教學(xué)樓內(nèi)人員移動(dòng)定位系統(tǒng)方案研究*

牛磊，李靜婷

(1.河南城建學(xué)院測(cè)繪工程學(xué)院，河南平頂山467036;2.平頂山學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河南平頂山467036)

獲得教學(xué)樓等建筑物內(nèi)的人員位置信息，能夠?yàn)槎喾N位置相關(guān)服務(wù)提供用戶的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)。這樣，我們就能夠?qū)崿F(xiàn)基于位置服務(wù)的室內(nèi)空間分析功能，諸如幫助學(xué)生選擇周邊空閑自習(xí)教室和規(guī)劃應(yīng)急狀態(tài)下的疏散路徑。這些服務(wù)都需要獲得用戶所在具體空間位置后，才能提供所需周邊空間的動(dòng)態(tài)信息。然而，獲得建筑物內(nèi)的人員位置需要克服兩大技術(shù)難題(見(jiàn)圖1):

(1)全球定位系統(tǒng)(GPS)在室內(nèi)信號(hào)缺失。

眾所周知，目前使用最為廣泛的GPS定位技術(shù)需要通過(guò)終端獲得相應(yīng)衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)才能進(jìn)行定位。非常遺憾的是GPS衛(wèi)星信號(hào)在穿過(guò)建筑物樓板或者墻壁時(shí)，由于鋼筋和混凝土等建筑材料的信號(hào)屏蔽作用會(huì)受到嚴(yán)重的強(qiáng)度削弱。這直接導(dǎo)致了室內(nèi)GPS系統(tǒng)部署的困難性。

(2)室內(nèi)定位較高的精度要求。

圖1 室內(nèi)定位技術(shù)難題示意圖

由于技術(shù)和成本原因?qū)е陆ㄖ锸覂?nèi)空間與室外空間相比更加緊湊。這種緊湊室內(nèi)空間決定了其可接受定位精度必須高于室外空間，這樣才能夠用所得坐標(biāo)數(shù)據(jù)確定用戶所處具體空間范圍。舉例來(lái)說(shuō)，精度低于10 m的定位技術(shù)由于連用戶所在樓層都無(wú)法確定，所以其對(duì)于室內(nèi)定位來(lái)說(shuō)沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用意義。

本文提出的室內(nèi)人員定位方案由兩種定位技術(shù)融合而成:分別是無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度地圖匹配技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)。前者主要是通過(guò)在測(cè)量范圍內(nèi)部署已測(cè)得精確位置和Wi-Fi信號(hào)強(qiáng)度的參考點(diǎn)，然后在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中將實(shí)測(cè)Wi-Fi信號(hào)數(shù)值和參考點(diǎn)的Wi-Fi信號(hào)值進(jìn)行比對(duì)，之后利用特定的距離-信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算公式得出當(dāng)前測(cè)量位置坐標(biāo)［1-3］。慣性導(dǎo)航技術(shù)則是首先利用微機(jī)電傳感器偵測(cè)并記錄加速度數(shù)據(jù)和陀螺儀數(shù)據(jù)等數(shù)值，然后利用相應(yīng)的算法來(lái)計(jì)算傳感器所在平臺(tái)的持續(xù)移動(dòng)軌跡和姿態(tài)［4，5］。在本文方案中，無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度地圖匹配技術(shù)用于確定用戶的初始位置，而慣性導(dǎo)航技術(shù)則用于持續(xù)更新用戶的連續(xù)移動(dòng)軌跡。

2 室內(nèi)定位方案工作流程

圖2 利用Wi-Fi信號(hào)強(qiáng)度定位流程

在本文提出的室內(nèi)定位方案中，測(cè)得的Wi-Fi信號(hào)需要通過(guò)和若干已測(cè)得Wi-Fi信號(hào)強(qiáng)度的參考點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配(見(jiàn)圖2)。其主要流程如下:

①建立無(wú)線信號(hào)基準(zhǔn)參考點(diǎn)集。

為了達(dá)到室內(nèi)定位目的，我們需要在若干關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量和Wi-Fi信號(hào)采集，這些采集的信息將會(huì)被納入?yún)⒖键c(diǎn)坐標(biāo)集A={P1，P2，…，Pn}和參考點(diǎn)Wi-Fi信號(hào)集S={{S1}t，{S2}…{Sn}}中。

②根據(jù)信號(hào)匹配程度進(jìn)行模式匹配。

實(shí)時(shí)測(cè)得任意點(diǎn)處的Wi-Fi信號(hào)都需要和參考點(diǎn)的信號(hào)集進(jìn)行模式匹配。在此過(guò)程中，首先根據(jù)所測(cè)得的Wi-Fi信號(hào)發(fā)射基站的服務(wù)集標(biāo)識(shí)符(SSID)進(jìn)行篩選，即選出與當(dāng)前測(cè)量位置掃描信號(hào)列表中強(qiáng)度排名前三的信號(hào)對(duì)應(yīng)基站SSID。然后將所選基站SSID集合與參考點(diǎn)信號(hào)集中的SSID進(jìn)行匹配，以篩選出信號(hào)強(qiáng)度差異最小的參考點(diǎn)集合，之后將其作為三角測(cè)量備選參考點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程的公式為:

式中:fm代表相應(yīng)的信號(hào)匹配過(guò)程函數(shù);A代表參考點(diǎn)坐標(biāo)集合;S代表參考點(diǎn)對(duì)應(yīng)的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度集;Ss代表待測(cè)位置的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度集;B={Pm1，Pm2，Pm3}代表篩選出的三角測(cè)量備選參考點(diǎn)集。

