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用于复杂公共设施的室内行人导航
摘要
在本文中，我们描述了一个用于复杂的公共或商业设施，如机场、火车站、诊所、博物馆、游乐场或会议中心的室内导航系统。这种方法的概念着重于应用于地理上分布的设施，包括多个室内区域，位于由楼梯、自动扶梯或电梯连接的不同楼层。地理拓扑建筑模型是智能手机实现室内导航解决方案的基础。室内单元定位采用蓝牙信标，使用寿命长达一年以上。行人推算包括步行周期检测、航向估计和楼层检测，利用智能手机摄像头、GPS、WiFi、蓝牙、气压和惯性测量单元传感器。模型的生成基于多层建筑的地图，这些地图是从公共资源中收集的，将显示在移动设备上以供用户定向。建筑物目标可以通过用户说出的可识别命令来定位。室内路由算法考虑了多层、电梯、楼梯和自动扶梯，以及可步行室内区域的自由移动。地面高度的变化可通过相对大气压力测量来探测。整个建筑的室内路线由一个视觉地图呈现给用户，并由声音方向宣布。
- 引言和问题陈述
在大型复杂的公共或商业建筑设施中，室内定位(包括定位和导航)的可用性是行人运动的关键要求。典型的用例包括诊所、机场、地铁大楼公共交通线路换乘期间的定位和指导。
作为一个例子，它可以服务于携带行李的旅行者通过当地的交通或铁路到达一个分支广泛的机场，如图1所示。迎新工作包括寻找登记柜台、行李寄存处、保安检查区、候机楼大堂及登机门。整个建筑综合体的室内路线包括由电梯、楼梯和自动扶梯连接的多个平台，这些平台被概括为攀登辅助设施。行人在室内区域的移动受到内外墙的限制。否则他可以在地板上自由走动。因此是一个经典的节点/链接网络不是路由搜索的首选方法。采用基于网格的方法来解决楼层导航问题。
选择Android智能手机作为室内导航解决方案的实现平台，作为一种无所不在的移动端设备，配备多种传感器。开发的解决方案的目标是提供方法和技术，使之能够在任何设想的应用场景中进行推广。
目的是为不熟悉地点的旅客、乘客或行人，在由公共交通服务转乘连接大厦前往任何目的地时，提供方向指引。作为一个典型的例子，我们模拟了一个多层建筑结构的公共交通换乘设施，包括由楼梯、自动扶梯和电梯连接的通道、楼层和平台。
图1
二、方法
室内定位方法的部署从一开始就定义了一些要求和标准，以限制各种引入的定位方法之间的方法。重要的是实现智能手机作为无处不在的计算设备，使用集成智能手机传感器和有限的计算能2016年室内定位与导航国际会议(IPIN)， 2016年10月4-7日，西班牙阿尔卡德赫纳雷斯
电池容量。此外，专用复杂程序的计算强度(与示例[4]、[5]相比)限制了移动平台上适用的室内定位方法的带宽。
行人航迹推算(PDR)作为室内导航系统的核心部件(见图2)，是利用智能手机的加速度计、陀螺仪、磁强计等传感器来实现步进和航向检测的。导航辅助设备包括GPS、WiFi、蓝牙R和摄像头，为定位(LOC)组件提供输入。GPS仅用于建筑物的入口区域。在室内区域，GPS接收无法使用，并自动关闭，以节省电池容量。建筑布局数据和楼层图从OpenStreetMap [13] (OSM)中收集，并投影到保角Web Mercator坐标系(EPSG:3857)[16]中，构成一个包含建筑所有相关楼层的线层，作为模型的一部分。OSM地图对于建筑足迹的外墙具有很好的精度。对于建筑楼层的内部布局，我们使用了详细的图纸，这些图纸也用于火灾疏散图，强制要求在公共建筑中显示。
本文详细描述了所提出的解决方案的基本思想。利用地形-拓扑建筑模型确定了从起点到终点的室内路径，该路径包含所有楼层和沿路径连接的攀爬元素。
对于行人可以自由移动的路线的每一层，生成一个基于网格的网络。网格元素的首选形状是六边形。六边形网格的使用是受Robertson(2003)[3]在同步本地化和映射(SLAM)模型中的应用启发。网格是观察内部和外部墙壁，障碍和其他限制之间的每个楼层之间的换乘点。对于楼层上的导航，使用了修改后的Manhattan距离启发式算法，该算法将顽固的六边形网格作为输入。在途方向通过动态显示到目的地的位置和路径更新以及语音导航传递给用户。
