基于Android手机的室内盲区定位技术的研究与实现.pdf资源-CSDN文库

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1 绪论

1.1 引言

随着各种智能化设备和移动 4G 通信的普及，基于位置的服务功能得到了拓展，这

使得智能终端快步发展，不仅科研上对此重视，在商业上更是有广阔的用途，因此如何

得到准确的位置信息，是未来的发展方向。本文在 Android 智能终端提供的传感器的基

础上，对行人的步频、步长及其方向的算法进行了研究，实现了基于 Android 手机的室

内盲区定位。

1.2 研究背景及意义

最近几年来，地理位置信息在日常生活中的各个方面（导航定位、医疗保健、消防、

安全等）都扮演者很重要的角色。并且随着科技与大数据时代的到来，地理位置信息是

他们的重要信息来源，为许多的科学研究，商业发展定位和政策的制定提供了可靠的依

据。智能手机的发展促进了人们对移动网络的需求，与此同时 GPS（全球定位系统，

Global Positioning System）在日常生活的定位活动中扮演着越来越重要的角色。GPS 也

逐步演变为全球定位系统 A-GPS，它是根据 GPS 信号和手机移动信号结合来进行定位

的。可是现在的建筑物都比较高大密集，甚至会有地下室，在这些地方卫星信号被遮挡

而导致定位系统的性能大大退化，甚至不能获取位置信息，这就不能满足长时间处于室

内环境中的用户的需求。图 1.1 展示了 LBS（基于位置服务）在各种室内场景下的应用。

图 1.1 LBS 在各种室内场景下的应用

(1)大型建筑物的室内定位和导航技术

[1]

在一些空间结构大而复杂的室内，且行人不熟悉室内的环境，就会导致行人容易迷

失方向，此时行人就需要能确定自己位置的设备，比如室内定位系统，此时便可以找到

万方数据

西安科技大学全日制工程硕士学位论文

自己想找的位置、产品、店铺、出口等，方便快捷的到达行人的目的地。

(2)精准投放商业广告

行人携带有定位系统的设备时，可以通过这个设备得到行人在商场停留的位置及时

间，商家把这些数据分析整理之后，得出消费者的消费需求和消费习惯，以此为依据来

向消费者投入和发送广告、促销和打折的信息。

(3)公共安全

在大型的商场、地下停车场、地铁站等没有 GPS 信号或者 GPS 信号弱的地方突然

发生火灾等危险的事件时，可以通过室内定位系统得到被困人员的位置信息，同样也可

以向被困人员推送搜救人员的位置信息，这样可以使救援事件大大缩短，有利于快速准

确的解救被困人员，把伤亡损失减到最小。

(4)寻找走失的伙伴

在小孩儿或者老人的身上装上带有定位系统的设备，如果小孩儿或者老人在大型建

筑物中走失，可以通过室内定位系统快速准确的找到走失的小孩儿或者老人。

由此可以看出室内定位技术能够给人类的生活、工作带来极大的好处，因此研究人

员耗费很多工夫并致力于发展并设计室内定位技术。

1.3 室内定位技术研究现状

迄今为止，室内定位技术

[2][3]

