張賢杰，費 磊

(1.黑龍江省科學(xué)院智能制造研究所，哈爾濱 150090； 2.黑龍江省科學(xué)院江蘇技術(shù)轉(zhuǎn)移中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020)

0 引言

目前，世界上室外導(dǎo)航和位置服務(wù)主要依賴于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。但由于建筑物的相互遮擋和多路徑效應(yīng)因素，全球定位系統(tǒng)很難在室內(nèi)導(dǎo)航上進(jìn)行應(yīng)用[1]?，F(xiàn)階段較為成熟的室內(nèi)定位技術(shù)有很多，如RFID技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)以及ZigBee技術(shù)等。這些技術(shù)相對成熟，能夠一定程度滿足室內(nèi)定位需要，但存在精度低、成本高、布置相對復(fù)雜的缺點，不能滿足用戶對于高精度、低延時的實際需求，影響了用戶體驗[2]。由圖1可以看出，相較于其他定位技術(shù)， WiFi 定位技術(shù)具有精度高、成本低、部署簡單等優(yōu)點，而且無線網(wǎng)絡(luò)裝置在生活中應(yīng)用廣泛，遍布每一個建筑中，越來越多的人在應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)，所以WiFi技術(shù)將成為室內(nèi)定位的重要工具[3]。

圖1 主流室內(nèi)定位方法比較Fig.1 Comparison of main indoor positioning methods

1 綜合性室內(nèi)定位方法

對定位區(qū)域采取AP接入點部署配置。AP接入點的作用在于其能夠向周圍區(qū)域發(fā)射無線信號、自身的標(biāo)志碼等無線網(wǎng)絡(luò)信息，這也是WLAN室內(nèi)定位的主要原理。在定位區(qū)域內(nèi)，用戶使用手機(jī)等智能移動終端設(shè)備，接收定位區(qū)域內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而獲取各個AP接入點的標(biāo)識信息，并匹配相應(yīng)的算法計算出用戶的位置信息，這種算法成熟、簡便。但WLAN定位對環(huán)境要求較高，大型商業(yè)、博物館等建筑室內(nèi)人員流動較大、房間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、室內(nèi)展品陳列對WLAN信號遮擋較多，對WLAN的室內(nèi)定位精度影響嚴(yán)重，所以單一地使用WLAN進(jìn)行定位無法滿足室內(nèi)定位對精度的需求[4-5]。絕大多數(shù)智能手機(jī)都內(nèi)置了慣性傳感器，在大型室內(nèi)建筑物內(nèi)，可方便地利用手機(jī)的慣性傳感器進(jìn)行移動定位和軌跡計算。在距離較短的移動范圍內(nèi)，慣性傳感器中的航位推算法具有較高的精確性，但隨著時間的推移及距離的增加，這種方法的定位誤差呈逐漸累加過程，計算時間和距離越長，累計誤差越大，所以使用航位推算方法需要每間隔一定的時間和距離就對其進(jìn)行1次校正或初始化，以此消除累計誤差。可將WLAN定位技術(shù)和慣性導(dǎo)航定位技術(shù)相結(jié)合，每隔一段時間采用WLAN定位技術(shù)清空當(dāng)前誤差，再利用慣性傳感器導(dǎo)航推算行人的前進(jìn)方向和位置信息。

圖2 綜合性室內(nèi)定位方法流程圖Fig.2 Flow chart of comprehensive indoor positioning methods

用戶在進(jìn)入建筑物后，手持移動終端設(shè)備進(jìn)入定位區(qū)域，通過WLAN定位方式自動獲取用戶當(dāng)前的初始位置信息。如果用戶當(dāng)前位置沒有WiFi信號或信號較弱，行人也可采用當(dāng)前位置特殊標(biāo)志物圖像識別或掃描二維碼的方式確定用戶的當(dāng)前位置。在確定好初始位置后，慣性傳感器會計算出行人接下來的前進(jìn)方向和位置，并在移動端顯示用戶的行駛軌跡。但慣性傳感器會隨時間和距離的增加形成累積誤差，需要每隔一段時間進(jìn)行位置校正。因此，每隔一定的時間周期和距離都會使用WLAN消除慣性傳感器的累積誤差。如果因為障礙物的遮擋導(dǎo)致WLAN信號弱，不能獲取當(dāng)前位置信息，可通過使用移動端的圖像識別方式獲取當(dāng)前位置，再利用慣性傳感器定位繼續(xù)推算用戶的位置。如此周而復(fù)始，實現(xiàn)用戶的移動定位功能。圖2為綜合性定位方法的完整流程。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本研究設(shè)計的基于WLAN和慣性傳感器融合定位的博物館室內(nèi)導(dǎo)覽系統(tǒng)主要功能模塊有：數(shù)據(jù)采集模塊和定位模塊。定位模塊包括WLAN和PDR定位兩種定位方式。WLAN和PDR定位方式分別獨立的在兩個線程中運行，當(dāng)用戶置身定位范圍中并向客戶端發(fā)起定位請求時，在主線程中實現(xiàn)初始化過程。初始化過程主要包括：設(shè)置濾波參數(shù)、WiFi掃描時間間隔、加速度波峰波谷物理差值和時間差值、融合過程中獲取 WiFi 平均定位結(jié)果的滑動窗口長度等。其中，客戶端每間隔1 S掃描1次WiFi信息進(jìn)行位置推算，它是一個定時執(zhí)行的任務(wù)。PDR定位實時采集慣性傳感器的數(shù)據(jù)，并經(jīng)計算后發(fā)送給主線程。WiFi定位結(jié)果和PDR定位結(jié)果分別上傳到主線程后，主線程匹配相應(yīng)的算法進(jìn)行融合計算，并計算出融合定位結(jié)果，更新定位界面。客戶端執(zhí)行定位請求流程。

