基于無線指紋和mems傳感器的融合導(dǎo)航裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[000?]本發(fā)明涉及無線數(shù)據(jù)傳輸和定位分析領(lǐng)域，尤其涉及一種基于無線指紋和MEMS傳 感器的融合導(dǎo)航裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在過去的十年中，便攜式設(shè)備(例如：智能手機、平板電腦和智能手表)的市場一直 在超高速發(fā)展。這些便攜式設(shè)備已廣泛應(yīng)用于人們的生活，如短信、電話、導(dǎo)航、游戲、瀏覽 網(wǎng)站、社交媒體等。目前，這些便攜式設(shè)備大多數(shù)具備強大的處理器、無線收發(fā)器、全球?qū)Ш?衛(wèi)星系統(tǒng)(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)接收機和眾多傳感器。由于硬件 的普及和強力，這些便攜式設(shè)備已成為導(dǎo)航相關(guān)應(yīng)用的理想平臺。
[0003] 嵌入在便攜設(shè)備中的GNSS接收機可以在天空開放的環(huán)境下提供準(zhǔn)確的定位解決 方案，但他們不能很好地工作在諸如城市峽谷和室內(nèi)之類惡劣的環(huán)境中。在這些具有挑戰(zhàn) 性的環(huán)境里，通常會使用其他無線技術(shù)(例如，WiFi和藍牙)來取代或輔助GNSS接收機以提 供定位解決方案。在這些無線定位技術(shù)中，WiFi定位只使用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，而藍牙定位一 般設(shè)立低能耗藍牙(BluetoothLowEnergy，BLE)信標(biāo)。這些無線定位系統(tǒng)通常通過各種不 同的測量來估計目標(biāo)的位置，如到達時間（TimeOfArrival，Τ0Α)，到達時間差（Time DifferenceOfArrival，TD0A)，到達角度（AngleofArrival，Α0Α)，和接收信號強度 (ReceivedSignalStrength，RSS)。采用T0A，TD0A和Α0Α的無線定位系統(tǒng)復(fù)雜、昂貴，而且 在動態(tài)的室內(nèi)環(huán)境里性能差。這些系統(tǒng)還需要特殊的硬件，這使得他們無法得到現(xiàn)今主流 的便攜式設(shè)備的支持。相反，基于RSS的方法已被廣泛用于室內(nèi)無線定位系統(tǒng)，并且獲得現(xiàn) 有便攜式設(shè)備的支持。
[0004] 基于RSS的無線定位技術(shù)可分為兩類：三邊測量和指紋識別（Fingerprinting， FP)。三邊測量需要知道無線接入點(AccessPoints，AP)的位置。然后，通過無線傳播模型 將RSS值轉(zhuǎn)換成目標(biāo)與無線AP的距離。根據(jù)無線AP的位置和距離信息，使用最小二乘(Least SquareS，LSQ)估計目標(biāo)的位置。另一方面，基于指紋識別的無線定位系統(tǒng)包括2個階段:無 線指紋數(shù)據(jù)庫建立和實時定位。無線指紋數(shù)據(jù)庫建立階段通過測量測點的位置信息和相應(yīng) 的RSS值來生成無線指紋，并將指紋存儲下來建立無線信號地圖數(shù)據(jù)庫。實時定位階段采用 不同的方法將當(dāng)前的RSS值與無線信號地圖數(shù)據(jù)庫中的指紋匹配來確定目標(biāo)位置。一般來 說，無線指紋識別提供了比三邊測量更準(zhǔn)確的定位解決方案，然而，它需要更多的人力和時 間成本來建立數(shù)據(jù)庫。為了實現(xiàn)精確定位的解決方案，在這項專利中采用了無線指紋識別。
[0005] 基于指紋識別的無線定位系統(tǒng)通常有以下限制：1)無法提供完整的導(dǎo)航解(三維 位置、速度和姿態(tài)）；2)系統(tǒng)性能高度依賴于AP，如AP的分布和可用數(shù)量;3)這些系統(tǒng)幾乎都 無法提供高采樣率、平滑和連續(xù)的定位解;4)無線RSS值在惡劣的環(huán)境中經(jīng)常波動，這通常 是由反射、衰減和陰影造成的?；谥讣y識別的無線定位獨立系統(tǒng)很難消除這些限制。