已经研究出了很多种方案和产品，对此进行简单的介

绍。

(1)蓝牙室内定位技术

蓝牙室内定位技术利用手机里蓝牙信号的强度进行定位。该技术不仅需要手机的蓝

牙功能，而且还需将蓝牙基站安装在需要定位的环境中，通过检测蓝牙的信号强度，利

用三角定位原理得到设备的位置信息。由于每个点的蓝牙信号强度是不一样的，因此可

以利用这种差异来对行人进行定位，其准确度可以达到亚米级。

(2)超宽带定位技术

超宽带（Ultra-Wideband，UWB）定位技术主要是把无限个人局域网（Wireless

Personal Area Network，WPAN）通信技术的具备低功耗与超大宽带（通常大于 500MHz）

的超宽带技术运用起来了。UWB 能同时实现传统窄宽带无线通信系统所不能做到的通

信与定位，且更加的简单、安全、节能，在室内运动或者静止物体的追踪方面也有着很

好的表现。UWB 的定位精度之所以可达到亚米级，并且多径分辨力强的原因是在移动

设备中植入多种传感器，同时对于待定位标签的位置采用 TDOA 结合 AOA 算法做精确

的计算。UWB 技术之所以不能被普遍的应用开来的原因有三点：首先是 UWB 不能在

手机上实现；其次是因为用 UWB 覆盖室内的大部分区域是很困难的；最后是因为用

UWB 定位需要很高的成本。

万方数据

1 绪论

(3)超声波定位技术

超声波定位技术是利用超声波信号来判断物体与设备之间的距离来计算设备的位

置信息的。和声波一样，超声波（Ultrasound）是描述声压周期性震动，但是它的频率是

以人听不到的频率来震动。室内超声波技术与医学上的超声波定位原理类似，首先给信

标节点安装超声波发射器，之后信标节点控制超声波的频率在一个特定的值，然后开始

发射超声波。当三个以上监听超声的机器监听到声波脉冲时，同时记录下声波脉冲的到

达时间，最后利用夺标定位的方法来确定信标节点的位置。采用此类方法定位的精度略

差，只能应用于定位范围在十米之内。这是因为信道自身不可忽略的衰减，声波的多径

效应，以及多个信号之间的串扰。而且由于声波定位技术必须在已经装有超声波信号装

置的环境中使用，导致搭建环境比较麻烦。

(4)LED 定位技术

总的来说 LED 定位技术是使用手机的摄像头接收特定 LED 灯发来的信号，然后在

手机上对这些信号依次做检测验证、计算分析、定位。而手机接收的信号必须是具有特

殊规则与频率的信号。该定位技术对手机摄像头的对准方向没有特殊要求，在任何位置

都可以接收反射的光信号。LED 定位精度在 1 米以内。这种方法精度高但是没能大范围

应用的原因是要求 LED 灯要安装定制的硬件芯片，这导致 LED 灯的成本上升，因此没

有能够推广开来。

(5)ZigBee 室内定位技术

ZigBee 室内定位技术的基本原理是三角形定位算法，以此来分析和计算设备的位置

信息。这一点是与蓝牙定位算法类似，并且它们必须先把基站的模块安装到房间内的特

定位置，另外一方面为 ZigBee 量身定制的定位模块与基站因为某些原因并没有很多的

应用，在需要定位的区域一般都需要新安装设备。基于以上两个原因，ZigBee 定位技术

的发展与应用受到比较大的阻碍。

(6)WiFi 室内定位技术

在一个被 WiFi 热点 AP(Access Point)覆盖的区域内，不同的地方通过设备测得的信

号强度不同。利用这个特性 WiFi 室内定位技术得以实现。在生活中，很多大型的建筑

物，例如大型写字楼、商场、机场等地方已经覆盖了 WiFi 信号。鉴于这样优越的现状，

越来越多的利用 WiFi 定位原理的室内定位软件被开发出来，而且都各有特色。但是 WiFi

室内定位技术的运用还是会依赖于室内环境，在大部分没有 WiFi 的环境中还是不可用

的。

(7) PDR 行人航迹推算

PDR 定位技术离不开传感器测得的数据，传感器精度越高，最终推算的结果越准确。

PDR 定位技术有三个要素和一个轨迹推算算法。三个要素依次是行人行进的步数、行人

每一步的行走的步长、行人每一步前进的方向。这三个要素需要通过加速度传感器、磁

万方数据

西安科技大学全日制工程硕士学位论文

阻传感器和陀螺仪来获取。好的轨迹推算算法可以推测出准确的轨迹，最终确定准确的

行人位置。由于 PDR 定位技术的数据均来自于设备自身，而不受限于周围环境因素，

