鐘 勇，關(guān)濟(jì)昌,2，楊 凡,3

(1.中國(guó)科學(xué)院 成都計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所，成都 610041； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100190； 3.香港理工大學(xué) 電子計(jì)算學(xué)系，香港 999077) (*通信作者電子郵箱guanjichang1226@163.com)

基于智能手機(jī)感知室內(nèi)有效位移的方法

鐘 勇1，關(guān)濟(jì)昌1,2*，楊 凡1,3

(1.中國(guó)科學(xué)院 成都計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所，成都 610041； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100190； 3.香港理工大學(xué) 電子計(jì)算學(xué)系，香港 999077) (*通信作者電子郵箱guanjichang1226@163.com)

結(jié)構(gòu)構(gòu)建是室內(nèi)地圖構(gòu)建的基礎(chǔ)，而室內(nèi)測(cè)距是結(jié)構(gòu)構(gòu)建中的核心問(wèn)題。為克服現(xiàn)有測(cè)距方法中成本高或精度低的不足，在融合了多種智能手機(jī)傳感器數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)了基于步數(shù)步幅統(tǒng)計(jì)的測(cè)距方法。在步數(shù)統(tǒng)計(jì)階段，參照機(jī)器學(xué)習(xí)方法支持向量機(jī)(SVM)的設(shè)計(jì)思想計(jì)算最優(yōu)閾值，使得模型具有極好的泛化能力；在檢測(cè)步伐有效性階段，利用磁力傳感器數(shù)據(jù)的方差來(lái)篩選產(chǎn)生有效位移的步數(shù)；最后通過(guò)步幅估計(jì)模型計(jì)算步幅，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效位移的測(cè)算。通過(guò)實(shí)時(shí)構(gòu)建室內(nèi)地圖等項(xiàng)目的驗(yàn)證，所提方法被證明是有效的，整體誤差率在4%左右，可以達(dá)到構(gòu)建室內(nèi)地圖所要求的精度，為室內(nèi)地圖構(gòu)建中的有效位移計(jì)算提供了一種低成本、高可靠性的方法。

位移計(jì)算；手機(jī)感知；室內(nèi)地圖；有效計(jì)步；采樣

0 引言

隨著智能手機(jī)的普及和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，基于位置的服務(wù)在生活中的重要性日益凸顯。電子地圖作為位置服務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，因其可以使得室內(nèi)室外服務(wù)無(wú)縫結(jié)合，具有極強(qiáng)的便捷性和實(shí)用性，也逐漸發(fā)展壯大。目前室外電子地圖的相關(guān)技術(shù)與服務(wù)已日趨完善，但室內(nèi)地圖的構(gòu)建以及基于室內(nèi)地圖的服務(wù)還處于探索階段[1]。如何高效、準(zhǔn)確地構(gòu)建室內(nèi)地圖[2]是目前室內(nèi)位置服務(wù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，室內(nèi)地圖構(gòu)建包括兩個(gè)部分：結(jié)構(gòu)構(gòu)建和信息增強(qiáng)。結(jié)構(gòu)構(gòu)建確定地圖基本結(jié)構(gòu)，包括走廊、房間、樓梯等；信息增強(qiáng)完善地圖信息，包括商店名稱、門(mén)牌號(hào)等；結(jié)構(gòu)構(gòu)建是構(gòu)建室內(nèi)地圖的基礎(chǔ)，而如何基于傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行室內(nèi)有效距離計(jì)算是結(jié)構(gòu)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)之一?；趥鞲衅鳒y(cè)距的場(chǎng)景有兩個(gè)基本動(dòng)作，手持設(shè)備行走和轉(zhuǎn)身拍攝地標(biāo)圖像，如何利用傳感器數(shù)據(jù)區(qū)分這兩種動(dòng)作并計(jì)算有效位移，是本文研究的難點(diǎn)之一。本文提出了一種新的方法，該方法根據(jù)人體行走模型，參照支持向量機(jī)(Support Vector Machine, SVM)的思想計(jì)算計(jì)步最優(yōu)閾值，通過(guò)方向擾動(dòng)剔除無(wú)效步數(shù)，可以幫助地圖構(gòu)建者獲得較為精確的距離測(cè)試結(jié)果。