[0006] 以微型機電系統(tǒng)（]\1：[(31'0416(31：1'01116(311&11；^&135^七61118，]\^1^)傳感器為基礎(chǔ)的相 對導(dǎo)航技術(shù)，可以潛在地減少這些無線定位系統(tǒng)的局限性。MEMS導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供一個完 整的具有較高的采樣率和平滑的導(dǎo)航解。此外，MEMS導(dǎo)航系統(tǒng)還是不受環(huán)境影響的獨立系 統(tǒng)。因此，這些MEMS導(dǎo)航系統(tǒng)還可用來填充在稀疏分布的無線AP環(huán)境中的定位間隙。然而， 由于便攜式設(shè)備中MEMS傳感器的噪聲影響，這些MEMS獨立導(dǎo)航解只能在短時間內(nèi)精確。因 此，這些MEMS導(dǎo)航系統(tǒng)需要無線信號來限制它們的漂移。由于無線指紋和MEMS傳感器的互 補特性，它們被融合起來實現(xiàn)更精確、更穩(wěn)定的導(dǎo)航解。
[0007] 現(xiàn)有的融合方法大多采用組合濾波器組來融合無線指紋解和MEMS導(dǎo)航解，融合結(jié) 果只反饋給MEMS傳感器來限制漂移。然而，融合的結(jié)果沒有反饋給無線指紋識別，無法提高 其性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于無線指紋和 MEMS傳感器的融合導(dǎo)航裝置和方法，達到提升導(dǎo)航精度和整個系統(tǒng)處理速度的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0009] ：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的基于無線指紋和MEMS傳感器的融合導(dǎo) 航裝置，包括:無線信號強度數(shù)據(jù)采集和處理模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集和處理模塊、數(shù)據(jù)融合 模塊以及若干個分布在不同位置的無線接入點，所述無線信號強度數(shù)據(jù)采集和處理模塊根 據(jù)待測目標(biāo)與無線接入點之間的無線信號強度信息獲取待測目標(biāo)的第一位置信息，所述傳 感器數(shù)據(jù)采集和處理模塊根據(jù)所述待測目標(biāo)的狀態(tài)變化信息獲取待測目標(biāo)的第二位置信 息，所述數(shù)據(jù)融合模塊將所述待測目標(biāo)的第一位置信息和第二位置信息進行融合根據(jù)融合 結(jié)果得到所述待測目標(biāo)的最終位置信息，并將所述融合結(jié)果反饋給所述無線信號強度數(shù)據(jù) 采集和處理模塊和所述傳感器數(shù)據(jù)采集和處理模塊。
[0010] 其中，所述無線信號強度數(shù)據(jù)采集和處理模塊包括:無線信號強度數(shù)據(jù)采集單元、 無線信號地圖數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)搜索確定單元、數(shù)據(jù)匹配單元;所述無線信號強度數(shù)據(jù)采集單元 接收所述待測目標(biāo)與無線接入點之間的無線信號強度信息;所述無線信號地圖數(shù)據(jù)庫為所 述數(shù)據(jù)搜索確定單元提供無線信號地圖數(shù)據(jù)庫;所述數(shù)據(jù)搜索確定單元根據(jù)所述無線信號 強度數(shù)據(jù)采集單元傳送過來的無線信號強度信息和所述數(shù)據(jù)融合模塊所反饋的上一時刻 融合結(jié)果為所述數(shù)據(jù)匹配單元選擇指紋搜索范圍；所述數(shù)據(jù)匹配單元在所述指紋搜索范圍 內(nèi)對所述待測目標(biāo)的無線信號強度信息進行指紋匹配得到當(dāng)前時刻所述待測目標(biāo)的第一 位置信息。為了后文實驗方便描述，將本文中改進的指紋識別稱作約束指紋識別 (ConstrainedFingerprinting，CFP)〇
