基于iPhone的室內(nèi)二維定位系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

馮濤

摘要：考慮到當前廣泛存在的室內(nèi)定位和導航需求，文章將用戶隨身攜帶的iPhone手機與室內(nèi)定位相結(jié)合，提出了基于iPhone的室內(nèi)二維定位系統(tǒng)設計與實現(xiàn)。通過iPhone手機配置的慣性傳感器，首先使用蘋果公司提供的CoreMotion框架和CoreLocation框架獲取用戶的移動距離和方向，并對獲取的數(shù)據(jù)進行處理：然后使用行人航跡推算（Pedestrian Dead Reckoning，PDR）算法估算出行人的位置坐標：最后實現(xiàn)室內(nèi)二維定位結(jié)果。實驗結(jié)果表明，基于iPhone的室內(nèi)二維定位系統(tǒng)具備一定的可用性和準確率。

關鍵詞：室內(nèi)二維定位：iPhone：慣性傳感器：行人航跡推算

中圖分類號：TP393

文獻標志碼：A

0 引言

據(jù)有關數(shù)據(jù)顯示，人一生中70%左有的時間是在室內(nèi)度過的，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)普及，物聯(lián)網(wǎng)應用興起，室內(nèi)定位成為剛需[1]。在室外環(huán)境中，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System．BDS）和全球定位系統(tǒng)（ Global Positioning System，GPS）可為人們提供高精確度的位置坐標[2-3]．但在室內(nèi)環(huán)境中，由于受建筑物的阻擋，無線信號無法穿透建筑物的墻體，北斗和GPS系統(tǒng)將無法為用戶提供較精確的位置坐標。室外定位是將人和地點打通，而室內(nèi)定位連接的是人和具體的物體，將打通人與物、物與物之間的聯(lián)系。未來的智能制造、智慧城市和智慧建筑應用等，都將依賴室內(nèi)的高精度定位能力。押注室內(nèi)定位，事實上是在押注通往萬物互聯(lián)的道路。隨著人們活動的室內(nèi)空間日漸龐大和復雜，興趣點日漸豐富，室內(nèi)定位的服務場景也將日漸豐富起來，室內(nèi)定位服務場景具體如圖1所示。

目前來看，國內(nèi)外在室內(nèi)定位技術方面做了大量的研究，包括5G基站、慣性傳感器、偽衛(wèi)星、地磁、低功耗藍牙、超寬帶、射頻識別、紅外線、無線局域網(wǎng)、超聲波和WiFi等多種室內(nèi)定位技術[4-10]．但目前尚未出現(xiàn)一種無須布置大量的基礎設施且高可用高精度的室內(nèi)定位方法。本文考慮到iPhone手機上配置了慣性傳感器（加速度感應器、陀螺儀和磁力計），同時蘋果公司提供了CoreMotion和CoreLoCation框架可用于獲取用戶的運動數(shù)據(jù)。故將室內(nèi)定位技術與iPhone手機相結(jié)合，提出了基于iPhone的室內(nèi)二維定位系統(tǒng)設計與實現(xiàn)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

細數(shù)國外相關研究成果，有多項具有代表性的室內(nèi)定位系統(tǒng)，且定位精度良好。麻省理工學院計算機實驗室Hari Balakrishna等研發(fā)的Cricket系統(tǒng)是基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)，視距范圍內(nèi)定位精度較高，室內(nèi)復雜環(huán)境下定位精度較差：微軟研發(fā)的RADAR和RADAR2系統(tǒng)，是基于WiFi的室內(nèi)定位系統(tǒng)，定位精度在1 -5 m：Ubisense公司研發(fā)的Ubisense7000系統(tǒng)是基于UWB的室內(nèi)定位系統(tǒng)，可以實現(xiàn)15 cm左有的3D定位，不過設備部署成本較高；除此之外，哈佛大學研發(fā)的MoteTrack系統(tǒng)、諾基亞公司采用藍牙技術推出HAIP方案等也都取得了不錯的定位精度。

就國內(nèi)而言，近些年也出現(xiàn)了多項室內(nèi)定位系統(tǒng)。武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室陳銳志教授團隊的高精度音頻定位系統(tǒng)在南京南站室內(nèi)進行了系統(tǒng)精度、易用性等測試和評估，經(jīng)會議質(zhì)詢討論和現(xiàn)場考察測試，與會專家認為音頻定位系的定位精度滿足預期要求，可為重點站區(qū)路地聯(lián)勤聯(lián)動力量提供技術支撐。香港科技大學開發(fā)的LANDMARC系統(tǒng)，是基于射頻識別的室內(nèi)定位系統(tǒng)，平均定位精度可達1 m;北京航空航天大學開發(fā)的無線定位系統(tǒng)Weyes，是基于WiFi的室內(nèi)定位系統(tǒng)；除此之外，北京郵電大學智能通信、導航與微納系統(tǒng)實驗室鄧中亮教授團隊以及清華大學劉云浩教授團隊等都在室內(nèi)定位領域取得了不錯的成果。