目前計(jì)算室內(nèi)距離的方法主要有以下3種：1)基于專業(yè)測(cè)距設(shè)備，如激光測(cè)距儀[3]、聲納測(cè)距儀等；2)基于圖像分析的技術(shù)[4]，利用圖像處理的方法，解構(gòu)圖像中各個(gè)對(duì)象的空間位置[5]和空間距離關(guān)系；3)基于傳感器數(shù)據(jù)的方法，計(jì)算測(cè)試者行走速度在時(shí)間緯度上的累積量或步數(shù)步幅統(tǒng)計(jì)的方式[6]。

基于專業(yè)測(cè)距設(shè)備的方法優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精確，誤差較小，但成本較高，并且需要專業(yè)的操作人員操作；基于圖像分析的方法優(yōu)點(diǎn)是不需要專業(yè)設(shè)備，研究主要集中在圖像中對(duì)象的識(shí)別，相對(duì)位置的計(jì)算，但計(jì)算量非常大，圖像的質(zhì)量對(duì)結(jié)果影響很大；基于傳感器數(shù)據(jù)的方法是目前研究的熱點(diǎn)方向，主要是因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)獲取方便，成本相對(duì)較低，數(shù)據(jù)分析相對(duì)于圖像處理也并不需要太大的計(jì)算量，不過(guò)目前的此類(lèi)方法主要用在測(cè)量運(yùn)動(dòng)量等場(chǎng)景[7]，存在較大的誤差，因?yàn)榛谒俣鹊恼`差很難修正，單純的步數(shù)乘以步幅的計(jì)算方式并不能反映真實(shí)的位移情況，其結(jié)果也無(wú)法達(dá)到構(gòu)建地圖所需要的精度。

本文基于智能手機(jī)多傳感器(加速度傳感器、磁力傳感器和陀螺儀)數(shù)據(jù)的融合，重新設(shè)計(jì)了基于步數(shù)步幅統(tǒng)計(jì)的位移計(jì)算方法。使用有時(shí)間標(biāo)記的加速度傳感器與方向傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算并篩選引起實(shí)際位移有效步數(shù)，結(jié)合步幅估計(jì)，計(jì)算手機(jī)持有者在室內(nèi)移動(dòng)的有效距離，并標(biāo)注這一段路徑的方向。融合多種傳感器數(shù)據(jù)，既增加了可用于分析的數(shù)據(jù)總量，也增加了數(shù)據(jù)的多樣性，從不同的緯度提取有效信息并相互驗(yàn)證，盡可能地接近真實(shí)情況，理論上可以達(dá)到較高的精度。在實(shí)際的模擬測(cè)試中，也驗(yàn)證了這一假設(shè)的有效性。

1 行走模型

本文通過(guò)步數(shù)步幅統(tǒng)計(jì)的方式計(jì)算位移，而步數(shù)步幅都與人的行走模型密切相關(guān)。從表面上看，人在行走的過(guò)程中，人體呈現(xiàn)出周期性運(yùn)動(dòng)，如腳步的起落、身體的擺動(dòng)、重心的升降等；從數(shù)據(jù)上看，加速度是人體行走行為的數(shù)學(xué)表達(dá)，步數(shù)步幅的內(nèi)在規(guī)律蘊(yùn)含在3個(gè)方向的加速度數(shù)據(jù)里，所以可以從探索數(shù)據(jù)的周期性變化入手，進(jìn)而找到加速度與步數(shù)步幅的關(guān)聯(lián)關(guān)系，下面通過(guò)闡述人的行走模型[8]來(lái)說(shuō)明這其中的規(guī)律。

