基于地磁傳感器的室內導航解決方案

邢珍珍

摘 要：目前人們對室內導航的需求越來越大，針對該情況本論文分析了基于位置的服務（Location Based Service，LBS）和室內導航相關技術的應用現狀，提出了一套能夠綜合利用手機上集成的各類加速度傳感器、陀螺儀傳感器、地磁場傳感器等搜集用戶數據來建立的室內導航系統的解決方案。本文對地磁數據采集、室內地磁定位和導航的實現三個方面進行了分析和說明。

關鍵詞：室內導航；位置服務；地理信息

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

Abstract：Currently，the demand for indoor navigation is growing，for this case，the paper analyzed the location-based services（Location Based Service，LBS）and indoor navigation related technologies，proposed a set of possible utilization of all types of mobile phone integrated acceleration sensor，a gyro sensor，a geomagnetic sensor to collect user data to create an indoor navigation system solution.The paper analyzed and explained the realization of the geomagnetic data acquisition，indoor geomagnetic positioning and navigation.

Keywords：indoor navigation；location services；geographic information

1 引言（Introduction）

人類信息的80%與地理信息相關，人類活動80%的時間都處于室內，室內地理信息的研究顯得尤為重要。例如在機場等大型公共建筑內部，人流復雜，尋找一條通向目的位置的路徑很不直觀。再如，目前大多數駕駛員通過依靠路牌和經驗尋找停車場，現有指示標志不能精確引導駕駛員到達正確的停車位。目前雖然有很多基于GPS的地圖軟件能夠提供導航服務，但定位信號到達地面時較弱，不能穿透建筑物，所以無法完成室內精確定位。室內導航被稱為“最后一公里”。隨著移動互聯網蓬勃發展，各種基于位置的服務應用層出不窮[1]。本文通過研究討論導航與LBS在地理信息領域中的關鍵技術，確定了一種利用智能手機內置的地磁場傳感器、加速度傳感器和陀螺儀傳感器，實現室內導航的方法。為解決室內導航的問題提供了一條路徑。

2 關鍵技術（Key technology）

2.1 LBS技術

LBS是基于位置的服務，它是通過外部定位方式（如GPS）或者通信運營商的無線電通訊網絡（如GSM網、CDMA網）獲取移動終端用戶的位置坐標信息，在GIS（Geographic Information System，地理信息系統）平臺的支持下，利用運營商平臺為用戶提供相應服務的一種增值業務。

LBS系統主要包括幾個方面：空間位置獲取系統、LBS平臺的管理、地理信息系統（GIS），以及提供移動終端業務服務等方面。

2.2 地磁數據采樣

為了能夠準確使用數據，需要對地磁數據進行獲取和采樣。首先應該處理建筑平面圖，將建筑物中不重要的雜物刪掉，確定最能體現建筑地地理位置特征的點，也即導航關鍵點，并完成這些關鍵點的地磁數據采樣及存儲，建立地磁數據地圖，綁定建筑物的地磁坐標圖和平面圖。

2.3 定位技術

（1）WiFi技術

WiFi技術是一種能夠將個人電腦、手持設備等終端以無線方式互相連接的技術。在生活中越來越普及。首先，iPhone手機占據了中國手機市場的27%以上，但是iPhone手機不開放WIFI開發接口，所以iPhone手機的WIFI正向定位無法實現。若是通過WiFi反向定位，需要具備反向功能AP，這種專業AP售價較高，定位精度約為5米，耗時耗力，成本較大。

（2）地磁定位技術

地磁定位技術采用識別環境中的地磁信號來進行精準定位，無需預先鋪設信號源，不用依賴環境中的任何硬件條件，并且主流的蘋果和安卓手機都開放了地磁傳感器的開發接口，通過手機自帶的感應器即可進行定位。另外，地磁信號穩定性好，定位精度高，平均達到1—3米[2]。所以地磁定位技術可以為各類移動應用提供簡單便捷的室內定位導航解決方案。

現有智能手機上采用的電子羅盤、加速度傳感器可以不停提供加速度和運動方向信息，它們可以用于反復逼近設備的運動軌跡。將這些信息與周期性的采樣數據不斷結合就可以估算出用戶的軌跡和位置信息[3]。

