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基于PDR/WIFI组合室内定位方法研究
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张永恒陈红华
摘要:随着WiFi的普及,信号范围覆盖越来越广,基于WiFi的室内定位可以实现复杂环境中的定位,定位成本也会越来越低,但仍存在信号容易被遮挡而导致定位随机性大的不足。当下,智能手机配备了各种传感器,让基于惯性传感器的定位技术成本变得很低,且具有实时定位目标的优点,但是存在较大的惯性累积误差。所以利用行人航位推算(PedestrianDeadReckoning,PDR)和WiFi定位融合的方法可以提高定位精度。
本文首先对行人航位推算进行研究,解决航位推算的三个关键步骤:步频检测、步长估计、角度偏移。步频检测主要通过加速度变化判断行人行走步数。步长估计主要通过线性步长模型来进行估计。角度偏移只需要通过惯性传感器测量得到角度变化。然后,研究WiFi定位方法,利用衰减模型计算与AP距离,然后通过最小二乘法定位出坐标。最后通过扩展卡尔曼滤波解决非线性问题,将航位推算方程作为观测方程,WIFI定位坐标作为量测方程,实现二者数据融合。
通过MATLAB绘制WIFI定位和PDR/WIFI融合后定位的行为轨迹,发现融合后的结果更接近真实行为轨迹。通过PDR/WIFI组合进行室内定位提高定位精度,能更好地应用于商场、地下车库等室内场所。
关键词:室内定位;WiFi;PDR;扩展卡尔曼滤波
:P228?????:A????:1006-3315(2021)11-225-003
1.引言
随着定位技术的飞速发展,位置服务已经成为人们日常工作、生活所必须的一项基本服务需求。当前,室外定位技术已经比较成熟,相比之下,室内定位技术才刚刚起步,而人们对室内定位的需求也日趋明显。提高室内定位的精度,能更好地应用于商场、地下车库等室内场所。目前,研究室内定位的常用技术分为两类:一是基于无线信号的定位技术,如射频识别技术、WiFi技术等;二是基于非电信号的定位技术,如地磁场技术、惯性测量技术、超声波技术等[1]。查峰,覃方君等人研究发现惯性导航在短时间内的定位精度很高,但具有误差累积效应[2];而黄威,张玲华等人研究发现WiFi定位的精度虽不如前者高,但不存在误差累积[3]。本文主要是使用惯性测量单元在行走过程中的加速度、角速度等数据,利用这些数据对行人进行步长和方向的推算;WiFi定位主要是通过RSSI来测算行人的位置坐标。传统的卡尔曼滤波只能解决一些线性问题,而此时研究的问题是存在方向角变化,是非线性模型,所以要进一步采用扩展卡尔曼滤波,通过积分转化为线型模式来进行数据的融合。
2.PDR定位原理及过程
2.1PDR原理
行人航位推算是依靠行人行走的步长S已经航向角θ来推算坐标位置的[4]。但是,其中的步长S的推算不能简单地通过对加速度的二次积分来获取,因为前文提到这样会使测量的误差累积,很大影响定位精度。所以想要更科学的计算步长,要利用行人行走动力学,根据每个人的步态特征,统计出行走步数,再利用模型估计行人每一步的步长,累积進而获得行走的距离[5]。
2.2航位推算三个数据获取
2.2.1步态检测
利用零点交叉法,即根据行人行走时总是要经历一个加速和减速的过程,随着脚后跟离开地面,会产生加速效果,同一只脚脚后跟再次着地时会产生减速效果,所以在剔除重力加速度后,运动的加速度值会有正负值,正表示加速,负表示减速,因此确定波形的零点就可探测跨步的起始点[6]。
2.2.2步长估算
利用非线性步长模型。由于没有充足的理论证明步长与统计特征值之间的线性关系,所以一些研究者就探究了一些非线性模型,如含有一个参数的非线性模型,其公式为:
由此公式看出,只要统计了最大和最小加速度,将其中的参数K计算出来,就可以完成估算[7]。根据各项数据多方面考虑,最终选定K值为0.52最合适[8]。
2.2.3偏移角计算
首先,选定一个测试环境,从正西方向到正东方向来回走动,将测量结果在MATLAB中绘制出来,发现X轴角速度变化明显,故可以选择X轴方向为参考方向。故选取X轴的波峰作为角度偏移角。根据测量的数据将三个方向的角速度变化在MATLAB中绘制出来,就可得到角度偏移。如果波峰不是很明显,也可以设定一定的角度变化作为阈值来筛选角度变化率,进而算出角度偏移角。角度变化率较小的视为行人行走时沿上一时刻方向直线行走。
3.WiFi定位原理和计算方法
3.1衰减模型定位
因为现实的室内环境复杂,存在许多遮挡信号传播的物体,信号也会多路径传播,查找文献发现研究者研究出了对数距离路径衰减模型,公式如下:
PL(d)(dBm)=PL(d0)+10·n·log(d/d0)+FAF(3-1)
PL(d)为传输的损耗值,也就是定位装置距离已知AP点一米位置的信号损耗值,n为衰减因子,将环境氛围分
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