由圖1所示，一個(gè)完整的步伐從左(右)腳掌蹬地開(kāi)始，腰部瞬間上提，左(右)腳落下，腰部下移，接著右(左)腳掌蹬地，腰部再次上提，循環(huán)往復(fù)，就變成了人的行走行為。在這其中最明顯的特征是身體重心的上下移動(dòng)，當(dāng)兩腳分開(kāi)時(shí)，重心降低；當(dāng)兩腳并攏時(shí)，重心上升。這也就給檢測(cè)步頻提供了思路，在手持手機(jī)姿勢(shì)穩(wěn)定的情況下行走，只要檢測(cè)重心的變化即重力方向的加速度變化周期，就可以以此統(tǒng)計(jì)步數(shù)。

圖1 行走模型

人的行走習(xí)慣在一定時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定不變的，根據(jù)人體機(jī)械原理，步頻加大時(shí)，出于維持平衡的原因，步幅也將增大，當(dāng)測(cè)試者步頻處于常規(guī)范圍內(nèi)時(shí)，步幅與步頻有近似的線性關(guān)系。另外，身高與步幅也有類(lèi)似的關(guān)系。利用數(shù)據(jù)分析的方法可以確定步幅與步頻和身高的關(guān)系，從而可以通過(guò)步頻和身高來(lái)估計(jì)步幅。

2 位移計(jì)算算法

基于步數(shù)步幅的有效位移計(jì)算算法中的步數(shù)統(tǒng)計(jì)與普通計(jì)步算法[9]的區(qū)別在于位移計(jì)算算法必須要識(shí)別出真正產(chǎn)生有效距離的步數(shù)，而不是簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)所有步數(shù)，因?yàn)檗D(zhuǎn)身、停留拍照、避讓行人等動(dòng)作雖然也產(chǎn)生了真實(shí)的步數(shù)，但并沒(méi)有增加有效位移，識(shí)別并去除這些與有效位移無(wú)關(guān)的步數(shù)對(duì)位移計(jì)算結(jié)果至關(guān)重要。位移計(jì)算算法流程如圖2所示。

本文提出的算法對(duì)于步數(shù)的計(jì)算是通過(guò)分析一定時(shí)間窗內(nèi)加速度傳感器z軸方向數(shù)據(jù)的波形，設(shè)置上下兩個(gè)閾值作為有效性檢查，一步開(kāi)始時(shí)，波形的峰值會(huì)大于上閾值，一步結(jié)束時(shí)，波形的波谷會(huì)小于下閾值，重復(fù)這一過(guò)程，就可以實(shí)時(shí)檢測(cè)出步數(shù)[10]。在方法上，首先對(duì)原始加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，在保證不丟失信息的前提下減少計(jì)算量，同時(shí)也可以過(guò)濾掉一些干擾數(shù)據(jù)；其次是濾波處理，使波形平滑，減少統(tǒng)計(jì)波峰波谷時(shí)的誤差；再次檢測(cè)極值點(diǎn)和計(jì)算閾值，為檢測(cè)波峰波谷作好鋪墊；最后按照一個(gè)有效波形周期對(duì)應(yīng)一步的規(guī)則檢測(cè)步數(shù)。

圖2 算法示意圖

本文算法對(duì)于步數(shù)有效性的檢測(cè)主要是通過(guò)磁力傳感器的數(shù)據(jù)，以陀螺儀的數(shù)據(jù)作為輔助。在非有效行走時(shí)，方向會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈擾動(dòng)，而這種擾動(dòng)在數(shù)據(jù)層面表現(xiàn)為離散程度的變化，可以據(jù)此判斷每一步對(duì)于位移的有效性。

2.1 原始數(shù)據(jù)

本文實(shí)驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)是通過(guò)自制程序在Android手機(jī)上采集得來(lái)[11]。三軸加速度傳感器可以產(chǎn)生x、y、z三個(gè)正交軸上的加速度值，分別對(duì)應(yīng)著人體側(cè)向、前向、縱向的加速度，由于人在行走時(shí)重心的變化比較明顯且具有一定的穩(wěn)定性，即z軸上加速度變化具有較強(qiáng)的可識(shí)別性，因此在步數(shù)檢測(cè)時(shí)只利用z軸方向的加速度數(shù)據(jù)。

