基于PDR和地磁的手机端室内定位系统研究
发布时间：2021-04-09 05:08
随着移动设备和移动通信技术的广泛使用,基于位置服务在生活中发挥着越来越重要的作用,人们对于定位技术的需求已经从室外延伸到了室内,然而传统的卫星导航定位技术由于信号受到建筑物的遮挡,无法满足室内定位的精度。室内定位技术成为了国内外研究的热点,并且形成了多种室内定位技术共存的局面,其中WiFi、蓝牙、超宽带等网线网络定位技术都依赖于基础设施。利用智能手机运动传感器的行人航位推算技术具有短时间定位精度高、无需基础设施的优点受到广泛关注,另外,地磁信号因其稳定性好、室内无缝覆盖的特点在定位方面具有巨大潜力。文中利用手机作为定位终端,充分利用手机的加速度计、陀螺仪和磁力计,分析了行人航位推算技术和地磁定位技术,并探讨两种技术的粒子滤波融合方法,最后在手机端进行了室内定位系统的初步验证。本文研究内容主要包括:（1）提高了行人航位推算技术的适应性。针对传统手机PDR算法受限于手机携带方式的问题,文中提出基于模式识别的PDR算法,利用手机加速度信号,通过采用“数据采集、数据处理、特征提取、分类识别”的流程,利用K近邻算法对手机的使用模式进行了识别,并在基础上提出了基于俯仰角的步频探测算法,并通过实验验...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
行人航位推算基本原理
硕士学位论文10图2-3利用有限状态机进行步频探测Figure2-3Stepdetectionusingfinitestatemachine表2-1有限状态机中的阈值Table2-1Thresholdinfinitestatemachine名称Input含义加速度输入运动检测阈值峰值阈值谷值阈值步态结束阈值4）自相关法相关分析算法利用行人连续运动产生的加速度序列之间的相似性计步，因为行人行走时，加速度值呈周期性变化，所以同一人的行走周期仅在小范围内发生变化。求出当前行走周期与上一时刻的行走周期之间的加速度的自相关性，就能根据自相关性的值来判断行人的运动状态[71]。自相关系数计算公式如下：10[(()(,))(()(,))](,)(,)(,)ktkamkumtamktumttxmttmtmtt==+++=+（2-5）式中u(m,t)和(m,t)表示加速度序列{a(k),a(k+1),a(k+t1)}的均值和标准差。因为不同行人或者同一人不同时刻的步频不同，所以行走周期t需要动态确定，使自相关系数(m,t)达到最大值的t即为行走周期。maxmin(,)max(((,)))ttttmtxmt===（2-6）5）频谱分析法使用快速傅里叶变换等方法对行人在时间周期T内的加速度数据进行频谱分析，得到加速度幅值的频谱图，通过基频位置的波峰的高度是否大于预设的阈值，判断行人是否行走一步，用基频乘以数据时长，计算出行人在时间周期T内的步数。2.2.2步长估计使用加速度数据能够很好地估计步长，已经有多种步长估计方法，常见的方
硕士学位论文12图2-4地理坐标系和手机坐标系Figure2-4Geographiccoordinatesystemandmobilephonecoordinatesystem由于智能手机中的加速度数据和磁力计数据是在手机坐标系下的，而PDR导航定位的目的是获得行人在地理坐标系中的位置，因此有时需要对坐标系进行变换。手机坐标系与地理坐标系的关系可以使用欧拉角表示，分别为偏航角、俯仰角和翻滚角。为航向角，表示绕Z轴旋转，代表设备的Y轴与磁北方向的夹角；为俯仰角，表示绕X轴旋转，表示代表设备的屏幕与平行于地面的平面之间的夹角，假设设备的下边缘面向用户，屏幕是朝上的，那么将设备的下边缘向地面倾斜就会产生一个正的俯仰角度；为翻滚角，表示绕Y轴旋转，表示垂直于设备屏幕的平面与平行地面的平面之间的夹角，假设设备的底部边缘面向用户，屏幕是朝上的，将设备的右边向地面倾斜会产生一个正的滚动角。手机坐标系可由地理坐标系与旋转矩阵得到，由欧拉角组成的旋转矩阵如下:coscossincossinsincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscosbnC=++++（2-10）当手机处于静止状态时候，加速度三轴输出值和重力矢量的关系可用式2-11表示，g为重力加速度，为导航系到手机坐标系的旋转矩阵，则利用式2-12可以得到俯仰角和翻滚角：[]=[00]=[]（2-11）{=2(,√2+2=arctan2(,)（2-12）磁力计测得手机坐标系下的地磁强度(h,,),导航系中的地磁强度为，它们的关系可以用式2-6表示，理想情况下偏航角可以由磁力计输出值计算得到。
