專利名稱：一種基于非現(xiàn)場勘測的無線室內(nèi)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于非現(xiàn)場勘測的無線室內(nèi)定位方法，屬于無線定位技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展與普及，無線設(shè)備的實用性大幅度提高，同時具有多種傳感器功能的智能手機得到廣泛的使用 。這些技術(shù)實現(xiàn)了信息世界與物理世界的有效融合，使得以人為中心的普適計算成為可能。目前，國內(nèi)大型建筑物不斷增加，大型商場、展會和活動蜂擁出現(xiàn)，人們大多數(shù)的商業(yè)與社會活動都是在室內(nèi)進行，因此室內(nèi)定位的重要性不言而喻。不管從方便日常生活的角度，還是從確保人身財產(chǎn)安全的方向，準(zhǔn)確的室內(nèi)定位與導(dǎo)航系統(tǒng)都是不可或缺的。比如在大商場或者大展會、博物館中，人們想找到朋友或者走失的兒童；或者在火災(zāi)等緊急情況下如何能迅速找到應(yīng)急疏散的通道等等。正是定位信息的重要性使得國際上多所著名大學(xué)與公司都對這項技術(shù)投入了大量的力量進行研發(fā)。無線指紋定位技術(shù)(Radio Fingerprinting)是利用無線信號在不同物理位置上的信號特征不同而進行分析，最終給出被跟蹤目標(biāo)位置信息的一項技術(shù)。它充分利用了已有的Wi-Fi硬件設(shè)施和系統(tǒng)，將無線信號強度(Received Signal Strength,簡稱RSS)等附加信息作為信號特征，通過多次的采樣建立物理位置和信號強度信息的對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫，這樣的一對關(guān)系就是所謂的位置-指紋信息。當(dāng)被追蹤目標(biāo)進入定位區(qū)域后，根據(jù)其獲得的所在位置的無線信號特征，經(jīng)過與指紋數(shù)據(jù)庫的樣本進行對比，以最相似的樣本的位置估計為被跟蹤目標(biāo)的位置。傳統(tǒng)的無線指紋定位技術(shù)采用兩階段的模式。第一個階段是訓(xùn)練階段，或稱為信號采集階段，即采用人工的方法預(yù)先將室內(nèi)各個位置上的無線信號強度(如不同無線路由的Wi-Fi信號強度或Zig-Bee信號強度)進行多次記錄，并將記錄結(jié)果處理后存儲在數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)物理位置的條目中。由于無線信號傳播和室內(nèi)情況的不確定性，信號強度數(shù)據(jù)的采集需要大量多次的重復(fù)。同時，物理位置的精確程度也影響到最終定位結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要消耗大量的人力和時間進行準(zhǔn)備和現(xiàn)場勘查(Site Survey)，提前建立無線信號地圖(Radio Map)。經(jīng)過第一階段的訓(xùn)練，指紋數(shù)據(jù)庫建立好以后，系統(tǒng)進入第二階段，即實際的服務(wù)階段。用戶可以在已有無線信號分布圖的區(qū)域獲得自己的無線指紋信息，并將該信息作為查詢的依據(jù)發(fā)送給定位服務(wù)模塊。通過定位算法，將用戶發(fā)送的無線指紋信息與數(shù)據(jù)庫中的無線指紋進行比對，返回相似度最接近的位置信息給用戶。由于無線指紋定位技術(shù)利用已有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施進行定位，不增加系統(tǒng)的額外開銷，因此國內(nèi)外學(xué)者對無線指紋定位方法進行了大量深入的研究。但如上所述，現(xiàn)有的無線指紋定位技術(shù)還存在以下的缺陷(I)需要進行高成本、低效率的人工現(xiàn)場勘測現(xiàn)場勘測需要對定位區(qū)域的每一位置進行無線信號指紋的采樣與人工標(biāo)注，耗時費力，而且難以覆蓋定位區(qū)域的所有位置。(2)對環(huán)境變化以及無線信號波動的容忍性差
室內(nèi)環(huán)境的一大特征是環(huán)境多變，且無線信號傳播特性復(fù)雜，信號波動性大?；诂F(xiàn)場勘測的方法，難以適應(yīng)環(huán)境的動態(tài)變化；傳統(tǒng)的方法直接利用無線信號指紋之間的歐式距離作為特征，難以適應(yīng)無線信號的波動性。(3)無法實現(xiàn)房間級別的邏輯定位傳統(tǒng)的方法大多旨在實現(xiàn)絕對坐標(biāo)的定位，無法實現(xiàn)區(qū)分不同的房間。而事實上，房間信息在實際中具有更大的應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于非現(xiàn)場勘測的無線室內(nèi)定位方法，利用智能手機為載體，配合多種嵌入式傳感器，通過非站點勘測型的指紋定位算法，基于用戶路徑及其所推衍出的空間連通性，實現(xiàn)對室內(nèi)用戶進行定位，不經(jīng)過現(xiàn)場勘測即可給出用戶當(dāng)前位置。本發(fā)明提出的基于非現(xiàn)場勘測的無線室內(nèi)定位方法，包括以下各步驟(I)通過手機采集無線網(wǎng)絡(luò)的信號以及手機中的加速度傳感器和方向傳感器的讀