由于加速度傳感器z軸方向數(shù)據(jù)本身疊加了重力加速度，為方便分析，算法使用到的z軸方向數(shù)據(jù)是去除重力影響后的加速度值。圖3為實(shí)驗(yàn)中的一組z軸數(shù)據(jù)，由圖可以看出，雖然噪聲較多，波形也不夠平滑，但這一組數(shù)據(jù)在整體上仍然呈現(xiàn)周期性規(guī)律，每一個(gè)完整的周期對(duì)應(yīng)的就是一個(gè)完整的步伐。

2.2 采樣與濾波

在實(shí)際的數(shù)據(jù)處理中，為了減小計(jì)算量，往往會(huì)首先進(jìn)行采樣。根據(jù)香農(nóng)采樣定理“為了不失真地恢復(fù)模擬信號(hào)，采樣頻率應(yīng)該不小于模擬信號(hào)頻譜中最高頻率的2倍”。原傳感器的采樣頻率是100 Hz，通常人體步行頻率為0.2～5 Hz，其中最典型的步行頻率低于2 Hz。不過(guò)，為了給后續(xù)的數(shù)據(jù)處理預(yù)留足夠的操作空間，不能按最低標(biāo)準(zhǔn)采樣，本文按照1/4的比例進(jìn)行均勻重采樣，可以保證信息不失真。

實(shí)際獲得的各種數(shù)據(jù)總是存在各種各樣的噪聲。為了得到更好的結(jié)果，首先需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步預(yù)處理，在本文涉及到的數(shù)據(jù)中，其目標(biāo)是使波形平滑，去除尖刺，減小后續(xù)處理的誤差?？稍O(shè)計(jì)截止頻率為5 Hz的有限沖激響應(yīng)(Finite Impulse Response, FIR)低通濾波器[12]，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本文采用4點(diǎn)平均平滑濾波，即

(1)

其中：d(n)為原始z軸速度信號(hào)；D(n)為平滑濾波后信號(hào)。圖4為采樣并平滑濾波后的數(shù)據(jù)。與圖3相比，圖4中的數(shù)據(jù)量更小也更平滑，剔除掉了噪聲并且沒(méi)有破環(huán)原數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，處理之后的數(shù)據(jù)特征更加突出。

圖3 z軸原始數(shù)據(jù)

圖4 z軸采樣濾波后數(shù)據(jù)

2.3 計(jì)算閾值

由于在行走時(shí)每個(gè)人重心移動(dòng)的幅度不同，這就導(dǎo)致了閾值是因人而異的，而確定閾值是檢測(cè)步數(shù)的前提條件，本文實(shí)驗(yàn)中使用了帶標(biāo)記的數(shù)據(jù)。因?yàn)榭捎玫拈撝涤泻芏鄠€(gè)選擇，因此找到最優(yōu)的閾值是增強(qiáng)算法泛化能力的關(guān)鍵。

在分類(lèi)問(wèn)題中，同樣存在以上的問(wèn)題，如何在眾多的分類(lèi)面中找到最優(yōu)的分類(lèi)面是決定一個(gè)分類(lèi)算法優(yōu)劣的關(guān)鍵。在機(jī)器學(xué)習(xí)方法中，支持向量機(jī)[13]在此類(lèi)問(wèn)題下表現(xiàn)出了極強(qiáng)的泛化能力，它通過(guò)確定兩類(lèi)樣本之間的最大間隔尋找邊界分類(lèi)面，確定兩個(gè)邊界分類(lèi)面中間的平面為最終分類(lèi)面。如圖5所示，該分類(lèi)面可以盡可能地將兩類(lèi)樣本分開(kāi)，從而使得該平面對(duì)訓(xùn)練樣本局部擾動(dòng)“容忍”性更好。

圖5 支持向量與間隔

在樣本空間中，分類(lèi)面可通過(guò)如下線性方程來(lái)描述：

ωTx+b=0

(2)

其中：ω=(ω1;ω2;…;ωd)為法向量，決定了分類(lèi)面的方向；b為位移項(xiàng)，決定了分類(lèi)面與原點(diǎn)之間的距離。顯然，分類(lèi)面可被法向量ω和位移b確定，將其記為(ω,b)。樣本空間中任意點(diǎn)x到分類(lèi)面(ω,b)的距離可寫(xiě)為：