③利用信號(hào)強(qiáng)度和三角測(cè)量公式進(jìn)行定位。

下面就是利用三角測(cè)量法處理信號(hào)匹配過(guò)程中所得的三個(gè)參考點(diǎn)的位置，以得到待測(cè)位置坐標(biāo)。需要獲得至少兩個(gè)測(cè)量中間點(diǎn)Pg1和Pg2才能完成當(dāng)前位置的測(cè)量，這兩個(gè)中間點(diǎn)由以下公式計(jì)算得到:

最終得到測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo):

以上公式中Ss代表測(cè)量點(diǎn)處信號(hào)值，Sm1、Sm2和Sm3則分別代表選中的三個(gè)參考點(diǎn)位置的Wi-Fi信號(hào)測(cè)量值。

在利用Wi-Fi無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度獲得室內(nèi)移動(dòng)位置的初始坐標(biāo)之后，就需要使用加速傳感器數(shù)據(jù)以獲得持續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡，來(lái)達(dá)到實(shí)時(shí)更新人員坐標(biāo)的目的。這種作法是基于兩個(gè)原因:首先，Wi-Fi定位精度較低，無(wú)法獨(dú)立作為待測(cè)位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源;其次，手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備對(duì)于Wi-Fi信號(hào)掃描有最低時(shí)間間隔，所以Wi-Fi設(shè)備不能獲得連續(xù)信號(hào)更新。因而必須引入其它技術(shù)以進(jìn)行定位精度提升。

在利用加速傳感器獲得持續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡過(guò)程中，主要包括以下兩個(gè)步驟:

由于加速傳感器在移動(dòng)過(guò)程中獲得的加速度信息受到隨機(jī)信號(hào)噪音影響會(huì)出現(xiàn)較大的抖動(dòng)，所以必須對(duì)其進(jìn)行濾波處理才能應(yīng)用于室內(nèi)定位。在本文中，我們采用高通濾波去除隨機(jī)噪聲對(duì)于測(cè)得瞬時(shí)加速度值的影響。這其中包括處理之前的原始加速度數(shù)據(jù)集合C={a1，a2…an}以及處理之后的加速度數(shù)據(jù)集合C'={a'1，a'2…a'n}。從集合C轉(zhuǎn)換到集合C'的函數(shù)是由公式5-7聯(lián)立完成:

式中:ff代表從集合C到C'的映射;as代表初始加速度值;a'F代表加速度計(jì)算中間變量;K代表高通濾波系數(shù)。

②利用加速度和時(shí)間積分得出運(yùn)動(dòng)軌跡。

由于加速度傳感器獲得數(shù)據(jù)均為測(cè)量時(shí)的瞬時(shí)加速度數(shù)值，那么必須將加速度在時(shí)間上積分才能得出對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)坐標(biāo)的相對(duì)位移。這個(gè)過(guò)程的計(jì)算公式如下:

式中:D代表移動(dòng)距離;V代表速度;T代表測(cè)得加速度的時(shí)間;PI代表初始位置坐標(biāo);Ps代表最終位置坐標(biāo)。在計(jì)算過(guò)程中假設(shè)初始速度V0=0，定位過(guò)程示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 利用加速度和時(shí)間標(biāo)簽進(jìn)行慣性導(dǎo)航定位流程

在完成了以上兩個(gè)過(guò)程之后，就可以利用測(cè)得Wi-Fi信號(hào)強(qiáng)度和加速度數(shù)值計(jì)算室內(nèi)人員初始位置和連續(xù)移動(dòng)軌跡。

3 實(shí)驗(yàn)和分析

實(shí)驗(yàn)區(qū)域是河南城建學(xué)院七號(hào)教學(xué)樓C座一樓東側(cè)部分。實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備是兩臺(tái)安卓智能手機(jī)，型號(hào)分別是聯(lián)想A60和索尼LT26i。測(cè)量使用的傳感器是手機(jī)內(nèi)置的無(wú)線網(wǎng)卡和三軸加速傳感器。測(cè)量軟件是基于Android Development Tools平臺(tái)開(kāi)發(fā)的程序，界面參見(jiàn)圖4。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和結(jié)果參見(jiàn)圖5，圖5中使用菱形圖標(biāo)表示無(wú)線信號(hào)參考點(diǎn)，用十字圖標(biāo)表示利用Wi-Fi信號(hào)測(cè)得坐標(biāo)點(diǎn)，用矩形圖標(biāo)表示加速傳感器測(cè)得連續(xù)移動(dòng)軌跡中的采樣點(diǎn)。從圖5中可以看出，由于Wi-Fi掃描間隔較大，所以測(cè)得點(diǎn)位置明顯不連續(xù)，而加速傳感器所測(cè)得坐標(biāo)受到隨機(jī)噪聲影響較大，隨著移動(dòng)距離增加明顯偏離移動(dòng)軌跡。

圖4 移動(dòng)設(shè)備端界面截圖

圖5 室內(nèi)定位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果示意圖

4 總結(jié)和展望

本文提出的室內(nèi)位置測(cè)量方案能夠結(jié)合無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度地圖匹配技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)給出用戶在室內(nèi)的初始位置和移動(dòng)軌跡。因而，該技術(shù)可以被廣泛應(yīng)用于基于教學(xué)樓內(nèi)人員位置的服務(wù)中。諸如學(xué)生上課簽到系統(tǒng)和教室實(shí)時(shí)使用率統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)都可以利用該方案提供的室內(nèi)位置進(jìn)行深層次的空間關(guān)系分析和應(yīng)用。

當(dāng)然，本方案還存在一些不足，在以后的應(yīng)用中需要加以改進(jìn):

1)需要考慮不同設(shè)備之間對(duì)于無(wú)線信號(hào)測(cè)量的差異性。

2)需要增加無(wú)線信號(hào)采樣點(diǎn)的密度以提高測(cè)量精度。

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