地圖輔助行人航跡推算技術(shù)的室內(nèi)定位方法

胡 倩，張文超，魏東巖，袁 洪

(1. 中國科學(xué)院大學(xué)微電子學(xué)院，北京 100049； 2. 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094)

0 引言

室內(nèi)位置服務(wù)在人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦邪l(fā)揮著重要作用。雖然全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Naviga-tion Satellite System, GNSS)可以提供比較可靠的室外定位導(dǎo)航服務(wù)，但不適用于室內(nèi)環(huán)境[1-3]。為了解決該問題，目前研究人員已經(jīng)提出許多室內(nèi)定位解決方案，如激光、超聲波定位技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)和基于超寬帶的定位技術(shù)等，但是這些技術(shù)需要較大的前期基礎(chǔ)設(shè)施投入，人力和時(shí)間成本較高。與以上幾種定位方法不同，行人航跡推算(Pedestrian Dead Reckoning，PDR)技術(shù)僅依賴慣性傳感器，受外界干擾小，在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下，短時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到較好的定位效果。但是慣性導(dǎo)航解算算法屬于一種遞推式導(dǎo)航方法，通過連續(xù)測得載體的角度變化和加速度來計(jì)算其導(dǎo)航信息，大多數(shù)便攜式移動(dòng)設(shè)備內(nèi)置的慣性傳感器工藝有限，且精度不高[4]，導(dǎo)致PDR的誤差隨時(shí)間迅速增長，定位結(jié)果變差。

為了減少這種累積誤差，通常需要融合其他定位方法，常用的方法是用WiFi數(shù)據(jù)輔助修正軌跡，如文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]分別采用極大似然和擴(kuò)展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter，EKF)算法融合WiFi數(shù)據(jù)和PDR結(jié)果，但是該方法通常需要預(yù)先采集WiFi信號(hào)的強(qiáng)度數(shù)據(jù)。若使用室內(nèi)地圖信息參與導(dǎo)航解算過程，算法便捷且成本較低。從慣性傳感器數(shù)據(jù)中可以檢測出行人在室內(nèi)的移動(dòng)行為信息，將其與地圖信息進(jìn)行匹配，可以約束行人的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而提高定位精度及穩(wěn)定性。

在地圖輔助定位相關(guān)研究中，文獻(xiàn)[7]基于條件隨機(jī)場融合室內(nèi)地圖信息和PDR定位結(jié)果，提出了一種輕量級(jí)的地圖匹配技術(shù)，采用維特比算法得到最終定位結(jié)果，但定位精度有待提升；文獻(xiàn)[8]提出了一種結(jié)合地圖信息的步數(shù)計(jì)算算法，可校準(zhǔn)步距和方向，提高了步長算法的性能；文獻(xiàn)[9]提出了采用卡爾曼濾波融合PDR和室內(nèi)地標(biāo)點(diǎn)的算法框架，同時(shí)為PDR算法提供新起點(diǎn)，以校正整個(gè)系統(tǒng)的累積誤差；文獻(xiàn)[10]通過對(duì)加速度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，識(shí)別站立、行走、上下樓梯和乘電梯等行為，并與相應(yīng)的地標(biāo)進(jìn)行匹配，對(duì)室內(nèi)行人位置進(jìn)行校正，但存在較大誤匹配問題；文獻(xiàn)[11]基于地圖信息檢測室內(nèi)特殊位置，并將其定義為路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)對(duì)PDR的累積誤差進(jìn)行校正，但只是點(diǎn)位置校正；文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了一種級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的卡爾曼粒子濾波算法，將傳感器信息和室內(nèi)地圖信息融合，以約束行人軌跡發(fā)散問題，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算量較大。

本文在分析上述問題的基礎(chǔ)上，通過研究行人運(yùn)動(dòng)和室內(nèi)地圖的特點(diǎn)，提出了一種地圖輔助的室內(nèi)定位方法。該方法采用EKF融合量測數(shù)據(jù)和PDR的定位結(jié)果，并結(jié)合地圖信息以優(yōu)化室內(nèi)行人運(yùn)動(dòng)軌跡。主要貢獻(xiàn)包括：提出了一種多地標(biāo)匹配方法，能夠有效提高地標(biāo)匹配的準(zhǔn)確率；使用通行路徑和墻面信息輔助約束定位點(diǎn)航向和位置；采用EKF融合地圖校正點(diǎn)和PDR的定位結(jié)果。