(3)

假設(shè)分類(lèi)面(ω,b)能將訓(xùn)練樣本正確分類(lèi)，即對(duì)于(xi,yi)∈D，若yi=+1，則有ωTxi+b>0；若yi=-1，則有ωTxi+b<0。令：

(4)

如圖5所示，距離分類(lèi)面最近的這幾個(gè)訓(xùn)練樣本點(diǎn)使得式(4)中的等號(hào)成立，它們被稱為“支持向量”，兩個(gè)異類(lèi)支持向量到分類(lèi)面的距離之和(被稱為間隔)為：

γ=2/‖ω‖

(5)

欲找到具有“最大間隔”的分類(lèi)面，也就是要找能滿足式中約束的參數(shù)ω和b，使得γ最大，即：

(6)

s.t.yi(ωTxi+b)≥1;i=1,2,…,m

這就是支持向量機(jī)(SVM)的基本型。

由于要解決的問(wèn)題高度相似，本文參照了支持向量機(jī)的思想來(lái)學(xué)習(xí)最優(yōu)閾值。使用用戶提前標(biāo)記的步數(shù)為N的行走z軸加速度D(n)作為輸入，算法首先找到可用閾值的上下邊界，因?yàn)樽顑?yōu)閾值就是離上下邊界最遠(yuǎn)的值，所以可以確定上下邊界的中間值即為最優(yōu)閾值。以圖6尋找最優(yōu)上閾值為例，從上下邊界分別向中間移動(dòng)，直到穿過(guò)當(dāng)前閾值的波峰個(gè)數(shù)滿足要求，則可以得到p1、p2兩個(gè)上閾值，取p1、p2中間的值作為上閾值p。

圖6 尋找最優(yōu)上閾值

算法描述如下。

輸入：加速度值D(n)，步數(shù)N。 輸出：下閾值q，上閾值p。 參數(shù)：Nq表示峰值小于q的波谷個(gè)數(shù)，Np表示峰值大于p的波峰個(gè)數(shù)，Δ為一個(gè)很小的正數(shù)，max(D(n))表示取最大的D(n)值，min(D(n))表示取最小的D(n)值。 令q1=p1=(max(D(n))+min(D(n)))/2

while(Nq!=N&&q>min(D(n))){q1=q1-Δ}

while(Np!=N&&p

令q2=min(D(n)),p2=max(D(n)),

c=(max(D(n))+min(D(n))/2

while(Nq!=N&&q

while(Np!=N&&p>c){p1=p1-Δ}

q=(q1+q2)/2

p=(p1+p2)/2

2.4 步數(shù)檢測(cè)

步數(shù)檢測(cè)主要是通過(guò)檢測(cè)極值點(diǎn)，篩選有效完整的波形，利用一個(gè)完整的波形周期對(duì)應(yīng)一個(gè)步伐的原則完成的。

2.4.1 極值檢測(cè)

在微積分中，極值定理說(shuō)明如果實(shí)函數(shù)f在閉區(qū)間[v,w]上是連續(xù)函數(shù)，則它一定取得最大值和最小值，至少一次。也就是說(shuō)，存在[v,w]內(nèi)的c和d，使得：

f(c)≥f(x)≥f(d);x∈[v,w]

(7)

令所有z軸加速度數(shù)據(jù)為D(n)，按照時(shí)間軸的方向，依次檢測(cè)極值點(diǎn)，設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)度為3的滑動(dòng)數(shù)組Z，存儲(chǔ)當(dāng)前的三個(gè)連續(xù)值，Z[0]=D(n-2),Z[1]=D(n-1),Z[2]=D(n)，根據(jù)極值判斷理論：

如果Z[1]Z[1]，那么Z[1]為最小值；

如果Z[1]>Z[0]且Z[2]

2.4.2 步伐檢測(cè)