本文编号：3126979
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
行人航位推算基本原理
硕士学位论文10图2-3利用有限状态机进行步频探测Figure2-3Stepdetectionusingfinitestatemachine表2-1有限状态机中的阈值Table2-1Thresholdinfinitestatemachine名称Input含义加速度输入运动检测阈值峰值阈值谷值阈值步态结束阈值4）自相关法相关分析算法利用行人连续运动产生的加速度序列之间的相似性计步，因为行人行走时，加速度值呈周期性变化，所以同一人的行走周期仅在小范围内发生变化。求出当前行走周期与上一时刻的行走周期之间的加速度的自相关性，就能根据自相关性的值来判断行人的运动状态[71]。自相关系数计算公式如下：10[(()(,))(()(,))](,)(,)(,)ktkamkumtamktumttxmttmtmtt==+++=+（2-5）式中u(m,t)和(m,t)表示加速度序列{a(k),a(k+1),a(k+t1)}的均值和标准差。因为不同行人或者同一人不同时刻的步频不同，所以行走周期t需要动态确定，使自相关系数(m,t)达到最大值的t即为行走周期。maxmin(,)max(((,)))ttttmtxmt===（2-6）5）频谱分析法使用快速傅里叶变换等方法对行人在时间周期T内的加速度数据进行频谱分析，得到加速度幅值的频谱图，通过基频位置的波峰的高度是否大于预设的阈值，判断行人是否行走一步，用基频乘以数据时长，计算出行人在时间周期T内的步数。2.2.2步长估计使用加速度数据能够很好地估计步长，已经有多种步长估计方法，常见的方
硕士学位论文12图2-4地理坐标系和手机坐标系Figure2-4Geographiccoordinatesystemandmobilephonecoordinatesystem由于智能手机中的加速度数据和磁力计数据是在手机坐标系下的，而PDR导航定位的目的是获得行人在地理坐标系中的位置，因此有时需要对坐标系进行变换。手机坐标系与地理坐标系的关系可以使用欧拉角表示，分别为偏航角、俯仰角和翻滚角。为航向角，表示绕Z轴旋转，代表设备的Y轴与磁北方向的夹角；为俯仰角，表示绕X轴旋转，表示代表设备的屏幕与平行于地面的平面之间的夹角，假设设备的下边缘面向用户，屏幕是朝上的，那么将设备的下边缘向地面倾斜就会产生一个正的俯仰角度；为翻滚角，表示绕Y轴旋转，表示垂直于设备屏幕的平面与平行地面的平面之间的夹角，假设设备的底部边缘面向用户，屏幕是朝上的，将设备的右边向地面倾斜会产生一个正的滚动角。手机坐标系可由地理坐标系与旋转矩阵得到，由欧拉角组成的旋转矩阵如下:coscossincossinsincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscosbnC=++++（2-10）当手机处于静止状态时候，加速度三轴输出值和重力矢量的关系可用式2-11表示，g为重力加速度，为导航系到手机坐标系的旋转矩阵，则利用式2-12可以得到俯仰角和翻滚角：[]=[00]=[]（2-11）{=2(,√2+2=arctan2(,)（2-12）磁力计测得手机坐标系下的地磁强度(h,,),导航系中的地磁强度为，它们的关系可以用式2-6表示，理想情况下偏航角可以由磁力计输出值计算得到。
本文编号：3126979
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