[发明专利]一种基于指纹校准和指纹转换的室内定位方法

摘要

本发明公开了一种基于指纹校准和指纹转换的室内定位方法。本发明首先将平面目标区域分为若干相互不重叠的定位区域，并将每个定位区域划分为大小相近的栅格；采用不同终端设备在每个栅格中对信号强度多次采样，获得栅格支撑指纹集；在每个栅格内，校准不同终端设备中未接收到的信号强度；采用不同频段阈值对不同频段AP进行AP筛选，获取栅格指纹；结合栅格指纹与测试指纹，改变栅格指纹与测试指纹的形式；最后采用NN算法进行定位。本发明能提高异构设备定位准确度，减少指纹对比工作量和减少指纹采集工作量。

主权项

一种基于指纹校准和指纹转换的室内定位方法，其特征在于，包括栅格划分步骤、栅格支撑指纹集获取步骤、基于栅格的指纹校准步骤、基于双阈值的AP筛选步骤、栅格指纹获取步骤、栅格指纹与测试指纹转换步骤和测试指纹位置评估步骤；AP指无线信号接入点；(1)栅格划分步骤：将平面目标区域分为若干个相互不重叠的定位区域，并将每个定位区域划分为大小相近的栅格，记所述平面目标区域的栅格个数为G；(2)栅格支撑指纹集获取步骤：采用M(M≥2)个不同的终端设备在每个栅格中对信号强度进行多次采样，得到的第m个设备的第i次采样为其中，表示第m个设备第i次采样的第e个AP的信号强度值，fe表示第e个AP所在的频段；所述频段指WIFI频段；i＝1,2,…Nsa(m)，e＝1,2,…Nm(i)，Nsa(m)表示第m个设备在相应栅格中采样的次数，不同的设备采样次数可以不同；Nm(i)表示第m个设备第i次采样获取的AP数量，m＝1,2,…,M，M表示该栅格中的终端设备数量；然后对每种终端设备的指纹取平均值其中，表示第m个设备接收到第k个AP的采样序列的集合，表示集合的大小，rmk表示第m个终端设备的指纹中第k个AP的各次采样的平均信号强度值，k＝1,2,…,Nm，Nm为第m个终端设备在Nsa(m)次采样中接收到的AP的数量；对于任意给定的一个栅格，得到第m个终端设备的指纹：Fm=[(rm1,f1),...,(rmk,fk),...,(rmNm,fNm)];]]>fk表示第k个AP所在频段，该栅格的栅格支撑指纹集为F＝{F1,F2,…,FM}；(3)基于栅格的指纹校准步骤：在每个栅格内，根据各个终端设备均接收到的AP的信号强度值，通过求各个终端设备指纹中AP交集的平均来求取每个终端设备的校准因子，各终端设备对应的每个校准因子均为标量，校准因子用于计算设备中未接到的部分AP的信号强度，第m个终端设备的校准因子表示为Δm，通过各个终端设备的校准因子计算该终端设备相对其他终端设备未接收到的AP的信号强度；在每个栅格内，基于栅格的指纹校准包括以下子步骤：(3‑1)对每个栅格，将栅格支撑指纹集中的各终端设备的指纹，构造成一个M×N维的RSS(Received Signal Strength，接收到的信号强度)矩阵RM×N：RM×N=r11r12...r1o...r1N..................rm1rm2...rmo...rmN..................rM1rM2...rMo...rMN]]>其中，rmo表示第m个设备接收到的第o个AP的信号强度值；如第m个设备未接收到第o个AP，则将rmo用0表示，需要通过校准得到该AP的信号强度值；N表示所有终端设备接收到的AP的总数，o＝1,2,…,N；N≥Nm，m＝1,2,…,M；用Am表示第m个设备接收到的AP集合，Auni和Aint分别表示栅格中M个终端设备接收到的AP集合的并集和交集，则有：Auni=∪m=1m=MAm,Aint=∩m=1m=MAm;]]>N