PDR算法对地磁室内定位精度的提升研究

利用建筑物中金属结构引起的地磁场扰动可以对室内的行人目标进行定位,而且基于地磁场的定位无需布设任何额外设施,因此可以以低成本实现定位。但仅靠单一的地磁技术无法满足室内定位的精度要求。为了解决磁场数据中单点定位的模糊性问题,本文提出了一种利用粒子滤波算法将PDR与地磁相融合的室内定位方法,并开发了地磁室内导航系统,以智能手机为硬件平台构建磁力计传感器模型,建立匹配轨迹的均方误差准则并实现PDR累积误差实时校正的迭代计算。在68 m×1.8 m的试验区域内,产生的平均定位误差为1.13 m,最大定位误差为2.17 m。本文算法的定位精度比单独PDR算法提升了42%;与单一地磁指纹匹配算法相比,定位精度提高了57%。试验证明,本文提出的融合算法对提高室内定位精度具有显著的作用。     

融合地磁/WiFi/PDR的自适应粒子滤波室内定位

随着国民经济的快速发展,人们在室内活动的时间越来越长,室内空间环境也越来越复杂,对室内环境的位置与导航服务的需求也越来越高。由于地磁信号具有稳定性的特点,且WiFi技术已得到广泛部署,融合使用地磁和WiFi定位具有一定的优势。因此,本文基于Android系统智能手机作为接收设备,融合地磁、WiFi及行人航迹推算（PDR）技术,通过自适应粒子滤波模型和随机抽样一致性算法对采集的信号进行处理。试验证明,地磁、WiFi、PDR三者融合进行室内定位的方法与其他单类方法相比,实现了将室内定位精度的误差最小降低到1.02 m。     

PDR+BLE融合的室内实时定位方法

由于导航卫星信号在室内被遮挡,室内定位技术逐渐成为泛在导航定位领域的研究热点。行人航迹推算(PDR)和低功耗蓝牙(BLE)定位是惯性定位和射频信号定位的常用定位手段,PDR定位连续稳定但存在累积误差,BLE定位无误差累积但定位精度较差。为此,本文面向室内复杂环境行人自主定位需求,对PDR和BLE的实时融合定位展开了研究。首先针对PDR误差累积问题,提出了BLE临近校正PDR的改进算法;然后针对BLE定位粗差大的的问题,提出了基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的自适应抗差PDR+BLE融合定位算法。试验结果表明,相比传统算法,BLE临近校正PDR算法定位精度提高了19%,基于EKF的自适应抗差融合定位精度提高了21%,定位精度和稳定性都有显著提升,在室内定位领域中具有较高的适用性和可扩展性。     

基于粒子滤波的PDR/地磁指纹室内定位

针对行人航位推算(PDR)定位存在误差累积和地磁指纹不唯一导致的误匹配问题,本文改进了基于粒子滤波的PDR/地磁指纹室内定位方法.在PDR定位过程中利用地图信息控制粒子权重更新,得到较为准确的位置信息后,利用动态时间规整(DTW)算法在PDR推算位置基础上进行快速序列匹配,获取最优位置估计.试验结果表明,融合定位方法有...     

一种融合WiFi/地磁/PDR的室内定位方法

提出了一种改进的粒子滤波方法,利用室内常见的WiFi信号、地磁源并结合智能手机廉价传感器进行室内定位。WiFi室内定位错误匹配情况较少,地磁指纹室内定位具有较强的抗干扰能力,本文利用两者的优点并结合PDR提供连续的位置信息。与传统的粒子滤波相比,采用MD-DTW（多维动态时间规整算法）对粒子定权并提出分段粒子定权的方法对粒子序列长度进行约束,能有效加快粒子滤波收敛速度。仿真试验表明利用改进的粒子滤波进行定位结果可达1 m,有较强的实用性。     

