融合WiFi/地磁信息的室内混合定位技术研究

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目前,利用GPS、北斗等卫星定位技术在室外很容易实现精度低于1m的定位服务,而室内环境的复杂性阻碍了室内定位技术的发展,至今没有统一的室内定位标准,使得室内定位成为定位导航领域的研究热点之一。为了获得低成本、高精度的室内定位结果,许多相关领域的学者加入室内定位技术的研究之中,提出了各式各样的室内定位技术和方法,但是室内环境的复杂性、动态性以及封闭性增加了室内定位的难度,如何获得低成本、高精度的室内定位服务仍具有一定的挑战性。在众多室内定位技术中,WiFi、地磁定位技术因其信号易获取、分布广等特点而成为被重点研究的室内定位方案。基于指纹匹配的WiFi定位技术存在信号容易受到环境干扰、定位精度较低以及建库成本高等问题,而以粒子滤波算法为匹配策略的地磁指纹定位,由于初始化范围广、更新方程中存在误差等因素,定位结果也不理想。为了获得高精度的室内定位结果,本文分析了 WiFi、地磁的相关性质和特点,提出了 WiFi/地磁相融合的室内定位算法,使用WiFi定位结果矫正地磁粒子滤波算法中存在的不足,降低地磁定位时的系统误差,从而提高室内定位的精度。本文工作主要包括以下几个方面:(1)WiFi/地磁性质分析:以Android Studio为平台开发数据采集软件,规划实验区域指纹分布,分别采集各指纹点的WiFi、地磁信息,重点对WiFi信号中RSSI和地磁在不同影响因子下的变化规律进行探究,为下文指纹库的建立提供一定的理论支持。(2)指纹数据处理:由于采集的WiFi和地磁原始数据不适合直接用来建库,本文采用多次采集WiFi信号并求取均值从而降低RSSI波动性对定位精度的影响,以K-Means均值聚类对WiFi信息进行分类,降低定位时匹配指纹的数量从而减少匹配时间;通过载体坐标系与世界坐标系下的地磁信息转换,增加地磁指纹的稳定度,地磁三轴数据代替地磁强度作为指纹,提高匹配的维度,增加匹配率。(3)WiFi/地磁混合室内定位算法:基于WiFi、地磁信号的特性,提出融合室内定位算法,借助WiFi定位克服地磁粒子滤波算法中的不足,提高室内定位精度。该方法使用WiFi构建初始区域,提高粒子滤波算法粒子初始的准确度;同时为了解决状态更新方程中粒子的累计误差对定位结果的影响,构建实时的WiFi定位区域并判断其与更新后粒子位置的重复度,当重复度低于阈值时对系统粒子重新初始化,以此纠正粒子群的位置,降低累积误差对定位结果的影响。(4)混合定位算法精度验证与分析。结合定位算法在实验区域选取若干的测试点与路径,自主编写程序对WiFi、地磁定位以及混合定位算法进行精度测试。实验表明,提出的融合定位算法在精度与稳定性上均优于单一的WiFi或地磁定位,最小定位误差为0.56m,平均定位精度在2m以内。
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