圖3 Android手機(jī)坐標(biāo)軸示意圖Fig.3 Sketch map of coordinate axis of Android mobile phone

2.1 信號采集

本研究采用慣性傳感器。目前市面上大部分智能手機(jī)都會集成加速度和方向傳感器，行人的步長和行進(jìn)速度主要靠加速度傳感器來估算，方向傳感器主要用于檢測行人的行走方向。

2.2 WiFi和慣性傳感器定位算法設(shè)計

行人進(jìn)入場館后，初始位置由WiFi指紋或圖像識別確定，在確定好用戶的當(dāng)前位置后，由于PDR算法在小范圍、短周期上定位較為精準(zhǔn)，因此用PDR算法推算行進(jìn)位置，隨著行走距離的累加，PDR定位的誤差也會不斷積累，需要WiFi定位對PDR定位的誤差進(jìn)行定期清除。本研究中，WiFi定位結(jié)果更新的頻率大約1 HZ，根據(jù)行人行走的速度，把連續(xù)4次WiFi定位時間作為時間間隔t，根據(jù)初始位置，在時間間隔內(nèi)使用PDR定位方法進(jìn)行推算，達(dá)到時間間隔t后，采用WiFi對PDR定位初始位置進(jìn)行更新。

在實際測試中，行人手持智能手機(jī)直線行駛40 m，WiFi頻率為1 HZ，行人全程得到25組WiFi掃描信息，獲取25個定位點。通過對獲取的25組信息進(jìn)行觀察，隨著用戶移動方向的改變，實時獲取的位置信息也隨之變化，但實時獲取的位置信息跟行人的真實軌跡之間存在誤差，不能完全和行人軌跡互相重合，而是分布在行人軌跡的附近。導(dǎo)致定位出現(xiàn)偏差的原因是WiFi離線位置指紋庫中存儲的是采樣時間內(nèi)的平均值，WiFi信號和周圍環(huán)境息息相關(guān)，信號強(qiáng)弱不斷變化，會出現(xiàn)偶發(fā)的異常信號，導(dǎo)致定位誤差偏大。

根據(jù)上面的定位分析，采用WiFi指紋定位更新PDR的起始定位時，把位于時間間隔t內(nèi)的WiFi定位結(jié)果進(jìn)行平均處理。取平均值的目的是抵消定位方向上的誤差，處理后的結(jié)果與真實值更為接近，如圖4所示。雖然定位結(jié)果更接近真實值，但也因此犧牲了定位的實時性，使定位的結(jié)果與行人的實時位置不同步，有一定的延遲性。所以，考慮采用t時間窗口內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行PDR推算，對滯后結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。對WiFi定位結(jié)果做平均處理后，估算的定位位置更接近行人的真實值。在t時間窗口內(nèi)，采用平均位置作為PDR算法的起始位置，慣性傳感器計算出t時間內(nèi)的步頻、步長和方向信息，采用PDR計算出行人的位置信息作為當(dāng)前的最新定位，也作為下一時間窗口t的起始位置。

圖4 融合策略示意圖Fig.4 Sketch map of integration strategy

3 硬件設(shè)計

本研究所述的基于WLAN定位的室內(nèi)實景導(dǎo)覽技術(shù)研究所需要的設(shè)備裝置簡單，需要無線路由器若干個、智能手機(jī)1部。本研究所使用無線裝置為TP-Link 1200M雙頻路由器若干，型號為TL-WDR5610；定位終端采用華為榮耀10，配備的操作系統(tǒng)為 Android 5.0，包含 WiFi模塊以及常用的傳感器裝置。

4 結(jié)語

室內(nèi)導(dǎo)航定位系統(tǒng)在大型商超、體育館、博物館的應(yīng)用越來越廣泛。傳統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)由于建筑物遮擋問題，無法適用于室內(nèi)導(dǎo)航定位。本研究提出了基于WLAN和慣性導(dǎo)航相融合的定位方法，能夠有效提高室內(nèi)定位精度。