WiFi-PDR室内组合定位的无迹卡尔曼滤波算法

针对当前室内定位的应用需求和亟待解决的关键问题,结合城市室内环境下广泛存在的WiFi无线信号以及智能手机传感器信息,提出了一种WiFi无线信号联合行人航迹推算(PDR)的室内定位方法。该方法采用无迹卡尔曼滤波(UKF)算法对WiFi和PDR定位信息进行融合处理,有效克服了WiFi单点定位精度低和PDR存在累计误差的问题。针对融合算法中WiFi指纹匹配计算量大的问题,用k-means聚类算法对WiFi指纹库进行聚类处理,降低了指纹匹配算法的计算量,提高了算法的实时性。通过在华为P6-U06智能手机平台上实际测试,在时间效率上经过聚类处理后系统定位耗时有很大程度的改善,平均降幅为51%,其中最大降幅达到64%,最小的也达到了36%;在定位精度上,当室内人员为行走状态时WiFi定位平均误差为7.76m,PDR定位平均误差为4.57m,UKF滤波融合后平均定位误差下降到1.24m。     

基于移动智能终端的PDR/iBeacon融合室内定位

针对单传感器室内定位存在累积误差大、连续性差的问题，本文顾及行人航迹推算(PDR)与低功耗蓝牙信标(BLE Beacon)良好的互补性，研究了基于移动智能终端的融合PDR/iBeacon的室内定位算法：首先，采用电子罗盘和陀螺仪互补修正航向角法降低了PDR的累积误差，其次结合离线指纹库并利用加权K近邻法实现了iBeacon指纹定位，最后基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)实现了PDR/iBeacon融合定位。两组实测结果表明，相较于传统的PDR,电子罗盘和陀螺仪互补修正航向角方法有效地抑制了航向误差的累积。室内行人航程为39和60 m时，融合PDR/iBeacon定位的平均误差分别为0.560、1.802 m,相比改进的PDR和iBeacon指纹定位精度提高了11.81%、25.53%和26.66%、11.75%。融合PDR/iBeacon的室内定位能降低PDR的误差累积和iBeacon定位的波动性，满足用户室内定位的需求。     

稀疏地磁点位辅助PDR室内定位研究

针对室内定位中仅使用PDR定位时出现的误差较大,以及PDR地磁组合定位实时匹配中存在的处理运算量大、实时性差、地磁采集耗时长,过于浪费人力、物力、财力等问题,文中提出通过稀疏的地磁点位辅助PDR进行室内定位,采集地磁时仅采集具有代表性地方的地磁定位,其余地方仅使用PDR定位,当在室内行走时行进到事先采集好的关键点时对P...     

一种基于智能手机的室内融合定位方法

随着室内无线终端与智能手机的快速发展,室内定位技术成为近几年的研究热点之一。本文研究了基于低功耗蓝牙(BLE)和行人航位推算(PDR)技术,利用扩展卡尔曼滤波(EKF)进行融合处理的室内定位方法。该方法包含3部分:①离线阶段利用蓝牙指纹快速采集方法建立指纹库,在线阶段利用加权K邻近算法进行指纹定位;②利用手机内置传感器准确估计航向角,并结合步态识别算法和步长估计算法推算行人位置;③利用EKF对两种定位结果进行融合,获取最优位置估计。试验结果表明,融合定位方法的平均定位精度为1.17 m,90%的概率定位精度达到2 m。     

基于数据与模型双驱动的音频/惯性传感器耦合定位方法

北斗卫星导航系统已于2020年实现全球覆盖。在开阔的室外环境,北斗可提供厘米级的定位服务,正向着更泛在、更融合、更智能的综合时空体系迈进。目前高精度室内定位技术处于百花齐放、百家争鸣的状态,尽管苹果支持的超宽带技术在市场中拥有优势,但是5G、音频和蓝牙测角等可支持所有大众手机的技术在市场中也具备竞争力。室内定位目前主要面临部署成本高、定位精度低、信号覆盖范围小和系统泛化能力差等难题。多源融合定位技术是解决这些难题的重要途径之一,特别地,融合低成本惯导定位源和高精度射频/音频定位源是目前具备实用价值的融合定位组合。行人航迹推算(pedestrian dead reckoning,PDR)定位源具有抑制积分误差累积的优势,但是由于用户手机握持姿态的复杂性和手机惯性传感器硬件的差异性,其在相对定位精度、手机泛化能力和多握持姿态支撑等方面也存在劣势,此外,受步频的影响,PDR定位源的位置更新率低于2 Hz。为了实现低成本、高精度和广覆盖的室内定位解决方案,本文提出了一种数据与模型双驱动的多源融合定位新范式,其中数据驱动的PDR部分通过构建神经网络模型,训练加速度传感器和陀螺仪测量值特征,学习速度变化矢量,推算高精度行人航迹,模型驱动部分为将数据驱动输出的相对航迹与高精度定位源输出的观测量通过扩展卡尔曼滤波,实现融合定位输出。试验结果表明,基于数据驱动的PDR方法可提供20 Hz的位置更新率,与高精度音频定位源融合,可实现0.23 m的动态定位精度。     

