邢珍珍

摘 要：目前人們對室內(nèi)導(dǎo)航的需求越來越大，針對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上集成的各類加速度傳感器、陀螺儀傳感器、地磁場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。本文對地磁數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)地磁定位和導(dǎo)航的實現(xiàn)三個方面進行了分析和說明。

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

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：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80%的時間都處于室內(nèi)，室內(nèi)地理信息的研究顯得尤為重要。例如在機場等大型公共建筑內(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)驗尋找停車場，現(xiàn)有指示標志不能精確引導(dǎo)駕駛員到達正確的停車位。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)，但定位信號到達地面時較弱，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內(nèi)置的地磁場傳感器、加速度傳感器和陀螺儀傳感器，實現(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）或者通信運營商的無線電通訊網(wǎng)絡(luò)（如GSM網(wǎng)、CDMA網(wǎng)）獲取移動終端用戶的位置坐標信息，在GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）平臺的支持下，利用運營商平臺為用戶提供相應(yīng)服務(wù)的一種增值業(yè)務(wù)。

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

2.2 地磁數(shù)據(jù)采樣

為了能夠準確使用數(shù)據(jù)，需要對地磁數(shù)據(jù)進行獲取和采樣。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，也即導(dǎo)航關(guān)鍵點，并完成這些關(guān)鍵點的地磁數(shù)據(jù)采樣及存儲，建立地磁數(shù)據(jù)地圖，綁定建筑物的地磁坐標圖和平面圖。

2.3 定位技術(shù)

（1）WiFi技術(shù)

WiFi技術(shù)是一種能夠?qū)€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手機占據(jù)了中國手機市場的27%以上，但是iPhone手機不開放WIFI開發(fā)接口，所以iPhone手機的WIFI正向定位無法實現(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售價較高，定位精度約為5米，耗時耗力，成本較大。

（2）地磁定位技術(shù)

地磁定位技術(shù)采用識別環(huán)境中的地磁信號來進行精準定位，無需預(yù)先鋪設(shè)信號源，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都開放了地磁傳感器的開發(fā)接口，通過手機自帶的感應(yīng)器即可進行定位。另外，地磁信號穩(wěn)定性好，定位精度高，平均達到1—3米[2]。所以地磁定位技術(shù)可以為各類移動應(yīng)用提供簡單便捷的室內(nèi)定位導(dǎo)航解決方案。

現(xiàn)有智能手機上采用的電子羅盤、加速度傳感器可以不停提供加速度和運動方向信息，它們可以用于反復(fù)逼近設(shè)備的運動軌跡。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目的地的最佳路徑，另一方面需要盡可能降低實際復(fù)雜度。由于Dijkstra算法計算復(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)，主要用于移動設(shè)備，如智能手機和平板電腦，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室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)解決方案，希望可以彌補傳統(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。

我們需要通過三個方面來達到目標：首先，通過手機確定在建筑中的位置。第二，確定到達目的地的最佳路線。第三，需要一個直觀的界面來展示給用戶。所以所對應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)主要包括三個部分：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)追蹤用戶的當前位置。導(dǎo)航模塊負責執(zhí)行Dijkstra算法來找到起始點和目標點的最短路徑的同時，盡可能確保路線設(shè)計的合理性，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責通過圖形與用戶產(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。

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

首先使用Android智能手機注冊最高精度的地磁數(shù)據(jù)變化監(jiān)聽，獲取機身坐標系下的三個方向的地磁數(shù)據(jù)分量，之后為這三個方向的地磁數(shù)據(jù)建立世界坐標系下的映射。建立映射完成后，通過步行完成對建筑物地磁數(shù)據(jù)的采樣，對應(yīng)建筑平面圖，對地磁數(shù)據(jù)和建筑地物理坐標進行整合，建立地磁數(shù)據(jù)地圖，之后對獲取的數(shù)據(jù)進行濾波處理，將單位采樣點單位時間內(nèi)獲取的奇異點數(shù)據(jù)進行過濾，從而得到單位時間內(nèi)單位采樣點的特征地磁數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行存儲。

其次，使用上述方式獲取用戶當前位置點的實時地磁數(shù)據(jù)。

第三，將實時地磁與地磁數(shù)據(jù)地圖中的地磁進行匹配定位。具體方法如下，將獲取的實時地磁特征數(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)進行比對，找到特征數(shù)據(jù)接近的物理坐標點，完成首次查詢，并將所有備選坐標進行緩存。用戶行走一段距離后進行第二次查詢，再次對所有備選坐標進行緩存，計算得到兩次緩存之間距離最近的點，作為定位物理坐標。

在確定首個定位物理坐標之后，對加速度傳感器及陀螺儀傳感器進行注冊，根據(jù)物理坐標及設(shè)備即時移動速度及方向進行慣性導(dǎo)航，并通過實時數(shù)據(jù)驗證來驗證定位坐標的準確性，如果驗證不準確，則繼續(xù)查找，確定坐標點，如果準確則繼續(xù)進行慣性導(dǎo)航。

最后，通過上述方法獲的用戶當前位置點，并在地磁數(shù)據(jù)地圖中尋找最近導(dǎo)航關(guān)鍵點，根據(jù)Dijkstra算法生成兩點之間的導(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上集成的各類加速度傳感器、陀螺儀傳感器、地磁場傳感器等來實現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航的解決方案。并對地磁數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)地磁定位和導(dǎo)航的實現(xiàn)進行了分析和說明。本論文只討論了基礎(chǔ)條件下利用智能手機自帶導(dǎo)航估計用戶的位置，在后續(xù)擴展中將考慮融合圖像識別、WIFI和移動網(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、更準確。

參考文獻（References）

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