1 地圖輔助的融合定位方案

本文采用卡爾曼濾波算法融合PDR和地圖校正點(diǎn)。圖1所示為融合定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。在PDR解算過程中，陀螺儀的測量值用于計(jì)算導(dǎo)航坐標(biāo)系和載體坐標(biāo)系之間的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣，加速度計(jì)測量值通過該姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣投影到導(dǎo)航坐標(biāo)系，然后經(jīng)過對(duì)時(shí)間的一次積分得到載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度，二次積分即可得到位置。但是，由于低成本微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)慣性器件(特別是陀螺儀)測量誤差隨時(shí)間增長迅速，導(dǎo)航誤差在短時(shí)間內(nèi)迅速累積。因此，引入地標(biāo)信息進(jìn)行位置修正，將PDR解算結(jié)果視為狀態(tài)量，地標(biāo)信息視為量測量，更新解算結(jié)果。針對(duì)航向發(fā)散問題，通過檢測行人是否位于走廊等區(qū)域，判斷軌跡是否穿墻，采用地圖信息對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行約束。

圖1 融合定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of fusion positioning system

2 基于地標(biāo)檢測的位置約束算法

所謂地標(biāo)點(diǎn)，即為傳感器讀數(shù)呈現(xiàn)獨(dú)特、穩(wěn)定、可識(shí)別變化模式的定位點(diǎn)。對(duì)于一個(gè)地標(biāo)點(diǎn)，在數(shù)學(xué)上做如下定義

LP={(x,y,z),(R1,…,Rm)}

(1)

式中，(x,y,z)為地標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)；(R1,…,Rm)為不同類型傳感器讀數(shù)下的檢測規(guī)則，一類地標(biāo)點(diǎn)可以有多種檢測規(guī)則。

2.1 地標(biāo)點(diǎn)檢測

傳感器是地標(biāo)點(diǎn)檢測的基礎(chǔ)，不同傳感器輸出的數(shù)據(jù)類型、內(nèi)容和數(shù)據(jù)特征均不同。對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，可定義不同的地標(biāo)識(shí)別規(guī)則。行人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在室內(nèi)環(huán)境下發(fā)生變化，可由加速度計(jì)幅值變化感知。如圖2所示，行人在經(jīng)過門這一地標(biāo)時(shí)，由于存在推門動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)由動(dòng)到靜再到動(dòng)的狀態(tài)改變特征，提取合加速度acc的方差用于區(qū)分行人的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)，計(jì)算公式如下

(2)

(3)

其中，T為檢測窗口長度；n為數(shù)據(jù)長度。定義門的識(shí)別規(guī)則

Rdoor=(LPt|at-t1:t>aσ2&&at:t+t2

&&at+t2:t+t1+t2>aσ2)

(4)

t1和t2分別為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的檢測時(shí)長，若某一時(shí)刻t滿足這一地標(biāo)識(shí)別規(guī)則，則認(rèn)為是一個(gè)可能的門地標(biāo)點(diǎn)。

圖2 經(jīng)過門時(shí)加速度計(jì)幅值變化Fig.2 The change in the amplitude of acceleration when a user passes through a door

行人在轉(zhuǎn)彎或是經(jīng)過墻角時(shí)，行走方向會(huì)發(fā)生大幅度改變，這種變化特征可由陀螺儀數(shù)據(jù)幅值變化檢測出來。由于實(shí)驗(yàn)采樣頻率較高易誤檢，故在不損失數(shù)據(jù)特征的條件下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降頻處理，將每10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)劃分為一組，取其均值作為當(dāng)前陀螺儀數(shù)據(jù)。為提高檢測準(zhǔn)確率，采用符號(hào)函數(shù)判定是否連續(xù)角度改變，定義轉(zhuǎn)彎點(diǎn)的識(shí)別規(guī)則

Rcor=

(5)

其中，θzi為某時(shí)刻陀螺儀z軸讀數(shù)；εgyro為轉(zhuǎn)彎閾值；sgn(θzi-εgyro)為符號(hào)函數(shù)，定義如下

(6)