一种基于改进UKF滤波的GPS+PDR组合定位方法

针对接收信号质量恶化的环境,提出了一种适用于信号遮蔽环境的改进GPS+PDR组合定位算法。该方法用短时间内的陀螺仪积分数据校正数字罗盘的航向偏差,在一定程度上消除了数字罗盘受到的偶发干扰。采用约束残差的无迹卡尔曼滤波（UKF）算法对GPS和行人航迹推算（PDR）定位信息进行融合处理,有效克服了PDR定位中累积航向误差产生的位置漂移问题,提高了算法的定位精度和稳定性。试验结果表明,改进算法能有效抑制数字罗盘的漂移误差,航向相对误差平均降低56%;行人步行时,GPS定位标准误差为2.67 m,单纯PDR定位标准误差为6.83 m;随机给予若干点GPS数据辅助定位,标准误差降至3.12 m;全程融合GPS与PDR定位,标准误差可降至1.94 m。     

融合UWB+PDR的室内定位方法改进

近年来,随着科技的进步和创新,对室内定位的研究正朝着多技术互补融合的方向发展,将导航技术与室内定位相融合成为目前的研究热点。行人航位推算(PDR)和超宽带(UWB)技术以其独特的定位优势和精确度等众多优点成为室内定位的主流技术,但PDR由于其累积误差的影响只适用于短时间内高精度室内导航需求,而超宽带在复杂环境中,时间信息可能会严重失真,导致定位信息缺失。因此,本文利用扩展卡尔曼滤波(EKF)对两者进行融合改进,以此发挥各自技术优势。试验结果表明,定位解算的终点误差最大为0.819 5 m,最小为0.144 3 m,平均误差为0.347 8 m,位置平均误差为0.475 0 m,有效提升了室内定位的精度。     

环境语义信息辅助的室内停车场车辆定位方法

针对室内停车场环境下GNSS信号受限,无法进行车辆定位的问题,本文提出了一种环境语义信息辅助的室内停车场定位方法。该方法基于智能手机,首先在使用机器学习识别室内停车场中环境语义信息(减速带、转弯)的基础上,建立了室内停车场路网的拓扑结构,然后利用粒子滤波算法对传统车辆航位推算定位数据进行了融合。试验结果表明,该方法有效消除了车辆航位推算的累积误差,平均定位精度达3 m以内,并通过语义信息匹配减少了传统粒子滤波方法的运算时间。     

基于环境光修正的行人航迹推算

针对室内定位存在单一定位精度低,以及组合定位成本高、不易实现的问题,提出了一种利用环境光修正行人航迹推算（PDR）的方法。该方法利用智能手机采集的加速度、陀螺仪和磁力计数据实现PDR位置估计;同时利用手机的光线传感器实时获取所在位置的环境光强度信息,基于采集的室内环境光强度信息修正PDR轨迹中产生的累计误差。经试验数据分析,该方法可以有效地解决PDR轨迹中产生的累计误差,可为大型超市、地下停车场、隧道、矿井等室内光照强度较为稳定的区域提供定位技术帮助。     

地图匹配辅助的KF-PF室内定位算法模型

针对使用智能手机进行行人航迹推算（pedestrain dead reckoning,PDR）时航向角漂移,定位精度不高,误差累积的问题,提出了一种地图匹配辅助的卡尔曼滤波-粒子滤波（Kalman filter-particle filter,KF-PF）多重滤波算法对PDR算法进行优化。在传统PDR算法的基础上,使用KF融合陀螺仪数据和地图信息解算航向角,然后采用基于地图匹配的粒子滤波算法对轨迹结果进行处理。实验结果表明,该方法消除了航向角误差过大对定位结果的影响,在提高室内定位的灵活性的同时增强了定位的稳定性和精度,并通过地图匹配减少了传统粒子滤波采样点数,降低了运算量,使其在手机平台上实时运行成为可能。     