令所有的極值點(diǎn)數(shù)據(jù)J(n)，按照時(shí)間軸的方向，依次檢測(cè)波峰波谷，設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)度為2的滑動(dòng)數(shù)組d，存儲(chǔ)當(dāng)前兩個(gè)連續(xù)的極值Z[0]=J(n-1),Z[1]=J(n)，根據(jù)一個(gè)完整的波形周期對(duì)應(yīng)一步的原則：

如果Z[0]>p且Z[1]

否則，向后滑動(dòng)數(shù)組。

另外需要注意的是，時(shí)間窗口的平移并不是直接從新的數(shù)據(jù)開(kāi)始，而是要包含上一個(gè)時(shí)間窗口中判斷無(wú)效的尾部數(shù)據(jù)，這樣才能防止半步的數(shù)據(jù)被舍棄，避免因?yàn)閿?shù)據(jù)截?cái)嗨斐傻恼`差[14]。如圖7所示，長(zhǎng)虛線表示第1個(gè)時(shí)間窗口，短虛線表示第2個(gè)時(shí)間窗口，第2個(gè)時(shí)間窗口開(kāi)始的時(shí)間是第1個(gè)時(shí)間窗口最后一個(gè)波谷結(jié)束的時(shí)間。

圖7 平移時(shí)間窗口

2.5 步伐有效性檢測(cè)

在這一階段，本文將篩選出產(chǎn)生實(shí)際位移的步數(shù)。在非正常行走時(shí)，如拍照、轉(zhuǎn)身等都會(huì)產(chǎn)生步數(shù)，但這類(lèi)步數(shù)對(duì)距離沒(méi)有貢獻(xiàn)，需要剔除掉。在實(shí)際測(cè)試中觀察到，在非正常行走時(shí)，測(cè)試者的方向一直在大范圍內(nèi)變動(dòng)，在數(shù)據(jù)層面看，方向數(shù)據(jù)的離散度很大，由此可以通過(guò)每一步時(shí)間附近的方向離散程度來(lái)檢測(cè)此步的有效性。同理，陀螺儀的旋轉(zhuǎn)加速度數(shù)據(jù)也可以進(jìn)行輔助判斷。本文以方向數(shù)據(jù)為例。

圖8(a)是正常行走時(shí)的方向數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)只在小范圍內(nèi)波動(dòng)，波形平穩(wěn)；圖8(b)是轉(zhuǎn)彎時(shí)方向數(shù)據(jù)，可以看出中間有個(gè)明顯的躍階，那個(gè)時(shí)刻就是發(fā)生轉(zhuǎn)向的時(shí)間；圖8(c)是非正常行走時(shí)的方向數(shù)據(jù)，波動(dòng)很大。從圖8上可以直觀地看出，方向數(shù)據(jù)可以明顯地區(qū)分有效步伐和無(wú)效步伐，利用一定時(shí)間方向數(shù)據(jù)的方差：

(8)

圖8 不同情況下方向數(shù)據(jù)變化

2.6 步幅估計(jì)

位移是有效步數(shù)與步幅的乘積，準(zhǔn)確地估計(jì)步幅對(duì)位移的計(jì)算非常關(guān)鍵。一般來(lái)說(shuō)，加速時(shí)，步頻會(huì)加大，為維持身體平衡，步幅也將加大，但步頻不可能無(wú)限增大，步幅的范圍也是有上下限的，當(dāng)測(cè)試者步頻處于常規(guī)范圍時(shí)，步幅與步頻有近似的線性關(guān)系。同理，身高與步幅也存在著類(lèi)似的關(guān)系。通過(guò)對(duì)多個(gè)測(cè)試者的行走數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到步頻F與身高和步幅的關(guān)系對(duì)照表[15]，具體關(guān)系如表1所示。

表1 步幅和身高、步頻的關(guān)系

2.7 位移計(jì)算

經(jīng)過(guò)以上步驟的處理，此時(shí)的數(shù)據(jù)如圖9所示，圖中的每個(gè)點(diǎn)代表一步，可以看到，圖9中的點(diǎn)明顯分為兩部分，斷點(diǎn)處表示轉(zhuǎn)向的位置，從圖9的數(shù)據(jù)可知，在15 s時(shí)轉(zhuǎn)了一個(gè)90°的彎。