若某時(shí)刻陀螺儀數(shù)據(jù)滿足式(5)，表示行人當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是連續(xù)的航向改變過程，而不是偶然的航向改變，則認(rèn)為當(dāng)前位置點(diǎn)是一個(gè)可能的轉(zhuǎn)彎地標(biāo)點(diǎn)，可用于進(jìn)一步地標(biāo)匹配。轉(zhuǎn)彎時(shí)陀螺儀z軸幅值變化如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)彎時(shí)陀螺儀z軸幅值變化Fig.3 The change in the gyroscope readings on the z-axis when a user takes a turn

樓梯或者電梯地標(biāo)可通過氣壓計(jì)數(shù)據(jù)來識(shí)別。圖4所示為上下樓梯時(shí)氣壓計(jì)幅值變化。為避免誤檢，在一次樓梯運(yùn)動(dòng)期間只匹配樓梯入口位置，當(dāng)行人位于樓梯入口時(shí)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由水平移動(dòng)變?yōu)榇怪币苿?dòng)，定義樓梯入口的識(shí)別規(guī)則[13]

Rsta=(LPt|(|pi-pi-1|)<εbar_lev

&& |pi+Kp-pi|)>εbar_ver)

(7)

其中，pi表示以t時(shí)刻為中心檢測窗口內(nèi)的氣壓均值；εbar_lev表示行人水平移動(dòng)的閾值；εbar_ver表示行人垂直運(yùn)動(dòng)的閾值；Kp為一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的量，初值可設(shè)為1，若符號(hào)函數(shù)值不變，表示當(dāng)前行人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，Kp值逐漸增大。

圖4 上下樓梯時(shí)氣壓計(jì)幅值變化Fig.4 The changes in air pressure when a user takes stairs or an elevator

2.2 地標(biāo)匹配

地標(biāo)匹配是指根據(jù)約定好的行為判定規(guī)則，當(dāng)數(shù)據(jù)特征滿足某類地標(biāo)的特征時(shí)，判斷當(dāng)前的地標(biāo)類型，得到該地標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，再與PDR定位點(diǎn)進(jìn)行融合計(jì)算。對(duì)實(shí)驗(yàn)樓層存在的所有地標(biāo)點(diǎn)建庫，并存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的地標(biāo)類型、地標(biāo)序號(hào)和三維位置坐標(biāo)。

使用地標(biāo)輔助室內(nèi)行人定位的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，即當(dāng)前位置附近存在多個(gè)地標(biāo)時(shí)，很難確定檢測到的地標(biāo)與地標(biāo)庫的匹配情況。為了解決該問題，本文提出了設(shè)置置信度Val的方法，以表示當(dāng)前地標(biāo)點(diǎn)與地標(biāo)庫的匹配程度。Val的計(jì)算方法如下

Val(LPk)=δ(Rk,Rt)·(ωθ·h(θk,θt)+

ωd·d(lk,lt))

(8)

其中，k為地標(biāo)索引；Rk為地標(biāo)庫中參考地標(biāo)LPk的地標(biāo)類型；Rt為t時(shí)刻檢測到的地標(biāo)類型；θk和θt分別為t時(shí)刻PDR定位點(diǎn)與參考地標(biāo)的參考航向和PDR前后定位點(diǎn)的估計(jì)航向；lk和lt分別為t時(shí)刻參考地標(biāo)位置和PDR估計(jì)位置；ωθ和ωd分別表示航向因素和距離因素在置信度中的權(quán)重系數(shù)。δ(Rk,Rt)為狄拉克函數(shù)，定義如下

(9)

h(θk,θt)為航向函數(shù)，定義如下

(10)

其中，εθ為航向閾值，實(shí)驗(yàn)中取0.4rad；d(lk,lt)為距離函數(shù)，定義如下

(11)

其中，δl為距離閾值，實(shí)驗(yàn)中取5m。當(dāng)檢測點(diǎn)附近有多個(gè)可能地標(biāo)時(shí)，選擇Val值最大的庫地標(biāo)點(diǎn)作為當(dāng)前地標(biāo)點(diǎn)的匹配點(diǎn)，用于濾波更新，若最大Val值為0，則認(rèn)為當(dāng)前檢測地標(biāo)為偽地標(biāo)，將其舍棄。