綜合國內(nèi)外多項研究成果，盡管目前在室內(nèi)二維定位領域已取得了不錯的研究成果，但尚未H{現(xiàn)一種主宰室內(nèi)定位方向的普適性技術，亟待一場技術革新和突破。

2 室內(nèi)二維定位系統(tǒng)設計

2.1 相關數(shù)據(jù)采集原理

在iOS開發(fā)中，蘋果公司提供了兩個框架可用于室內(nèi)定位，即CoreMotion框架和CoreLocation框架。CoreMotion框架可用于獲取移動距離和移動步數(shù)等數(shù)據(jù)，具體為在queryPedometerData方法里通過distance屬性獲取移動距離數(shù)據(jù)（startUpdates方法也可用，使用情況看具體問題）；CoreLocation框架可用于獲取運動方向、方向精度等數(shù)據(jù)，具體為在代理方法 locationManager didUpdateHeading 里通過true Heading屬性獲取運動方向數(shù)據(jù)（magneticHeading屬性也可用于獲取運動方向數(shù)據(jù)）。

2.2 行人航跡推算方法介紹

PDR是一種無需部署基礎設施的自主性導航方法，實施起來成本較低。PDR定位算法根據(jù)行人狀態(tài)（位置、航向角等）的變化，實時累積計算行人的位置[11]。行人只需知道初始位置坐標、變化的航向角以及移動距離，即可得到最終的估算位置。

已知初始位置為Ps=（x，y），則可推斷出下一時刻（S+I時刻）的位置坐標Ps+1。推算公式如式（1）所示。

式（1）中，ds表示初始位置Ps到下一時刻（S+I時刻）位置Ps+1之間的移動距離，θm表示初始位置Ps到下一時刻（.S+1時刻）位置Ps+1的運動方向角（與正北方向夾角）。參照公式（1），即可得下一時刻（S+1時刻）的估算位置Ps+1=（x+1，ys+1），依次遞推，即可估算出任意時刻的行人位置坐標。

2.3 室內(nèi)二維定位系統(tǒng)設計

通過2.1節(jié)實現(xiàn)相關數(shù)據(jù)采集后，即可得到定位所需的全部基礎數(shù)據(jù)（移動距離和運動方向數(shù)據(jù)），再運用公式（1）即可估算出行人的位置坐標信息，最終實現(xiàn)室內(nèi)二維定位?；趇Phone的室內(nèi)二維定位系統(tǒng)設計流程如圖2所示。

3 室內(nèi)二維定位系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)登錄頁面

輸入用戶名和密碼，點擊登錄按鈕后即可進入系統(tǒng)，即3.2節(jié)所示頁面。錯誤輸入用戶名和密碼或忘記輸入用戶名和密碼會有相應的出錯提示，同時打開記住密碼的UISwitch則可以自動保存用戶名和密碼，下次登錄時無需輸入。系統(tǒng)登錄實現(xiàn)頁面具體情況如圖3所示。

3.2詳情頁面

該頁面結(jié)構較為簡單，導航欄title顯示為詳情，頁面主體包括兩部分按鈕，點擊進入數(shù)據(jù)采集頁面按鈕和進入二維定位頁面按鈕分別進入到3.3節(jié)和3.4節(jié)所示頁面，詳情實現(xiàn)頁面具體如圖4所示。

3.3 相關數(shù)據(jù)采集頁面

頁面導航欄title顯示為數(shù)據(jù)采集，導航欄左側(cè)詳情按鈕點擊后可返回到3.2節(jié)所示頁面。進入頁面后無相關數(shù)據(jù)，點擊開始更新運動方向和距離按鈕即可獲取用戶行走實時的運動方向和移動距離數(shù)據(jù)，點擊停止更新運動方向和距離按鈕則停止獲取用戶的運動方向和移動距離數(shù)據(jù)，移動距離和方向數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)頁面具體如圖5所示。

3.4 室內(nèi)二維定位頁面

頁面導航欄title顯示為室內(nèi)二維定位，導航欄左側(cè)詳情按鈕點擊后可返回到3.2節(jié)所示頁面。進入頁面后無數(shù)據(jù)，需輸入初始X和Y坐標，點擊開始更新位置坐標數(shù)據(jù)按鈕即可獲取用戶行走時的位置坐標數(shù)據(jù)，點擊停止更新位置坐標數(shù)據(jù)按鈕則停止更新用戶的位置坐標數(shù)據(jù)。忘記輸入初始X和Y坐標而直接點擊開始更新位置坐標數(shù)據(jù)按鈕會有相應的錯誤提示。室內(nèi)二維定位實現(xiàn)頁面具體如圖6所示。

4 結(jié)語

本文基于行人隨身攜帶的iPhone手機進行了室內(nèi)二維定位系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，并在iPhone 12手機上進行了測試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行良好，具備一定的準確率與易用性，但隨著長時間的定位，會存在較大的累計誤差。后續(xù)工作將考慮設計算法提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和定位精度，消除系統(tǒng)的累計誤差。

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（編輯沈強）