2.4 室內導航技術

室內導航是在室內定位的基礎上，結合室內地圖數據的分析，室內地理信息系統給出規劃路線。為了確定用戶與目的地間的最佳路徑，使用最短路徑算法作為導航算法。最短路徑算法一方面需要估算用戶到達目的地的最佳路徑，另一方面需要盡可能降低實際復雜度。由于Dijkstra算法計算復雜度低，處理潛在稀疏圖的效率高[4]，所以確定核心算法為Dijkstra算法。

2.5 Android

Android是一種基于Linux的半開源操作系統，主要用于移動設備，如智能手機和平板電腦，由Google和開放手持設備聯盟開發與領導。在本論文的方案中，程序界面基于Android軟件開發工具包開發，將位置信息和路徑保存進數據庫，并且可以根據數據庫中累積的數據為用戶提供定位和尋路等方面的信息。

3 總體方案（Overall plan）

本論文提出的是一個室內導航系統解決方案，希望可以彌補傳統導航產品在室內導航中的精度不夠或者無法定位等問題。

我們需要通過三個方面來達到目標：首先，通過手機確定在建筑中的位置。第二，確定到達目的地的最佳路線。第三，需要一個直觀的界面來展示給用戶。所以所對應的應用系統主要包括三個部分：定位、導航和用戶界面，其中定位模塊通過地磁定位技術追蹤用戶的當前位置。導航模塊負責執行Dijkstra算法來找到起始點和目標點的最短路徑的同時，盡可能確保路線設計的合理性，再通過地圖匹配算法將其關聯到地圖上。第三部分，也即用戶界面模塊負責通過圖形與用戶產生交互，將結果反饋給用戶。系統結構圖如圖1所示。

本方案重點在于數據采樣、定位及導航部分，具體實施如下：

首先使用Android智能手機注冊最高精度的地磁數據變化監聽，獲取機身坐標系下的三個方向的地磁數據分量，之后為這三個方向的地磁數據建立世界坐標系下的映射。建立映射完成后，通過步行完成對建筑物地磁數據的采樣，對應建筑平面圖，對地磁數據和建筑地物理坐標進行整合，建立地磁數據地圖，之后對獲取的數據進行濾波處理，將單位采樣點單位時間內獲取的奇異點數據進行過濾，從而得到單位時間內單位采樣點的特征地磁數據，并對數據進行存儲。

其次，使用上述方式獲取用戶當前位置點的實時地磁數據。

第三，將實時地磁與地磁數據地圖中的地磁進行匹配定位。具體方法如下，將獲取的實時地磁特征數據和數據庫中的地磁數據地圖采樣數據進行比對，找到特征數據接近的物理坐標點，完成首次查詢，并將所有備選坐標進行緩存。用戶行走一段距離后進行第二次查詢，再次對所有備選坐標進行緩存，計算得到兩次緩存之間距離最近的點，作為定位物理坐標。

在確定首個定位物理坐標之后，對加速度傳感器及陀螺儀傳感器進行注冊，根據物理坐標及設備即時移動速度及方向進行慣性導航，并通過實時數據驗證來驗證定位坐標的準確性，如果驗證不準確，則繼續查找，確定坐標點，如果準確則繼續進行慣性導航。

最后，通過上述方法獲的用戶當前位置點，并在地磁數據地圖中尋找最近導航關鍵點，根據Dijkstra算法生成兩點之間的導航路線。

系統方案流程圖如圖2所示。

4 結論（Conclusion）

本文以基于Android平臺的LBS應用服務開發為線索，提出了一套能夠綜合利用智能手機上集成的各類加速度傳感器、陀螺儀傳感器、地磁場傳感器等來實現室內導航的解決方案。并對地磁數據采集、室內地磁定位和導航的實現進行了分析和說明。本論文只討論了基礎條件下利用智能手機自帶導航估計用戶的位置，在后續擴展中將考慮融合圖像識別、WIFI和移動網絡定位等技術，能夠使得室內導航的定位效果更及時、更準確。

參考文獻（References）

[1] WU H S，et al.A Spatio-Temporal Data Model for RoadNetwork in Data Center Based on Incremental Updatingin Vehicle Navigation System[J].Chinese Geographical Science，2011，21（3）：346-353.

[2] 周軍，等.地磁導航發展與關鍵技術[J].宇航學報，2008，29（5）：1467-1472.

[3] 孫新香.基于三軸加速度傳感器的跌倒檢測技術的研究與應用[M].上海：上海交通大學，2008.

[4] 張渭軍，王華.城市道路最短路徑的Dijkstra算法優化[J].長安大學學報（自然科學版），2005，25（6）：62-65.