GNSS/地磁组合的室内外无缝定位平滑过渡方法

针对室内外无缝定位在室内外过渡点精度低、不能平滑自动切换等问题,结合GNSS定位技术以及室内地磁指纹节点的组合方法来实现室内外无缝定位及导航。由于从室外至室内时接收机接收到的卫星星数减少、GDOP值逐渐增加、定位的误差增大,因此室内地磁定位精度逐渐优于GNSS定位精度,在两个定位精度临界点通过分析计算得出GDOP最优转化范围值,进行平稳切换。此次试验仿真结果表明,GDOP在3~3.5进行切换与单一GNSS或地磁方法定位的精度相比,分别提高85.7%和82.6%,从而达到了室内外的高精度无缝定位,填补了国内外在室内外无缝定位上没有合适的切换界定的空白。     

复杂环境下智能手机RTK+PDR融合定位

针对室外复杂环境下智能手机定位精度低、抗干扰能力不足的问题,本文利用手机GNSS观测值和手机内置IMU数据,采用RTK和PDR算法融合定位,对比分析了小米8和华为Mate20X两款手机的GNSS数据质量和融合定位算法性能,以及不同观测条件下融合算法的定位精度和稳定性。试验结果表明,在良好和复杂两种观测条件下,采用RTK算法定位精度分别为1.8 m和4.6 m;采用RTK+PDR融合算法定位精度分别为1.2 m和2.6 m,在两种环境下,RTK+PDR融合算法的精度分别提高了50%和76%,即显著提高了智能手机在室外复杂环境下的定位精度。     

采用无线信号测距加权的室内协同定位

随着基于位置服务应用的普及,室内外无缝定位已成为下一代定位系统的核心,但是精确的室内定位至今仍是难点问题。众多学者提出过无线信号定位算法,然而无线信号具有不稳定性,且需要事先建立信号特征指纹数据库,这给定位带来了误差和繁琐性。通过对室内环境中超宽带信号测距结果分析以及对快速生成无线信号数据库方法的探讨,提出一种基于多用户测距约束的融合多传感器信息的协同室内定位算法。该算法利用粒子滤波集成了航向推算数据、WiFi数据、用户间测距以及室内地图等信息。测距约束能够剔除由于信号不稳定或数据库没有及时更新造成的误差。通过集成室内采集的数据,验证了该算法能够有效提高室内定位精度及稳定性。结果表明该算法比航向推算或WiFi定位结果提高了40%以上。     

室内行人移动行为识别及轨迹追踪

作为室内位置服务的基础,室内定位技术近年来得到了广泛的关注。针对现有室内定位技术存在成本高、精度有限以及效率不足等问题,提出了一种融合人类活动识别、行人航迹推算(pedestrian dead recko-ning,PDR)以及地标匹配修正等技术的室内行人位置推算方法。该方法使用基于智能手机的PDR技术来估算用户的位置信息,而人类活动识别技术则用来感知用户室内移动行为中的特定地标,利用这些地标信息来辅助修正PDR轨迹中产生的累积误差。此外,为了解决用户初始位置未知的问题,引入隐式马尔科夫模型进行推断,并提出了一种顾及室内环境特征的维特比算法来确定用户轨迹。实验结果显示,所提方法在提高室内行人移动行为识别和定位精度的同时,有效实现了用户室内轨迹的追踪。     

一种基于快速动态时间规整的地磁定位算法

针对地磁序列匹配定位中动态时间规整算法计算耗时长、实时性差的问题,该文提出一种基于快速动态时间规整的地磁定位算法。该算法首先利用粗粒度化的方法缩短地磁序列长度,得到"粗粒度"化的地磁数据;然后采用减小搜索空间的策略快速得出匹配地磁数据与指纹数据的相似距离和规整路径;最后将"粗粒度"化的地磁数据与规整路径再规整回原来地磁数据序列的大小。在该文提出的定位算法中,缩短地磁数据长度与控制搜索空间的策略较好地改善了地磁序列匹配定位的计算耗时问题。实验结果表明,当匹配定位的地磁序列数据长度为100时,基于快速动态时间规整的地磁定位算法的平均定位误差为1.31 m,均方根误差为1.44 m,且其单次定位时间比动态时间规整算法缩短了2.63 s,算法执行效率提升了78.5%。该文提出的地磁定位算法在保证定位精度的同时加快了算法运行速率,能满足室内定位实时性的需求,具有较高的应用价值。