3 基于地圖信息航向約束算法

采用地標(biāo)約束行人定位軌跡能夠一定程度上優(yōu)化室內(nèi)定位結(jié)果，但仍存在航向發(fā)散和穿墻問題，需要結(jié)合室內(nèi)地圖信息來解決。室內(nèi)地圖數(shù)字化采用矢量法表示，矢量包括點(diǎn)、線和面，點(diǎn)表示室內(nèi)某點(diǎn)位置，用三軸坐標(biāo)表示;線表示室內(nèi)的墻和通行路徑等，包括起終點(diǎn)坐標(biāo)，本文選取走廊中線為通行路徑;面表示房間和走廊等區(qū)域。本文提出了兩種基于地圖信息的航向約束方法，這兩種方法均為平面位置校正，不涉及高度。

3.1 基于路徑信息的航向校正

在建筑物中的走廊等區(qū)域，行人通常沿直線行走，這種情況下，連續(xù)的步長向量大致平行，且與最近的可通行路徑角度平行。通過提取相鄰步長定位點(diǎn)，計(jì)算滑動(dòng)窗口內(nèi)航向，連續(xù)步長參考航向可利用式(12)計(jì)算

(12)

若窗口內(nèi)連續(xù)步長參考航向和走廊參考航向差的最大值在閾值β范圍內(nèi)，如式(13)所示，但該時(shí)刻PDR估計(jì)位置偏離當(dāng)前路徑，則朝向當(dāng)前通行路徑校正PDR軌跡。

max(|θ(ki)|)<β

(13)

某一時(shí)刻定位點(diǎn)與附近可通行路徑的距離Dis可用式(15)計(jì)算[14]，(x0,y0)為當(dāng)前PDR的定位坐標(biāo)，(x1,y1)和(x2,y2)分別為該通行路徑的起終點(diǎn)坐標(biāo)，則該通行路徑方程為

(y2-y1)x-(x2-x1)y+x2y1-x1y2=0

(14)

由點(diǎn)到直線距離公式可知

Dis=

(15)

選取Dis值最小的候選路徑作為匹配參考路徑，將當(dāng)前定位點(diǎn)向匹配通行路徑中軸線做投影。校正點(diǎn)坐標(biāo)(xp,yp)計(jì)算如下

(16)

3.2 基于墻面信息的航向校正

圖5 基于墻面信息的軌跡校正Fig.5 Trajectory correction based on wall information

若α小于角度閾值，即為小角度穿墻，將當(dāng)前定位點(diǎn)反射至墻面前方的點(diǎn)(如圖5中點(diǎn)C)，N為該墻面的起點(diǎn)和終點(diǎn)構(gòu)成的向量

(17)

(18)

由墻面反射原理可知

(19)

即

=(δx,δy)

(20)

則校正點(diǎn)坐標(biāo)為

(21)

若α大于角度閾值，即為大角度穿墻的情況。此時(shí)認(rèn)為行人由門進(jìn)入房間，采用地標(biāo)匹配方法在地標(biāo)庫中檢索距離當(dāng)前定位點(diǎn)最近的門地標(biāo)點(diǎn)，作為校正點(diǎn)以約束行人定位軌跡。

4 濾波融合更新

通過文中第2節(jié)和第3節(jié)提出的修正方法，可以獲得當(dāng)前時(shí)刻用于校正PDR定位結(jié)果的三軸位置信息(包含地標(biāo)點(diǎn)和地圖校正點(diǎn))，然后采用EKF進(jìn)行修正。選取前-右-下為載體坐標(biāo)系(b系)，北-東-地為導(dǎo)航坐標(biāo)系(n系)。卡爾曼濾波的狀態(tài)方程和量測方程如式(22)所示

(22)

其中，Xk為PDR解算結(jié)果，即三軸位置、速度和姿態(tài);Zk為地標(biāo)點(diǎn)或者地圖校準(zhǔn)點(diǎn)三軸位置;Φk|k-1為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣;Hk為量測矩陣;Wk-1和Vk分別為系統(tǒng)的過程噪聲和量測噪聲，均為不相關(guān)白噪聲。卡爾曼濾波算法流程如圖6所示。

