馮濤

摘要：考慮到當(dāng)前廣泛存在的室內(nèi)定位和導(dǎo)航需求，文章將用戶隨身攜帶的iPhone手機(jī)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過(guò)iPhone手機(jī)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(dòng)距離和方向，并對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)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(biāo)：最后實(shí)現(xiàn)室內(nèi)二維定位結(jié)果。實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確率。

關(guān)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(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，人一生中70%左有的時(shí)間是在室內(nèi)度過(guò)的，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)普及，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(dǎo)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(biāo)[2-3]．但在室內(nèi)環(huán)境中，由于受建筑物的阻擋，無(wú)線信號(hào)無(wú)法穿透建筑物的墻體，北斗和GPS系統(tǒng)將無(wú)法為用戶提供較精確的位置坐標(biāo)。室外定位是將人和地點(diǎn)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(lái)的智能制造、智慧城市和智慧建筑應(yīng)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(shí)上是在押注通往萬(wàn)物互聯(lián)的道路。隨著人們活動(dòng)的室內(nèi)空間日漸龐大和復(fù)雜，興趣點(diǎn)日漸豐富，室內(nèi)定位的服務(wù)場(chǎng)景也將日漸豐富起來(lái)，室內(nèi)定位服務(wù)場(chǎng)景具體如圖1所示。

目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)外在室內(nèi)定位技術(shù)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(lán)牙、超寬帶、射頻識(shí)別、紅外線、無(wú)線局域網(wǎng)、超聲波和WiFi等多種室內(nèi)定位技術(shù)[4-10]．但目前尚未出現(xiàn)一種無(wú)須布置大量的基礎(chǔ)設(shè)施且高可用高精度的室內(nèi)定位方法。本文考慮到iPhone手機(jī)上配置了慣性傳感器（加速度感應(yīng)器、陀螺儀和磁力計(jì)），同時(shí)蘋果公司提供了CoreMotion和CoreLoCation框架可用于獲取用戶的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。故將室內(nèi)定位技術(shù)與iPhone手機(jī)相結(jié)合，提出了基于iPhone的室內(nèi)二維定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

細(xì)數(shù)國(guó)外相關(guān)研究成果，有多項(xiàng)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(xué)院計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)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(fù)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(shí)現(xiàn)15 cm左有的3D定位，不過(guò)設(shè)備部署成本較高；除此之外，哈佛大學(xué)研發(fā)的MoteTrack系統(tǒng)、諾基亞公司采用藍(lán)牙技術(shù)推出HAIP方案等也都取得了不錯(cuò)的定位精度。

就國(guó)內(nèi)而言，近些年也出現(xiàn)了多項(xiàng)室內(nèi)定位系統(tǒng)。武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳銳志教授團(tuán)隊(duì)的高精度音頻定位系統(tǒng)在南京南站室內(nèi)進(jìn)行了系統(tǒng)精度、易用性等測(cè)試和評(píng)估，經(jīng)會(huì)議質(zhì)詢討論和現(xiàn)場(chǎng)考察測(cè)試，與會(huì)專家認(rèn)為音頻定位系的定位精度滿足預(yù)期要求，可為重點(diǎn)站區(qū)路地聯(lián)勤聯(lián)動(dòng)力量提供技術(shù)支撐。香港科技大學(xué)開發(fā)的LANDMARC系統(tǒng)，是基于射頻識(shí)別的室內(nèi)定位系統(tǒng)，平均定位精度可達(dá)1 m;北京航空航天大學(xué)開發(fā)的無(wú)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(xué)智能通信、導(dǎo)航與微納系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室鄧中亮教授團(tuán)隊(duì)以及清華大學(xué)劉云浩教授團(tuán)隊(duì)等都在室內(nèi)定位領(lǐng)域取得了不錯(cuò)的成果。

綜合國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)研究成果，盡管目前在室內(nèi)二維定位領(lǐng)域已取得了不錯(cuò)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(shù)，亟待一場(chǎng)技術(shù)革新和突破。

2 室內(nèi)二維定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 相關(guān)數(shù)據(jù)采集原理

在iOS開發(fā)中，蘋果公司提供了兩個(gè)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(dòng)距離和移動(dòng)步數(shù)等數(shù)據(jù)，具體為在queryPedometerData方法里通過(guò)distance屬性獲取移動(dòng)距離數(shù)據(jù)（startUpdates方法也可用，使用情況看具體問(wèn)題）；CoreLocation框架可用于獲取運(yùn)動(dòng)方向、方向精度等數(shù)據(jù)，具體為在代理方法 locationManager didUpdateHeading 里通過(guò)true Heading屬性獲取運(yùn)動(dòng)方向數(shù)據(jù)（magneticHeading屬性也可用于獲取運(yùn)動(dòng)方向數(shù)據(jù)）。