所以它的定位精度比其他的定位技术要高。

(8)信标室内定位技术

信标室内定位技术离不开定位器，一个定位器可以以特定的规律将带有定位信息的

信号向自身所在环境中发送出去；在楼层空间内安装多个定位器，当行人进入一个定位

器的管辖范围内时，行人自身的定位标签会接收到这个定位的信号，之后定位标签把本

区域定位器的 ID 号码和接收到的信号一并传送到附近基站上去；信号到达多个基站后，

基站与引擎服务器取得联系，并把接收到的信息与自身 ID 号码和定位时间一并交出；

而最终的定位信息和轨迹的推算全部由引擎服务器根据基站上传的数据来计算和分析

出来。

表 1.1 各个定位技术的比较

定位技术

原理

优点

缺点

蓝牙室内定位技术

蓝牙信号强度的三角定位

技术

定位精度高亚米级

环境中需蓝牙基站

超宽带定位技术

基于 UWB 脉冲信号，采用

TDOA 和 AOA 定位算法

多径分辨能力强，定

位精度可达亚米级

手机不支持 UWB，且

UWB 难以实现，成本

高

超声波定位技术

基于超声波信号识别物体

三维空间内可以实现

完美的定位和判断

需要在环境中安装超声

波信号盒子

LED 定位技术

LED 灯具发出一定规律和

频率的光信号，在使用智

能手机摄像头接收该光信

号

精度高

需要使用特殊的芯片，

特定的 LED 灯具，成

本高

ZigBee 室内定位技

术

ZigBee 的三角定位原理

环境适应度高，精度

高

需要布置 ZigBee 基站

和 ZigBee 定位模块

WiFi 室内定位技术

WiFi 热点的信号强度

环境适应度高

需要在定位环境中覆盖

WiFi 信号

PDR 行人航迹推算

基于传感器信息计算相对

位置

不受外界环境影响，

定位精度较高

获取相对位置，累积误

差

信标室内定位技术

获取定位通信基站、定位

器和定位标签的 ID 号及时

间获得移动轨迹

低延时，定位精度高

需要在环境中布置通信

基站与定位器

万方数据

1 绪论

综合各个室内定位的特点，发现蓝牙、超声波、LED、ZigBee、WiFi、信标这些室

内定位技术都需要在特定的环境中才能实现室内定位；超宽带室内定位技术因为三个原

因阻碍着其顺利发展，首先用 UWB 覆盖室内大部分区域是一个不小的困难，然后是使

用超宽带技术定位的成本很昂贵，最后是因为 UWB 不能再手机上运用；而 PDR 行人航

迹推算定位算法的数据来自于设备自身的传感器，不会受到外界影响，并且定位的精度

比较精确。基于以上分析本文选择 PDR 行人航迹推算算法在 Android 手机上进行实现。

但是由于 PDR 行人航迹推算算法是在专业的惯性器件上实现的，而手机上的惯性传感

器的精度没有专业的惯性器件高，因此可能影响整个设计的精度，而其实现较为简单，

成本低，利于推广，是值得研究探索的。

1.4 室内盲区定位系统的整体架构

本文的主要研究内容是利用 Android 手机实现室内定位，图 1.2 是定位系统的整体

结构设计。

行人轨迹显

示与位置信

息发送

室内盲区定

位

室外百度地

图定位

定位终端

显示终端

接收并显示

行人的位置

Socket通信

图 1.2 室内定位系统的整体架构

本室内定位系统由定位终端和显示终端两个部分组成：

1、定位终端：定位终端有三个模块，分别是百度地图定位模块、室内定位模块、行

人行走路线的显示以及其位置信息发送模块。本文重点研究的是室内定位模块中的步频、

步长和方向算法。

2、显示终端：接收定位终端发送的行人位置信息并显示其运动轨迹。

本文将常见的几种室内定位技术进行的介绍及对比，针对于本文的应用领域和技术

要求，在 Android 手机上利用 PDR 行人航迹推算算法，根据移动终端和人体运动特点采

集行人行走的传感器数据，通过旋转矩阵将行人的加速度投影到大地坐标系中，在此基

础上得到行人的步数、步长以及行人的行走方向，最终在装有 Android 系统的手机上开

发出室内盲区定位系统。

1.5 论文主要内容和结构安排

本文的主要内容：

万方数据

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