表示所有终端设备接收到的AP的总数，N＝|Auni|；表示第m个设备接收到的AP集合相对所有设备接收到的AP集合的补集，对该设备而言，在该集合中的AP的信号强度需要通过校准得到；(3‑2)根据集合Aint中AP的信号强度值，求取每个终端设备的校准因子Δm：Δm=1|Aint|Σv=1v=|Aint|(rmv-r‾v),m=1,2,...,M---(1)]]>其中，表示被所有终端设备都接收到的第v个AP信号强度的平均值，v＝1,2,…|Aint|；(3‑3)利用校准因子Δm，对于属于集合(Auni‑Aint)中的第j个AP，j＝1,2,…,|Auni‑Aint|采用如下公式计算在未接收到该AP的部分终端设备中的信号强度的校准值rmj：rmj,m∈Dj‾-1M(Σm∈Djrmj+Σm∈Dj‾rmj)=Δm,m∈Dj‾---(2)]]>其中，集合Dj表示接收到第j个AP的终端设备的集合，集合为集合Dj的补集，表示未接收到第j个AP的终端设备的集合，如果有个终端设备未接收到第j个AP，则共有个线性方程来求解个未知量；(4)基于双阈值的AP筛选步骤：采用所在WIFI频段信号强度的阈值，对于存在校准值的AP进行AP筛选；根据不同设备的信号强度筛选AP，去掉被剔除的AP及该AP在所有设备中的信号强度；当存在至少一个设备的信号强度小于相应频段的阈值时，则剔除该AP；(5)栅格指纹获取步骤：在每个栅格中，对于选择的每个AP，计算其在每个终端设备的指纹中的信号强度均值，从而得到每个栅格的栅格指纹，第g个栅格的栅格指纹表示为Ng表示栅格中经过AP筛选步骤得到的第g个栅格质量较高的AP的数量；(6)栅格指纹与测试指纹转换步骤：令待定位的测试指纹为Nt表示测试指纹Ft中接收到的AP的数量；求取测试指纹与栅格指纹AP集合的交集，并分别计算测试指纹与栅格指纹在交集中的所有AP的信号强度的均值，最后将测试指纹与栅格指纹在交集中的AP的信号强度分别减去上述计算的均值，得到指纹的最终转换形式；具体转换过程如下：(6‑1)求取栅格指纹与测试指纹AP交集的相应信号强度值：Bg和Bt分别表示第g栅格指纹与测试指纹的AP集合，这两个AP集合的交集可表示为Bint＝Bg∩Bt；在栅格指纹与测试指纹中，仅选择包含于集合Bint中的AP，重新构成栅格指纹与测试指纹，则第g个栅格指纹与测试指纹可表示为和|Bint|表示集合Bint的大小；(6‑2)求取指纹Fgint和Ftint中所有信号强度值的平均值分别为：r‾g=1|Bint|Σu=1u=|Bint|rgu,r‾t=1|Bint|Σu=1u=|Bint|rtu,u=1,2,...,|Bint|;]]>rgu与rtu分别表示栅格指纹Fg与测试指纹Ft第u个AP的信号强度；(6‑3)得到的第g个栅格指纹和测试指纹最终的转换形式：F~g=Fgint-r‾g=(rg1-r‾g,rg2-r‾g,...,rg|Bint|-r‾g);]]>F~t=Ftint-r‾t=(rt1-r‾t,rt2-r‾t,...,rt|Bint|-r‾t);]]>式中是栅格指纹的最终转换形式，是测试指纹的最终转换形式；栅格指纹是通过栅格支撑指纹集获取、基于栅格的指纹校准、基于双阈值的AP筛选、栅格指纹获等步骤取得，每个栅格中都存在一个栅格指纹；测试指纹是用户想要知道自己位置时，通过WiFi扫描得到的指纹；采用最邻近算法对测试指纹进行位置评估，计算得到的测试指纹与栅格指纹最终转换形式的欧式距离D(F~t,F~g)=1|Bint|Σu=1|Bint|((rtu-r‾t)-(rgu-r‾g))2]]>选择欧式距离最小的栅格的栅格中心作为该测试指纹的评估位置。