作为与其他服务和应用程序的接口，可以通过Android intent机制在三维坐标下交换起始位置、当前位置和目标位置的信息。因此，有可能监督整个建筑的整个路线的进度和可能偏离路线的情况。在下面几节中，将更详细地讨论上面介绍的组件。
三、室内助航设备
A.蓝牙单元定位
蓝牙低能量(BLE)小区定位的概念是将分布式信标放置在室内主要行人路径选择位置。蓝牙信标已被定制为兼容iBeaconTM模式，使用HM-10蓝牙R 4.0模块，基于德州仪器公司CC2530蓝牙R低功耗芯片。电池盒内装有两个AA碱性电池。预期的如果信标配有长寿命的碱性电池(电池容量为gt;2000毫安)，信标的工作时间可以持续一年以上。
图2所示。可用和应用的传感器，包括室内导航系统的功能框图。
图2
BLE信标(如图3所示)被用作导航辅助，支持手机上处理的行人航迹推算算法。对信标放置的建议包括在入口门以及楼梯、自动扶梯、电梯的位置，以及更大的行人可步行区域内的附加定位点，在这些区域内，主要的行人流相互交叉。
分布式信标的属性在室内导航系统使用之前就可以使用。BLE信标以一秒为间隔发送周期性广播信号，这些信号由它们的网络(MAC)地址唯一标识。在接收端，对接收到的信号强度RSSI进行评估。大于-65 dBm的RSSI值表示信标-接收器距离小于3 m，该距离被评估为足够精确，可以采用信标位置作为位置固定。
信标的参数为其在2.5D坐标系中的位置，而x坐标和y坐标表示其在EPSG:3857 (Web Mercator投影)中的位置，z坐标表示离散值的建筑楼层。进一步的信标参数包括唯一的mac地址、类型、信标标识符和一个RSSI值，单元定位算法在该值处识别所引用的信标。通过调整这个单独的参数，就有可能考虑到实际建筑结构中信号强度传播的变化。在室内导航应用程序初始化时，读取信标配置文件，并使用单元定位算法注册定义。
智能手机对BLE信标广播传输的时间机制和扫描机制进行了组织，以节约信标和智能手机电池的电量。每隔10秒对手机进行一次BLE设备扫描，以检测移动单元附近的任何现有和已知设备。如果检测到BLE信标，扫描间隔缩短到1秒，直到RSSI值达到定义的最大值-65 dBm或通过最大值
2016年室内定位与导航国际会议(IPIN)， 2016年10月4-7日，西班牙阿尔卡德赫纳雷斯高峰。识别信标后，在指定的时间间隔为20秒的情况下，不再进一步检测信标，以便能够扫描和检测具有更高优先级的其他信标。声音反馈是由一系列产生的音调给用户，以表示接收到的信号强度，每次检测和确认位置固定。
图3
B.QR码
QR码的广泛使用和普及是为了对机器可读数据进行快速响应和编码，并将其转换为移动设备，这表明QR码应用于以适当的方式提供额外的导航辅助。格式化的QR码以自由文本的形式生成，以关键字“geo:”开始，然后是逗号分隔的x-、y-和z-坐标，如图4所示。
智能手机的摄像头传感器用于对这些标签位置的半自动采集和解码。QR码扫描的过程被设计成需要最少的用户交互。
特别是对于从建筑物的目录映射中选择静态和预定义的目标位置，QR码非常有用。在机场、火车站、办公大楼或贸易展览地图中都可以找到这种定位图的例子，这些地图可以通过这种功能以一种低成本的方式得到增强。
C. WiFi手机定位
利用WiFi接入点的已知位置作为导航辅助，实现单元定位，与实现蓝牙R单元定位相同。在使用之前，WiFi接入点的任何位置坐标都必须通过配置界面识别、收集并提供给室内导航系统。该方法不需要预先采集WiFi指纹数据，广泛应用于多种室内导航方法，如[7]-[12]。因此，不打算在效率和百分度方面与指纹法进行直接比较。
实际方法只有当接收到的广播消息信号强度大于-50 dB，即约1-3 m的距离时，才使用已知接入点的地理位置。使用现有的外部WiFi基础设施进行定位的一个主要困难
在任何公共或商业建筑综合体中，接入点的配置及其位置都可能发生快速变化，这是一个问题。在这种情况下，WiFi单元定位在所述系统上下文中主要作为辅助导航辅助。主要的导航辅助是使用蓝牙信标，这些信标分布在目标建筑物内的选定位置。
图4
D.全球定位系统