圖6 卡爾曼濾波過程Fig.6 Kalman filtering process

左側(cè)是系統(tǒng)預(yù)測回路，Q為系統(tǒng)過程噪聲Wk的協(xié)方差，按照卡爾曼濾波模型，首先建立狀態(tài)方程為

(23)

(24)

狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φk|k-1為

(25)

Hk=[I3×303×303×3]

(26)

由預(yù)測回路得到的協(xié)方差矩陣P及量測矩陣Hk，可計(jì)算EKF濾波增益Kk如下

(27)

其中，R為量測噪聲Vk的協(xié)方差，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整其值以達(dá)到最好的校正效果，進(jìn)而更新當(dāng)前狀態(tài)向量和協(xié)方差。只需使用當(dāng)前的量測向量和上一時(shí)刻計(jì)算的狀態(tài)向量及其協(xié)方差，濾波算法即可遞歸運(yùn)行。

5 實(shí)驗(yàn)與分析

5.1 實(shí)驗(yàn)場景

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為中國科學(xué)院光電研究院，設(shè)計(jì)測試路徑包含門、樓梯和轉(zhuǎn)彎點(diǎn)三類地標(biāo)點(diǎn)，以及走廊等典型室內(nèi)場景，采用MapInfo軟件處理該實(shí)驗(yàn)區(qū)域室內(nèi)地圖，建立規(guī)劃路徑上的地標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，并確立地標(biāo)點(diǎn)類型、序號(hào)和三維位置之間的索引關(guān)系。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括荷蘭Xsens公司生產(chǎn)的MTw Awinda系列慣性器件，用于采集行走過程中的加速度計(jì)、陀螺儀和氣壓計(jì)數(shù)據(jù)，表1所示為傳感器相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，采樣頻率100Hz。將器件固定于實(shí)驗(yàn)人員腳面，如圖7所示，數(shù)據(jù)通過無線傳至電腦端接收軟件，實(shí)驗(yàn)過程中假設(shè)行人已知其目的地，并沿最短路徑到達(dá)。

表1 MTw Awinda設(shè)備參數(shù)指標(biāo)

圖7 慣性器件及穿戴方式Fig.7 Inertial device and wearing method

5.2 地標(biāo)與路徑匹配結(jié)果

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)靜止10s，用于陀螺儀減零偏，航向和距離因素在置信度中的權(quán)重系數(shù)ωθ和ωd分別取0.4和0.6。表2所示為地標(biāo)檢測和航向約束過程中的參數(shù)設(shè)置。

表2 算法參數(shù)設(shè)置

根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)特征，檢測用戶行走過程中周圍地標(biāo)信息，匹配成功后進(jìn)行位置修正。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)路徑中，共用到8個(gè)地標(biāo)點(diǎn)，其中4個(gè)門地標(biāo)點(diǎn)，用字母d表示，2個(gè)轉(zhuǎn)彎地標(biāo)點(diǎn)，用字母c表示，2個(gè)樓梯或電梯地標(biāo)點(diǎn)，用字母s表示，數(shù)字表示各種類型地標(biāo)點(diǎn)的序號(hào)。地標(biāo)點(diǎn)分布情況如圖8所示，走廊部分的通行路徑取其中軸線，用粉色實(shí)線表示。

圖8 地標(biāo)及路徑修正Fig.8 Landmark and path correction

一次試驗(yàn)中，地標(biāo)匹配置信度Val值如表3所示，匹配結(jié)果顯示，相較于傳統(tǒng)匹配方法，本文所提地標(biāo)匹配方法采用地標(biāo)類型、航向和距離三類限制條件，能夠有效地提高多地標(biāo)情況下的匹配正確率。

表3 地標(biāo)匹配結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中通行路徑設(shè)計(jì)較為簡單，不涉及最優(yōu)匹配路徑選擇問題，故Dis值最小候選路徑即為正確的參考路徑。

