基于地磁傳感器的室內(nèi)導(dǎo)航解決方案

邢珍珍

摘 要：目前人們對(duì)室內(nèi)導(dǎo)航的需求越來越大，針對(duì)該情況本論文分析了基于位置的服務(wù)（Location Based Service，LBS）和室內(nèi)導(dǎo)航相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了一套能夠綜合利用手機(jī)上集成的各類加速度傳感器、陀螺儀傳感器、地磁場(chǎng)傳感器等搜集用戶數(shù)據(jù)來建立的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的解決方案。本文對(duì)地磁數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)地磁定位和導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面進(jìn)行了分析和說明。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)導(dǎo)航；位置服務(wù)；地理信息

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Currently，the demand for indoor navigation is growing，for this case，the paper analyzed the location-based services（Location Based Service，LBS）and indoor navigation related technologies，proposed a set of possible utilization of all types of mobile phone integrated acceleration sensor，a gyro sensor，a geomagnetic sensor to collect user data to create an indoor navigation system solution.The paper analyzed and explained the realization of the geomagnetic data acquisition，indoor geomagnetic positioning and navigation.

Keywords：indoor navigation；location services；geographic information

1 引言（Introduction）

人類信息的80%與地理信息相關(guān)，人類活動(dòng)80%的時(shí)間都處于室內(nèi)，室內(nèi)地理信息的研究顯得尤為重要。例如在機(jī)場(chǎng)等大型公共建筑內(nèi)部，人流復(fù)雜，尋找一條通向目的位置的路徑很不直觀。再如，目前大多數(shù)駕駛員通過依靠路牌和經(jīng)驗(yàn)尋找停車場(chǎng)，現(xiàn)有指示標(biāo)志不能精確引導(dǎo)駕駛員到達(dá)正確的停車位。目前雖然有很多基于GPS的地圖軟件能夠提供導(dǎo)航服務(wù)，但定位信號(hào)到達(dá)地面時(shí)較弱，不能穿透建筑物，所以無法完成室內(nèi)精確定位。室內(nèi)導(dǎo)航被稱為“最后一公里”。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展，各種基于位置的服務(wù)應(yīng)用層出不窮[1]。本文通過研究討論導(dǎo)航與LBS在地理信息領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)，確定了一種利用智能手機(jī)內(nèi)置的地磁場(chǎng)傳感器、加速度傳感器和陀螺儀傳感器，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航的方法。為解決室內(nèi)導(dǎo)航的問題提供了一條路徑。

2 關(guān)鍵技術(shù)（Key technology）

2.1 LBS技術(shù)

LBS是基于位置的服務(wù)，它是通過外部定位方式（如GPS）或者通信運(yùn)營商的無線電通訊網(wǎng)絡(luò)（如GSM網(wǎng)、CDMA網(wǎng)）獲取移動(dòng)終端用戶的位置坐標(biāo)信息，在GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）平臺(tái)的支持下，利用運(yùn)營商平臺(tái)為用戶提供相應(yīng)服務(wù)的一種增值業(yè)務(wù)。

LBS系統(tǒng)主要包括幾個(gè)方面：空間位置獲取系統(tǒng)、LBS平臺(tái)的管理、地理信息系統(tǒng)（GIS），以及提供移動(dòng)終端業(yè)務(wù)服務(wù)等方面。

2.2 地磁數(shù)據(jù)采樣

為了能夠準(zhǔn)確使用數(shù)據(jù)，需要對(duì)地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取和采樣。首先應(yīng)該處理建筑平面圖，將建筑物中不重要的雜物刪掉，確定最能體現(xiàn)建筑地地理位置特征的點(diǎn)，也即導(dǎo)航關(guān)鍵點(diǎn)，并完成這些關(guān)鍵點(diǎn)的地磁數(shù)據(jù)采樣及存儲(chǔ)，建立地磁數(shù)據(jù)地圖，綁定建筑物的地磁坐標(biāo)圖和平面圖。

2.3 定位技術(shù)

（1）WiFi技術(shù)