在室內(nèi)地圖結(jié)構(gòu)構(gòu)建中，平面線段特征的構(gòu)建與位移和方向均相關(guān)，而位移是有效步數(shù)與步幅的乘積，方向則跟每一步的方向相關(guān)。由于每一步的方向與實(shí)際方向都有小范圍內(nèi)的偏離，所以需要融合多步的方向推算真實(shí)的路徑方向。在此階段把步數(shù)按大致方向分段，每段內(nèi)的方向偏差不大于20°，每段采用步數(shù)乘以步幅的方式計(jì)算距離，再結(jié)合每步的方向采用簡(jiǎn)單取平均的方式可計(jì)算出此段的方向，即可得到位移和方向。

圖9 步伐方向數(shù)據(jù)

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

測(cè)試設(shè)備為一部型號(hào)為Nexus 4 操作系統(tǒng)為Android 5.1的智能手機(jī)，測(cè)試地點(diǎn)為某大學(xué)的一棟封閉教學(xué)樓內(nèi)。本實(shí)驗(yàn)共有10名測(cè)試者，每名測(cè)試者測(cè)試10次，最終結(jié)果取平均。

3.1 不同場(chǎng)景下的實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)通過(guò)模擬多種構(gòu)建室內(nèi)地圖時(shí)的場(chǎng)景，使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，采集并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文通過(guò)避讓次數(shù)來(lái)反映人流情況。測(cè)試者每次在室內(nèi)行走距離為50 m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 誤差率對(duì)比

由圖10(a)可以看出行為越復(fù)雜，則測(cè)距誤差就越大；人流量對(duì)測(cè)試結(jié)果有很大的影響，但是正常的偶爾的避讓行為并不會(huì)引起誤差的迅速增加，在測(cè)試過(guò)程中干擾因素越少，則測(cè)試的精準(zhǔn)度越高。最常見(jiàn)的場(chǎng)景下，測(cè)距誤差率在4%左右。圖10(b)中顯示行為越復(fù)雜，則方向誤差就越大；人流量并沒(méi)有對(duì)方向數(shù)據(jù)造成較大的影響，這是因?yàn)榉较虻墨@取主要來(lái)自于磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，而人流量并不會(huì)造成磁場(chǎng)的變化。

3.2 不同方法下的實(shí)驗(yàn)分析

在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，并且不考慮人流量的影響，測(cè)試了其他兩種測(cè)距算法的誤差率，圖像測(cè)距和基于速度的傳感器測(cè)距(速度測(cè)距)，前者通過(guò)識(shí)別圖像中的標(biāo)的物實(shí)現(xiàn)空間測(cè)距，后者通過(guò)速度在時(shí)間上的積分實(shí)現(xiàn)測(cè)距。本實(shí)驗(yàn)中使用手機(jī)應(yīng)用Smart Distance進(jìn)行圖像測(cè)距，利用羅印[6]提出的方法進(jìn)行速度測(cè)距。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)距方法誤差對(duì)比 %

由表2可知，圖像無(wú)法識(shí)別復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但走廊的測(cè)距精度較高；速度測(cè)距在簡(jiǎn)單場(chǎng)景中，其精度要高于本文中的方法，但在室內(nèi)地圖構(gòu)建最常見(jiàn)的場(chǎng)景中，其精度要低于本文中的方法，因此，相比圖像測(cè)距和速度測(cè)距等方法，本文方法在室內(nèi)地圖構(gòu)建時(shí)的測(cè)距問(wèn)題中表現(xiàn)得更好。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)測(cè)距方法在室內(nèi)地圖構(gòu)建中因成本、精度等無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果，針對(duì)此問(wèn)題，本文重新設(shè)計(jì)了基于步數(shù)步幅統(tǒng)計(jì)的室內(nèi)位移算法。通過(guò)參照機(jī)器學(xué)習(xí)方法支持向量機(jī)的優(yōu)點(diǎn)設(shè)定最優(yōu)閾值增強(qiáng)了算法泛化能力，通過(guò)評(píng)估方向的離散程度篩選有效步數(shù)，利用步頻、身高等與步幅的相關(guān)關(guān)系估計(jì)步幅克服了現(xiàn)有方法的缺陷與不足，通過(guò)融合多種傳感數(shù)據(jù)提高了感知能力與精度。本文在低成本低可靠數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，在室內(nèi)地圖構(gòu)建的各種場(chǎng)景下，均獲得了較高的精度。