2.2 行人航跡推算方法介紹

PDR是一種無(wú)需部署基礎(chǔ)設(shè)施的自主性導(dǎo)航方法，實(shí)施起來(lái)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(shí)時(shí)累積計(jì)算行人的位置[11]。行人只需知道初始位置坐標(biāo)、變化的航向角以及移動(dòng)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(shí)刻（S+I時(shí)刻）的位置坐標(biāo)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(shí)刻（S+I時(shí)刻）位置Ps+1之間的移動(dòng)距離，θm表示初始位置Ps到下一時(shí)刻（.S+1時(shí)刻）位置Ps+1的運(yùn)動(dòng)方向角（與正北方向夾角）。參照公式（1），即可得下一時(shí)刻（S+1時(shí)刻）的估算位置Ps+1=（x+1，ys+1），依次遞推，即可估算出任意時(shí)刻的行人位置坐標(biāo)。

2.3 室內(nèi)二維定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)2.1節(jié)實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)采集后，即可得到定位所需的全部基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（移動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)方向數(shù)據(jù)），再運(yùn)用公式（1）即可估算出行人的位置坐標(biāo)信息，最終實(shí)現(xiàn)室內(nèi)二維定位。基于iPhone的室內(nèi)二維定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

3 室內(nèi)二維定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)登錄頁(yè)面

輸入用戶名和密碼，點(diǎn)擊登錄按鈕后即可進(jìn)入系統(tǒng)，即3.2節(jié)所示頁(yè)面。錯(cuò)誤輸入用戶名和密碼或忘記輸入用戶名和密碼會(huì)有相應(yīng)的出錯(cuò)提示，同時(shí)打開記住密碼的UISwitch則可以自動(dòng)保存用戶名和密碼，下次登錄時(shí)無(wú)需輸入。系統(tǒng)登錄實(shí)現(xiàn)頁(yè)面具體情況如圖3所示。

3.2詳情頁(yè)面

該頁(yè)面結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，導(dǎo)航欄title顯示為詳情，頁(yè)面主體包括兩部分按鈕，點(diǎn)擊進(jìn)入數(shù)據(jù)采集頁(yè)面按鈕和進(jìn)入二維定位頁(yè)面按鈕分別進(jìn)入到3.3節(jié)和3.4節(jié)所示頁(yè)面，詳情實(shí)現(xiàn)頁(yè)面具體如圖4所示。

3.3 相關(guān)數(shù)據(jù)采集頁(yè)面

頁(yè)面導(dǎo)航欄title顯示為數(shù)據(jù)采集，導(dǎo)航欄左側(cè)詳情按鈕點(diǎn)擊后可返回到3.2節(jié)所示頁(yè)面。進(jìn)入頁(yè)面后無(wú)相關(guān)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊開始更新運(yùn)動(dòng)方向和距離按鈕即可獲取用戶行走實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向和移動(dòng)距離數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊停止更新運(yùn)動(dòng)方向和距離按鈕則停止獲取用戶的運(yùn)動(dòng)方向和移動(dòng)距離數(shù)據(jù)，移動(dòng)距離和方向數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)頁(yè)面具體如圖5所示。

3.4 室內(nèi)二維定位頁(yè)面

頁(yè)面導(dǎo)航欄title顯示為室內(nèi)二維定位，導(dǎo)航欄左側(cè)詳情按鈕點(diǎn)擊后可返回到3.2節(jié)所示頁(yè)面。進(jìn)入頁(yè)面后無(wú)數(shù)據(jù)，需輸入初始X和Y坐標(biāo)，點(diǎn)擊開始更新位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)按鈕即可獲取用戶行走時(shí)的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊停止更新位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)按鈕則停止更新用戶的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)。忘記輸入初始X和Y坐標(biāo)而直接點(diǎn)擊開始更新位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)按鈕會(huì)有相應(yīng)的錯(cuò)誤提示。室內(nèi)二維定位實(shí)現(xiàn)頁(yè)面具體如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于行人隨身攜帶的iPhone手機(jī)進(jìn)行了室內(nèi)二維定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并在iPhone 12手機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，具備一定的準(zhǔn)確率與易用性，但隨著長(zhǎng)時(shí)間的定位，會(huì)存在較大的累計(jì)誤差。后續(xù)工作將考慮設(shè)計(jì)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(jì)誤差。

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（編輯沈強(qiáng)）