設置在室內，相鄰兩個信標之間的距離不大于所述接收裝 置接收信標信號的接收范圍，因此能夠確保智能設備能接收到信標發(fā)出的信標信號，因此 不會存在接收不到信標信號而無法進行定位的情況。
[0040] 本發(fā)明的系統(tǒng)結合智能設備，如手機等，無需對信標節(jié)點設備的連接，并能夠對接 收到的信標信號強度進行有效地濾波處理，利用手機自帶傳感器，采集加速度、方向、手機 姿態(tài)等信息，利用信標信號強度與運動傳感器測量的運動數據融合的方法，測量手機距最 近信標的距離，再結地圖上的信標的位置信息，大大提高了定位的精度，利用手機硬件資 源，提高了定位的實用性和準確性。 【【附圖說明】】
[0041] 圖1為本發(fā)明的一種智能設備室內定位方法的流程圖；
[0042] 圖2為本發(fā)明的一種智能設備室內定位系統(tǒng)實施例的結構示意圖。 【【具體實施方式】】
[0043]下面將結合附圖對本發(fā)明進行詳細的描述。
[0044]本發(fā)明的一種智能設備室內定位系統(tǒng)和方法，包括信標和智能設備，所述的信標 用于發(fā)出信標信號，所述的智能設備包括用于接收該信標信號的接收裝置、用于檢測智能 設備運動數據的運動傳感器和定位軟件APP，所述的定位軟件APP通過所述的信標信號和運 動數據來計算得到與該智能設備最近的信標，進而實現(xiàn)該智能設備的精確定位。
[0045]所述的信標間隔設置在室內，相鄰兩個信標之間的距離不大于所述接收裝置接收 信標信號的接收范圍。
[0046]所述的信標選用藍牙信標，所述的智能設備選用智能手機，所述的接收裝置選用 藍牙裝置，所述的運動傳感器包括加速度傳感器、方向傳感器和陀螺儀。
[0047]如圖2所示，在本實施例中，如果是室內空曠環(huán)境，則將室內環(huán)境按照邊長為4米的 正方形分隔，每個正方形的頂點布置藍牙信標，手機接收到的有效信號強度的范圍是以3米 為半徑的圓。如果是走廊或者樓道，則按間隔6米的直線布置藍牙信標，在墻的同一側，高 1.2米的安裝，或者間隔6米，在地面安裝，手機接收到的有效信號強度的范圍是以藍牙信標 為中心半徑為3米的圓。藍牙信標設置為廣播模式，每500ms向外廣播一次信息，包含信號強 度和UUID(唯一身份識別信息）。此外，按照藍牙信標的布設制作對應的室內地圖，包含具體 的室內環(huán)境信息和具體的藍牙信標的位置信息。藍牙信標的位置信息將會放在地圖對應的 數據庫中，以供在匹配信息的時候進行查詢。手機搜索藍牙信標，通過信號強度得到離手機 最近的藍牙信標的距離。手機加速度傳感器、方向傳感器、陀螺儀等，測得手機的運動方向 和速度，結合地圖和測量的距離，實現(xiàn)精確的定位。
[0048]如圖2所示，本發(fā)明的一種智能設備室內定位方法，包括以下步驟：
[0049]步驟一:將智能設備的定位軟件APP打開，該定位軟件APP控制該智能設備的接收 裝置自動搜索智能設備周圍的信標信號；同時，該智能設備通過運動傳感器檢測智能設備 的運動數據；
[0050] 步驟二:定位軟件APP通過濾波算法對采集到的信標信號強度值進行濾波，通過濾 波后的信標信號強度值確定距離設備最近的信標；
[0051] 步驟三:定位軟件APP將濾波后的信標信號強度值和運動傳感器檢測的運動數據 通過梯度融合的方法計算智能設備到最近的信標之間的距離；
[0052] 步驟四：定位軟件APP通過步驟三計算得到的智能設備到最近的信標之間的距離 并在地圖上匹配位置信息，結合智能設備的運動方向和速度實現(xiàn)精確定位。
[0053]所述的步驟一中，打開定位軟件APP后，定位軟件APP控制智能設備自動掃描周圍 的信標信號，智能設備的接收裝置采集并接收信標信號，定位軟件APP收集信標的信標信號 強度和UUID(通用唯一識別碼〖Universally Unique