在實(shí)際應(yīng)用中，利用工程方法，結(jié)合多人多數(shù)據(jù)多方法綜合評(píng)估的方式，如地圖同比例縮放、線段之間相互校正、角度之間相互校正等，可以把距離誤差率控制在2%以內(nèi)，方向誤差控制在1.5%左右，能夠滿足實(shí)際要求。

但本文研究也有一些不足：1)數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中需要測(cè)試者以穩(wěn)定的姿勢(shì)手持設(shè)備；2)步幅的估計(jì)并沒(méi)有考慮到個(gè)人習(xí)慣的影響，這在大規(guī)模的數(shù)據(jù)分析中可能會(huì)造成一些誤差。在以后的研究中，可以放開(kāi)這些限制，融合更多傳感器數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)分析的角度深度挖掘內(nèi)在規(guī)律，提高數(shù)據(jù)的純度，進(jìn)而提高位移計(jì)算的精確度。

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This work is partially supported by the Project of Science & Technology Department of Sichuan Province (2014GZ0104), West Light Foundation of the Chinese Academy of Sciences (2015XBZG).

ZHONGYong, born in 1966, Ph. D., research fellow. His research interests include big data, cloud computing, database.

GUANJichang, born in 1991, M. S. candidate. His research interests include big data, indoor location service.

YANGFan, born in 1978, Ph. D. candidate. His research interests include mobile computing, data mining, machine learning, software engineering.

Indoordisplacementcalculationmethodbasedonsmartphonesensors

ZHONG Yong1, GUAN Jichang1,2*, YANG Fan1,3

(1.ChengduInstituteofComputerApplication,ChineseAcademyofSciences,ChengduSichuan610041,China;2.UniversityofChineseAcademyofScience,Beijing100190,China;3.DepartmentofComputing,TheHongKongPolytechnicUniversity,HongKong999077,China)

The construction of structure is the foundation of indoor map constructing, and the indoor distance measuring is one of the core problems in this process. In order to solve the problem of high cost or low accuracy in the existing methods, a distance measuring method based on the statistical steps and strides with the multi-sensor data was proposed. In the stage of counting steps, the optimal threshold was calculated according to the ideas of Support Vector Machine (SVM), which made the model have excellent generalization ability. In the stage of detecting the validity of the step, the variance of the direction sensor data was used to filter the effective displacement steps. Finally, the stride estimation model was used to estimate the stride, and then the effective displacement was calculated. In the practical application, the proposed method is proved to be effective, and the overall error is about 4%, which can achieve the accuracy required to build indoor maps. It is a low cost and reliable displacement calculation method for indoor map constructing.

displacement calculation; smart phone awareness; indoor map; effective steps counting; sampling

TP212.6

:A

2016- 12- 28;

:2017- 03- 14。

四川省科技廳項(xiàng)目(2014GZ0104)；中國(guó)科學(xué)院西部青年學(xué)者項(xiàng)目(2015XBZG)。

鐘勇(1966—)，男，四川岳池人，研究員，博士生導(dǎo)師，博士，主要研究方向：大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)； 關(guān)濟(jì)昌(1991—)，男，河南商丘人，碩士研究生，主要研究方向：大數(shù)據(jù)、室內(nèi)位置服務(wù)； 楊凡(1978—)，男，江蘇丹陽(yáng)人，博士研究生，主要研究方向：移動(dòng)計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、軟件工程。

1001- 9081(2017)07- 2118- 06

10.11772/j.issn.1001- 9081.2017.07.2118