[0011] 進一步地，無線信號強度數(shù)據(jù)采集單元包括:無線信號強度數(shù)據(jù)接收單元和無線 信號強度數(shù)據(jù)預(yù)處理單元，所述無線信號強度數(shù)據(jù)接收單元接收所述待測目標(biāo)與無線接入 點之間的無線信號強度信息并傳送給所述無線信號強度數(shù)據(jù)預(yù)處理單元，所述無線信號強 度數(shù)據(jù)預(yù)處理單元對所述無線信號強度信息進行消噪處理。
[0012] 其中，所述數(shù)據(jù)搜索確定單元包括搜索中心確定模塊和搜索范圍確定模塊，所述 搜索中心確定模塊根據(jù)所述無線信號強度數(shù)據(jù)采集單元根據(jù)所述無線信號強度信息確定 基本搜索范圍的中心，根據(jù)所述數(shù)據(jù)融合模塊所反饋的上一時刻融合結(jié)果作為拓展搜索范 圍的中心;所述搜索范圍確定模塊以所述基本搜索范圍的中心為幾何中心并根據(jù)預(yù)先設(shè)置 的搜索形狀確定基本搜索范圍，以拓展搜索范圍的中心為幾何中心并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的搜索 形狀確定拓展搜索范圍，再按照預(yù)先設(shè)定的合并方式將所述基本搜索范圍和所述拓展搜索 范圍進行合并得到當(dāng)前時刻的指紋搜索范圍。
[0013]其中，所述傳感器數(shù)據(jù)采集和處理模塊包括:傳感器數(shù)據(jù)采集單元和傳感器數(shù)據(jù) 處理單元;所述傳感器數(shù)據(jù)采集單元采集所述待測目標(biāo)的狀態(tài)變化信息，所述傳感器數(shù)據(jù) 處理單元根據(jù)所述狀態(tài)變化信息計算所述待測目標(biāo)的第二位置信息。
[0014]其中，所述數(shù)據(jù)融合模塊包括:組合濾波器和平滑濾波器，所述平滑濾波器對所述 待測目標(biāo)的第一位置信息進行平滑處理后傳送給組合濾波器，本發(fā)明中對改進的指紋識別 進行了平滑處理，為了方便后文描述，將經(jīng)過平滑處理后的約束指紋識別稱為平滑約束指 紋識別（SmoothedConstrainedFingerprinting，SCFP)，所述組合濾波器將平滑處理后的 所述第一位置信息和所述待測目標(biāo)的第二位置信息進行融合得到所述待測目標(biāo)的最終位 置信息。
[0015] 相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種基于無線指紋和MEMS傳感器的融合導(dǎo)航方法，包括 以下步驟：
[0016] 無線信號強度數(shù)據(jù)采集和處理模塊根據(jù)待測目標(biāo)與無線接入點之間的無線信號 強度信息獲取待測目標(biāo)的第一位置信息；
[0017] 傳感器數(shù)據(jù)采集和處理模塊根據(jù)所述待測目標(biāo)的狀態(tài)變化信息獲取待測目標(biāo)的 第二位置信息；
[0018] 數(shù)據(jù)融合模塊將所述待測目標(biāo)的第一位置信息和第二位置信息進行融合根據(jù)融 合結(jié)果得到所述待測目標(biāo)的最終位置信息，并將所述融合結(jié)果反饋給所述無線信號強度數(shù) 據(jù)采集和處理模塊和所述傳感器數(shù)據(jù)采集和處理模塊。
[0019] 進一步地，所述無線信號強度數(shù)據(jù)采集和處理模塊獲取所述待測目標(biāo)的第一位置 信息包括以下步驟：
[0020] 在定位區(qū)域內(nèi)進行位置信息采樣，將采樣點的位置信息和采樣點與無線接入點之 間的無線信號強度信息生成無線指紋并進行存儲，利用所述無線指紋建立無線信號地圖數(shù) 據(jù)庫；
[0021] 以所述待測目標(biāo)與無線接入點之間的無線信號強度信息為中心，以預(yù)先設(shè)置的搜 索形狀確定當(dāng)前時刻的基本搜索范圍，以上一時刻的融合結(jié)果為拓展搜索范圍的中心，以 預(yù)先設(shè)置的搜索形狀確定當(dāng)前時刻的拓展搜索范圍，再按照預(yù)先設(shè)定的合并方式將所述基