指纹和PDR的室内定位系统

来自 搜狐网 的图片

指纹和PDR的室内定位系统基于Wi-Fi指纹和PDR的室内定位系统，定位系统是一种用于确认某个需要定位的人或者物体在某时刻的位置而构建的相互关联的设备或者集合。定位系统可以保证在设备上显示当前设备任意时刻的位置，最具代表性的系统当属GPS。

我国在“十二五”计划之后启动了“羲和”计划，目的是构建一个为国内应急救援服务的室内定位服务。计划中指出，要创新建立北斗远海域定位导航与通信融合技术体系，突破北斗海上恶劣环境下无基准站定位3~5m精度的瓶颈， 定位精度达厘米级。“羲和”系统是我国自主研发的室内外高精度定位导航，2008至2018的十年时间从零到推出第一部能够实现1米级别的定位精度的国产智能手机。它被社会寄予带动大众化应用万亿产值的厚望。

技术方案

Wi-Fi定位

本系统中采用的Wi-Fi定位方法是指纹定位法，选择该方法的主要原因是虽然Wi-Fi信号的离线构建指纹数据库的阶段，场地栅格化(如图2.1所示)、网格点信号指纹采集、数据库矫正处理等繁琐且耗时的工作，但是相比于其他Wi-Fi定位方法，采集指纹建立数据库的方法实现成本低，而且随着算法的改进，指纹库精度匹配的精度也随之增加。

Wi-Fi的“位置指纹”就像每片树叶的纹理一样，是指一个位置对应一个独有的特点。指纹可以是单维度的也可以是多维度的。而Wi-Fi指纹即是指在每个位置对应的路由器的信号强度RSS。Wi-Fi指纹定位的技术是利用路由器信号衰减的特性，每个点的信号特征进行数据分类的方法。Wi-Fi定位具有很多优点：定位实现成本低，实现原理简单等。但是Wi-Fi定位的缺点也是显而易见的：1、离线采集工作量大。2、室内定位不同于室外定位的一点就是室内的物品较多，这些物品都将成为影响Wi-Fi定位的因素。3、Wi-Fi定位结果是离散的，这会让定位结果的显示看起来非常的不流畅。

步行者航位推算

步行者航位推算即Pedestrian Dead Reckoning（以下简称PDR）。PDR位置推算方法是使用上一次的点的坐标加上这次行走的步长在x、y轴上的映射长度即为下一次的坐标点。PDR算法具有很多的优点：1）对设备性能要求低。PDR算法的时间复杂度是O(1)，可以在低性能的设备上快速计算出结果。2）硬件设备要求不高。现在大多数的智能手机都配备了加速度传感器和磁感应传感器只需要有这两个传感器即可实现PDR算法。3）短时间内精度较高。PDR定位算法由于自身的特点，它的短时间内定位效果要好于其他效果的，误差很低。PDR算法的缺点也很明显：1）需要知道初始位置。PDR算法是需要一个初始位置用于后续坐标的计算的，可以手动设置初始位置，也可以由其他算法提供初始位置。2）长时间定位误差较大。长时间定位的情况下由于受到地磁信号的干扰，PDR定位会产生较大的误差，这个时候需要一个矫正的方法。

步行者航位推算的主要实现方法是使用上一时刻的点的坐标叠加运动的方向和距离计算出下一时刻的位置。 PDR定位算法原理如图所示：

卡尔曼滤波

卡尔曼滤波器是由1930年出生在匈牙利的数学家卡尔曼发明的。典型的卡尔曼应用程序是在一组有限的观察序列中预测对象的位置和速度，这些观察序列在对象的位置中包含噪声。现在，你可以在许多应用程序中找到卡尔曼滤波器，例如雷达和计算机视觉。卡尔曼滤波器将在融合定位算法中使用，它可以过滤掉PDR算法中的噪声。

融合技术方案

针对Wi-Fi定位结果离散、PDR算法需要初始位置用于后续坐标的计算、PDR算法具有累计误差等缺点，本系统利用的是基于Wi-Fi指纹和PDR融合的室内定位系统。本系统是采用Wi-Fi的定位作为PDR算法的初始位置，同时利用PDR进行连续的定位，在连续定位的同时，会定期的获取Wi-Fi定位来修正PDR定位，假如PDR存在累计误差，特别是在拐角处容易产生误差，那么系统就会获取Wi-Fi定位来修正当前的行走轨迹，此外，再加上卡尔曼滤波器对融合算法后的定位结果进行一个滤波修正，得到了我们最后的定位位置。

创新设计

Wi-Fi指纹定位部分

Wi-Fi指纹定位算法有多种，简单的有NN、KNN、余弦相似度，复杂的随机森林、神经网络分类。考虑到实现复杂度的原因，本系统选择使用了较为简单的集中算法。经过实验发现NN效果没有KNN和余弦估计好，于是使用KNN和余弦相似度修改，使用KNN算法筛选出K个坐标点，然后计算K个点的余弦相似度值，并且按从小到大的顺序排序，最后将余弦相似度的值作为权重赋予到最后的坐标计算中。

步行者航位推算部分

PDR算法的实现原理并不复杂，最重要的是需要获取行人的步数和每步的旋转角度，对于这些参数可以通过手机自带的传感器及安卓API获取，我们只需要简单的计算即可得到所有需要的参数。

融合定位算法

在上述中介绍到Wi-Fi扫描的时候会出现缺失AP的情况，那我们进行定位的时候也很有可能出现缺失AP，虽然不常见，但是一旦出现将会对结果造成很严重的影响。但是我们不知道扫描出来的Wi-Fi是否有缺失，这种情况下我选择使用简单过滤器。

关键技术

本系统实现了离线Wi-Fi指纹采集，在线Wi-Fi定位，Wi-Fi和PDR融合实时定位的一体化功能，不同于其他的只有单个功能的系统。其中地图部分实现了坐标转换、矢量化、栅格化等操作；移动终端数据采集部分，利用移动终端APP采集坐标点的RSSI等无线信息，即指纹信息上报到服务器端LC（Location Controller）；移动终端在线Wi-Fi定位部分，利用移动终端APP打开Wi-Fi定位版块，实时上报指纹信息到LC（Location Controller），经简单处理后上报给服务器端的PS（Position Server），与原有采集的数据比对，计算并拟合最优的坐标点，在服务器端输出后并反馈给APP界面显示；移动终端Wi-Fi和PDR融合实时定位部分，打开移动终端APP的定位版块，利用Wi-Fi定位实时修正PDR定位，在APP界面实时展示定位效果，同时在服务器端输出定位坐标。

本系统主要由手机、无线网络基础设施（AP、AC）和定位服务平台三部分组成，其中移动定位设备是一加6t，服务器使用的戴尔Inspiron 15-7567。实验共使用了5个路由器，均为TP-LINK WDR7660千兆版的路由器，实验使用的测距仪是小米有品的激光测距仪。