5.3 軌跡分析

基于同一組慣性數(shù)據(jù)，使用地圖信息賦值初始位置和航向，圖9所示為僅零速修正的PDR定位軌跡(藍(lán)色)和本文所提方法修正后的軌跡(紅色)。實(shí)驗(yàn)人員從光電樓一層大廳出發(fā)，經(jīng)過門、走廊、電梯到達(dá)三層，再經(jīng)過走廊和樓梯回到一層出發(fā)點(diǎn)。可以看出，PDR短期定位效果較好，但是隨時(shí)間會(huì)出現(xiàn)誤差累積現(xiàn)象，后期定位軌跡發(fā)散嚴(yán)重，最終沒有回到出發(fā)點(diǎn)。而本文所提地圖輔助PDR修正算法得到的軌跡，由于修正了PDR的累積誤差，且使用室內(nèi)地圖校正了路徑和軌跡穿墻現(xiàn)象，定位結(jié)果明顯優(yōu)于PDR原始軌跡，閉合誤差較小，接近真實(shí)軌跡。

圖9 PDR定位軌跡和修正軌跡Fig.9 PDR trajectory and modified trajectory

為了驗(yàn)證地標(biāo)匹配的有效性，圖10所示為部分地標(biāo)匹配局部放大結(jié)果，藍(lán)色為僅零速修正的PDR定位軌跡，可以看出，三類地標(biāo)點(diǎn)都顯示出較好的地標(biāo)匹配修正效果，其中s1電梯地標(biāo)點(diǎn)由于使用氣壓計(jì)數(shù)據(jù)檢測，故使用其三樓的平面坐標(biāo)作為校正點(diǎn)。地標(biāo)點(diǎn)s2和d4距離較近，采用本文所提地標(biāo)匹配方法仍然能夠正確匹配，并將偏離軌跡通過EKF校正至地標(biāo)點(diǎn)附近。

圖10 地標(biāo)點(diǎn)校正效果局部圖Fig.10 The partial maps of landmark correction effect

基于走廊和墻面修正算法的局部效果如圖11所示。結(jié)果顯示，在走廊場景下，若行人軌跡偏離通行路徑，校正算法能夠很好地保持估計(jì)路徑與走廊通行路徑平行(圖11(a))；當(dāng)行人軌跡小角度穿墻時(shí)，能將當(dāng)前位置校正為遠(yuǎn)離墻面的位置(圖11(b))；當(dāng)行人軌跡大角度穿墻時(shí)，認(rèn)為行人進(jìn)入房間，校正至最近的門的位置(圖11(c))，從而使校正后的軌跡更加合理和準(zhǔn)確。

圖11 路徑及墻面校正效果局部圖Fig.11 The partial maps of path and wall correction effect

5.4 誤差分析

本文采用平均定位誤差和閉合誤差作為定位性能的度量標(biāo)準(zhǔn)，定位誤差是指實(shí)際位置和估計(jì)位置之間的歐式距離，平均定位誤差是所有測試位置定位誤差的均值，實(shí)驗(yàn)中實(shí)際位置坐標(biāo)點(diǎn)通過地圖得到。兩種方法的誤差如表4所示。實(shí)驗(yàn)中PDR平均定位誤差為3.7854m，閉合誤差為6.6877m；而經(jīng)過地圖輔助算法約束之后，使平均定位誤差降至1.8435m，閉合誤差降至0.6146m，定位精度提高了51.2%，證明了本文提出的地圖信息輔助的定位方法在實(shí)驗(yàn)后期效果顯著。

表4 定位誤差對(duì)比

6 結(jié)論

室內(nèi)定位服務(wù)應(yīng)用十分廣泛，當(dāng)前室內(nèi)定位方法缺乏統(tǒng)一規(guī)范，精度與成本難以兼顧。傳統(tǒng)的PDR定位方法會(huì)出現(xiàn)誤差累積的問題，不能應(yīng)用于實(shí)際復(fù)雜的室內(nèi)定位場景。本文提出了一種地圖信息輔助PDR的融合定位方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1)對(duì)室內(nèi)地標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行建庫，匹配后采用卡爾曼濾波融合PDR定位結(jié)果和地標(biāo)點(diǎn)，能夠有效優(yōu)化定位軌跡。

2)基于配準(zhǔn)后的室內(nèi)地圖，將室內(nèi)地圖信息融合到定位算法中，采用走廊和墻面等信息，減少軌跡航向發(fā)散，顯著提高了最終的定位精度，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)場景下行人連續(xù)、穩(wěn)定的定位功能。

3)本文提出的融合定位方法能夠有效提高室內(nèi)定位精度，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。下一步的研究將考慮更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，更有效地利用地圖信息約束室內(nèi)行人定位結(jié)果。