全球定位系统(GPS)在由室外向室内过渡的阶段作为辅助导航设备。当接收到GPS信号时，当用户位于中转大楼的户外区域，例如位于露天的公共交通车站的地面平台时，也可以使用GPS。接收到的WGS84系统经纬度坐标(EPSG:4326)被不断转换为Web Mercator投影坐标(EPSG:3857)，类似地用于Web地图应用程序，如OpenStreetMap[13]或谷歌Maps[14]或Microsoft Bing[15]。Web Mercator是使用球面Mercator方程将椭球经纬度坐标映射到平面上的映射。
建筑、平台、楼层等物体的保角映射要求，证实了使用投影坐标系进行室内区域映射的必要性。
保角映射的定义是指映射的每一个小特征都被正确地描述出来，即投影保持形状和角度。保角网墨卡托投影的一个重要性质是点周围各方向的局部尺度是常数。在相对较小的物体中，这种特性对行人导航至关重要。
图5所示利用左右腿摆动两种步态姿态对平滑y加速度信号进行步态周期检测的时域分析。插入最大检测后的等待时间为200ms，以防止信号沟效应。
图5
因为两坐标系之间的坐标转换和变回原形不断在运行时执行的室内导航系统提供了用户当前位置立即在WGS84以及其他运行的应用程序在Web墨卡托投影坐标无论用户立场是室内或室外。给出了Web Mercator从地理坐标到Easting E和Northing N的转换方程:
a = 6378137米,较明显的椭圆轴,偏心和e = 0.081819191,lambda;地理经度和phi;地理纬度。南北方向的比例尺因子h，东西方向的比例尺因子k相等，因为椭球墨卡托投影上一点的比例尺因子在所有方向上都是相同的。
四、行人航迹推算
A.行走周期检测
Android操作系统不包含步进识别的核心功能。因此，选取垂直加速度传感器的时域信号进行步行周期检测。加速度计信号采集速率为25 ms。如果手机处于直立位置，则加速度计垂直分量假设与移动单元机体框架的y轴共线。利用重力(9.81m/s2)减去信号，通过一阶低通滤波器滤波，并进行微分，检测信号时间进程的最大值和最小值。两种离散状态的状态机表示步态循环:(A)右腿在前，左腿在后，(b)左腿在前，右腿在后。这两种状态之间的转换由y轴加速度导数的解释控制，如图5所示。
图6所示。智能手机z轴在地球表面的投影。ẑ0的平面法向量是智能手机屏幕,ẑ是地球表面的平面的法向量。
图6
B.标题估计
采用Android操作系统提供的虚拟旋转传感器进行航向估计。利用卡尔曼滤波器对陀螺、加速度计、磁强计等传感器进行融合，并将其作为微电子机械系统单元(MEMS)集成到硬件中，实现旋转传感器信号的内部计算。因此，旋转传感器信号以四元数形式表示:
ϕ为旋转角度对复杂的单位向量(我j k)代表x-y-z-directions轴。四元数的值(q1第三季度第四季度)代表世界坐标系定义为轴的旋转以及地球自转轴,轴指向东方和z轴指向天顶身体传感器坐标系坐标系统定义为智能手机的屏幕轴沿长轴,轴沿着屏幕短轴的智能手机和z轴指向屏幕的表面垂直,一般用户。
通过计算智能手机z轴在地球表面的投影向量，解决了手持智能手机的行人的方向确定问题。当欧拉角(横摇、俯仰、偏航)的范围接近90度时，这种方法有助于避免常见的框架锁紧问题[6]发生。智能手机屏幕轴对地表的几何相干性与用户定位见图6。
手机z轴表示为以下四元数乘积(算子*)
|
zcirc;0 |
= |
q lowast; zcirc;lowast; qminus;1 |
(6) |
|
zcirc; |
= |
[ 0 0 1 0 ] |
(7) |
|
Pxy |
= |
zcirc;0 minus; (zcirc;0 · zcirc;) lowast; zcirc; |
(8) |
2016年室内定位与导航国际会议(IPIN)， 2016年10月4-7日，西班牙阿尔卡德赫纳雷斯式6中的q为旋转传感器信号提供的测量值，为z轴的四元数向量。矢量的投影ẑ0到地球表面平面Pxy对于不同的操作点的产品(运营商·)和四元数(操作符*)以及规范化的要求处理之前任何四元数的值。
我们使用相反的向量Pxy通过进一步的三角函数计算得到步行方向的估计。结果确定了顺时针方向磁极北方向的航向为方位角。中欧的磁偏角约为plusmn;3度(东/西)，因此
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