WiFi技術(shù)是一種能夠?qū)€(gè)人電腦、手持設(shè)備等終端以無線方式互相連接的技術(shù)。在生活中越來越普及。首先，iPhone手機(jī)占據(jù)了中國手機(jī)市場(chǎng)的27%以上，但是iPhone手機(jī)不開放WIFI開發(fā)接口，所以iPhone手機(jī)的WIFI正向定位無法實(shí)現(xiàn)。若是通過WiFi反向定位，需要具備反向功能AP，這種專業(yè)AP售價(jià)較高，定位精度約為5米，耗時(shí)耗力，成本較大。

（2）地磁定位技術(shù)

地磁定位技術(shù)采用識(shí)別環(huán)境中的地磁信號(hào)來進(jìn)行精準(zhǔn)定位，無需預(yù)先鋪設(shè)信號(hào)源，不用依賴環(huán)境中的任何硬件條件，并且主流的蘋果和安卓手機(jī)都開放了地磁傳感器的開發(fā)接口，通過手機(jī)自帶的感應(yīng)器即可進(jìn)行定位。另外，地磁信號(hào)穩(wěn)定性好，定位精度高，平均達(dá)到1—3米[2]。所以地磁定位技術(shù)可以為各類移動(dòng)應(yīng)用提供簡(jiǎn)單便捷的室內(nèi)定位導(dǎo)航解決方案。

現(xiàn)有智能手機(jī)上采用的電子羅盤、加速度傳感器可以不停提供加速度和運(yùn)動(dòng)方向信息，它們可以用于反復(fù)逼近設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡。將這些信息與周期性的采樣數(shù)據(jù)不斷結(jié)合就可以估算出用戶的軌跡和位置信息[3]。

2.4 室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)

室內(nèi)導(dǎo)航是在室內(nèi)定位的基礎(chǔ)上，結(jié)合室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)的分析，室內(nèi)地理信息系統(tǒng)給出規(guī)劃路線。為了確定用戶與目的地間的最佳路徑，使用最短路徑算法作為導(dǎo)航算法。最短路徑算法一方面需要估算用戶到達(dá)目的地的最佳路徑，另一方面需要盡可能降低實(shí)際復(fù)雜度。由于Dijkstra算法計(jì)算復(fù)雜度低，處理潛在稀疏圖的效率高[4]，所以確定核心算法為Dijkstra算法。

2.5 Android

Android是一種基于Linux的半開源操作系統(tǒng)，主要用于移動(dòng)設(shè)備，如智能手機(jī)和平板電腦，由Google和開放手持設(shè)備聯(lián)盟開發(fā)與領(lǐng)導(dǎo)。在本論文的方案中，程序界面基于Android軟件開發(fā)工具包開發(fā)，將位置信息和路徑保存進(jìn)數(shù)據(jù)庫，并且可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫中累積的數(shù)據(jù)為用戶提供定位和尋路等方面的信息。

3 總體方案（Overall plan）

本論文提出的是一個(gè)室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)解決方案，希望可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)導(dǎo)航產(chǎn)品在室內(nèi)導(dǎo)航中的精度不夠或者無法定位等問題。

我們需要通過三個(gè)方面來達(dá)到目標(biāo)：首先，通過手機(jī)確定在建筑中的位置。第二，確定到達(dá)目的地的最佳路線。第三，需要一個(gè)直觀的界面來展示給用戶。所以所對(duì)應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：定位、導(dǎo)航和用戶界面，其中定位模塊通過地磁定位技術(shù)追蹤用戶的當(dāng)前位置。導(dǎo)航模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行Dijkstra算法來找到起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的最短路徑的同時(shí)，盡可能確保路線設(shè)計(jì)的合理性，再通過地圖匹配算法將其關(guān)聯(lián)到地圖上。第三部分，也即用戶界面模塊負(fù)責(zé)通過圖形與用戶產(chǎn)生交互，將結(jié)果反饋給用戶。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