數(shù)，組成一個指紋數(shù)據(jù)集D = {F，S}，其中F為采集的無線信號，F(xiàn) = Lf1, f2, f3,......，
fn]，fi表示無線網(wǎng)絡(luò)中第i個無線接入點的信號強度值，S為手機中的加速度傳感器和方向傳感器的讀數(shù)，i = 1,2,3,......,η, η為無線網(wǎng)絡(luò)中無線接入點的個數(shù)；(2)設(shè)指紋數(shù)據(jù)集中的任意兩條無線信號分別為F = [f1； f2，f3，......，fn]和
F’ = [f’ 1； f’ 2，f’ 3，. . .，f’ n]，兩個無線信號之間的區(qū)分度用無線信號強度的二階差分值表示為
權(quán)利要求
1 一種基于非現(xiàn)場勘測的無線室內(nèi)定位方法，其特征在于該方法包括以下各步驟 (1)通過手機采集無線網(wǎng)絡(luò)的信號以及手機中的加速度傳感器和方向傳感器的讀數(shù)，組成一個指紋數(shù)據(jù)集D = {F，S}，其中F為采集的無線信號，F(xiàn) = Lf1, f2, f3,......，fn]，fi表示無線網(wǎng)絡(luò)中第i個無線接入點的信號強度值，S為手機中的加速度傳感器和方向傳感器的讀數(shù)，i = 1,2,3,......,η, η為無線網(wǎng)絡(luò)中無線接入點的個數(shù)； (2)設(shè)指紋數(shù)據(jù)集中的任意兩條無線信號分別為F= Lf1, f2, f3,……，fn]和F，=[f’ 1； f’ 2，f’ 3，. . .，f’ η]，兩個無線信號之間的區(qū)分度用無線信號強度的二階差分值表示為 0(F,F' ) = J^i(WCfi) W(Q)2 η ω( = ~ fi > °)(/ — β 其中，I為指示型函數(shù)； (3)根據(jù)步驟(2)中的二階差分值，采用K平均聚類方法將指紋數(shù)據(jù)集中的無線信號劃分為N類，即N個虛擬房間置={Ri, R.........^丨，從K平均聚類結(jié)果中得到每個虛擬房間R的平均指紋F[R]和指紋閾值ξ，其中平均指紋F[R]為虛擬房間R所包含的所有無線信號指紋的平均值，指紋閾值I為該虛擬房間R所包含的所有無線信號中與平均指紋F[R]的最大的二階差分值,R e 32； (4)構(gòu)建一個邏輯平面圖G= (V，E)，使邏輯平面圖G = (V，E)中的每一個頂點R1 e V代表一個虛擬房間，每一條邊e = (R1, R2) e E表示虛擬房間R1與R2相連通，構(gòu)建過程包括如下步驟 (4-1)根據(jù)步驟(I)中的連續(xù)采集的傳感器讀數(shù)A，形成手機在移動過程中的連續(xù)移動軌跡，移動軌跡上的無線信號強度依次記為IF = {Pu F5,……,R,}，與該連續(xù)無線信號強度相對應(yīng)的步驟(3)的多個相連續(xù)的虛擬房間記為麗=(R1,R2,......*Rm}； (4-2)根據(jù)步驟(4-1)中的連續(xù)虛擬房間序列歷= CI^R2,...···,Rmh將每個虛擬房間簡化為一個點，在任意兩個相鄰的虛擬房間Ri、Ri+1之間連接出一條邊； (4-3)遍歷步驟(I)的指紋數(shù)據(jù)集中的所有連續(xù)采集的傳感器讀數(shù)，重復(fù)步驟(4-1)和(4-2)，得到邏輯平面圖G= (V,E)； (5)將上述邏輯平面圖映射到需無線室內(nèi)定位區(qū)域的實際平面圖，得到邏輯平面圖中每一個頂點與實際平面圖的對應(yīng)關(guān)系，即指紋-位置關(guān)系數(shù)據(jù)庫，包括如下步驟 (5-1)將需無線室內(nèi)定位區(qū)域的實際平面圖簡化為一個無向圖G' = (Τ，Ε')，其中每個頂點A1 e V'代表需無線室內(nèi)定位區(qū)域的實際平面圖中的一個功能區(qū)域，每條邊e =(A1, A2) e E'表示兩個功能區(qū)域A1和A2相連通； (5-2)根據(jù)介數(shù)中心性，建立上述邏輯平面圖G= (V，E)和實際平面圖G' = (Y'，E')中居于中心的頂點的相互映射關(guān)系，邏輯平面圖G= (V，E)中頂點R的介數(shù)中心性Cb(R)為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于非現(xiàn)場勘測的無線室內(nèi)定位方法，屬于無線定位技術(shù)領(lǐng)域。本方法首先利用智能手機自動采集指紋數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)集；基于數(shù)據(jù)集中無線信號的二階差分值，利用K平均算法生成虛擬房間；根據(jù)傳感器讀數(shù)提取用戶移動路徑，從而獲得虛擬房間的連通關(guān)系，構(gòu)建邏輯平面圖；將邏輯平面圖映射到實際平面圖上，得到指紋-位置關(guān)系；匹配用戶提交的位置請求所在的虛擬房間，并檢索指紋-位置關(guān)系數(shù)據(jù)庫，判斷用戶所在位置。本發(fā)明方法無需對定位區(qū)域進行人工的現(xiàn)場勘測，無需無線接入點的位置、功率等信息，充分利用人的移動信息，實現(xiàn)房間級別的邏輯定位，給出用戶當(dāng)前位置，既提高了定位的精度與實時性，又節(jié)約了使用者的時間。
文檔編號H04W64/00GK102724751SQ20121018129
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月4日
發(fā)明者劉云浩, 吳陳沭, 楊錚, 趙弋洋 申請人:清華大學(xué)