本方案重點(diǎn)在于數(shù)據(jù)采樣、定位及導(dǎo)航部分，具體實(shí)施如下：

首先使用Android智能手機(jī)注冊(cè)最高精度的地磁數(shù)據(jù)變化監(jiān)聽，獲取機(jī)身坐標(biāo)系下的三個(gè)方向的地磁數(shù)據(jù)分量，之后為這三個(gè)方向的地磁數(shù)據(jù)建立世界坐標(biāo)系下的映射。建立映射完成后，通過步行完成對(duì)建筑物地磁數(shù)據(jù)的采樣，對(duì)應(yīng)建筑平面圖，對(duì)地磁數(shù)據(jù)和建筑地物理坐標(biāo)進(jìn)行整合，建立地磁數(shù)據(jù)地圖，之后對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，將單位采樣點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)獲取的奇異點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，從而得到單位時(shí)間內(nèi)單位采樣點(diǎn)的特征地磁數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

其次，使用上述方式獲取用戶當(dāng)前位置點(diǎn)的實(shí)時(shí)地磁數(shù)據(jù)。

第三，將實(shí)時(shí)地磁與地磁數(shù)據(jù)地圖中的地磁進(jìn)行匹配定位。具體方法如下，將獲取的實(shí)時(shí)地磁特征數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫中的地磁數(shù)據(jù)地圖采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，找到特征數(shù)據(jù)接近的物理坐標(biāo)點(diǎn)，完成首次查詢，并將所有備選坐標(biāo)進(jìn)行緩存。用戶行走一段距離后進(jìn)行第二次查詢，再次對(duì)所有備選坐標(biāo)進(jìn)行緩存，計(jì)算得到兩次緩存之間距離最近的點(diǎn)，作為定位物理坐標(biāo)。

在確定首個(gè)定位物理坐標(biāo)之后，對(duì)加速度傳感器及陀螺儀傳感器進(jìn)行注冊(cè)，根據(jù)物理坐標(biāo)及設(shè)備即時(shí)移動(dòng)速度及方向進(jìn)行慣性導(dǎo)航，并通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驗(yàn)證來驗(yàn)證定位坐標(biāo)的準(zhǔn)確性，如果驗(yàn)證不準(zhǔn)確，則繼續(xù)查找，確定坐標(biāo)點(diǎn)，如果準(zhǔn)確則繼續(xù)進(jìn)行慣性導(dǎo)航。

最后，通過上述方法獲的用戶當(dāng)前位置點(diǎn)，并在地磁數(shù)據(jù)地圖中尋找最近導(dǎo)航關(guān)鍵點(diǎn)，根據(jù)Dijkstra算法生成兩點(diǎn)之間的導(dǎo)航路線。

系統(tǒng)方案流程圖如圖2所示。

4 結(jié)論（Conclusion）

本文以基于Android平臺(tái)的LBS應(yīng)用服務(wù)開發(fā)為線索，提出了一套能夠綜合利用智能手機(jī)上集成的各類加速度傳感器、陀螺儀傳感器、地磁場(chǎng)傳感器等來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航的解決方案。并對(duì)地磁數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)地磁定位和導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析和說明。本論文只討論了基礎(chǔ)條件下利用智能手機(jī)自帶導(dǎo)航估計(jì)用戶的位置，在后續(xù)擴(kuò)展中將考慮融合圖像識(shí)別、WIFI和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位等技術(shù)，能夠使得室內(nèi)導(dǎo)航的定位效果更及時(shí)、更準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] WU H S，et al.A Spatio-Temporal Data Model for RoadNetwork in Data Center Based on Incremental Updatingin Vehicle Navigation System[J].Chinese Geographical Science，2011，21（3）：346-353.

[2] 周軍，等.地磁導(dǎo)航發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)[J].宇航學(xué)報(bào)，2008，29（5）：1467-1472.

[3] 孫新香.基于三軸加速度傳感器的跌倒檢測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用[M].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[4] 張渭軍，王華.城市道路最短路徑的Dijkstra算法優(yōu)化[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，25（6）：62-65.