基于智能通信的行径轨迹位置获取系统及其在地铁站厅的应用的制作方法

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1.本发明属于轨道交通运输地铁智能化技术领域，具体涉及一种基于智能通信的行径轨迹位置获取系统及其在地铁站厅的应用。

背景技术：

2.近年来，地铁作为城市公共交通的重要组成部分，具有运量大、速度快、效率高、能耗低等诸多优势。随着越来越多的乘客选择以地铁作为出行的首选交通方式，地下空间的导航需求日益增长。为了打造智慧地铁，解决乘客在室内定位的实际需求，实现个性化的用户服务和基于位置的服务，需要精准的室内行径轨迹位置获取和定位。
3.以全球导航卫星系统为主的室外定位技术日益成熟，在多个领域中有着广泛的应用前景，然而在地铁站厅这种相对复杂的室内环境中，因信号遮蔽等原因，而无法实现室内定位。
4.常见的室内定位技术有很多，但各自有缺陷，如红外技术定位效果好，但设备昂贵，且容易受到环境的影响；射频技术（rfid），需要在定位空间中布置大量设备；wifi是室内定位中常用的方法，但需要为每个ap独立供电。
5.基于上述问题，结合城市地铁站厅的空间环境以及所面向的用户体，从定位精度的需求、经济性、工程量等方面分析，采用低功耗蓝牙定位的技术更符合城市地铁室内定位导航应用的目标。蓝牙定位技术目前较为广泛地应用于移动终端，采用无源的低功耗蓝牙信标，部署成本较低，效率高，适用于各类地下环境。同时，考虑到单独的蓝牙定位容易受到环境因素的干扰，为提高精度，加入智能通信工具的加速度计、陀螺仪等传感器构成的惯性导航定位方法，利用扩展卡尔曼滤波对蓝牙信息和传感器信息进行融合，得到乘客位置，再根据地铁车站站厅环境以及站内设施的布置信息，对乘客位置进行修正，实现了复杂环境下的行径轨迹位置获取和定位，操作简单方便，经济成本低，更加符合实际需求。

技术实现要素：

6.本发明正是针对现有技术中的问题，提供了基于智能通信的行径轨迹位置获取方法，通过蓝牙智能通信工具，接收n个蓝牙信标的信号，根据信号强度和蓝牙空间位置信息，得出待测体的蓝牙位置；然后按固定的时间间隔，采集加速度计、地磁传感器和陀螺仪传感器的数据，利用陀螺仪输出的角速度实现对待测体行径轨迹水平和竖直朝向角的预判；对加速度数据和角速度数据做傅里叶变换，得到待测体行径的步频；根据加速度的值，实现对待测体步长的计算；最后根据蓝牙位置与传感器信息，利用扩展的卡尔曼滤波器对这些数据进行融合，得到待测体的位置，为待测体提供延伸服务，在低成本高效率的前提下，精准的完成复杂环境下的径行轨迹位置获取和定位。
7.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于智能通信的行径轨迹位置获取方法，包括如下步骤：
s1，通过蓝牙智能通信工具，接收n个蓝牙信标的信号，根据信号强度和蓝牙空间位置信息，得出待测体的蓝牙位置；s2，按固定的时间间隔，采集加速度计、地磁传感器和陀螺仪传感器的数据，利用陀螺仪输出的角速度实现对待测体行径轨迹水平和竖直朝向角的预判；对加速度数据和角速度数据做傅里叶变换，得到待测体行径的步频；根据加速度的值，实现对待测体步长l的计算；s3，根据蓝牙位置与传感器信息，利用扩展的卡尔曼滤波器对这些数据进行融合，得到待测体的位置，所述步骤进一步包括：s31，对待测体位置进行建模，其状态矩阵xk为：其中，表示待测体行径了k步后的位置坐标；表示待测体行径了k步后的朝向；表示第k步的步长；表示待测体行径了第k步时的水平方向的朝向角的变化量；表示待测体行径了第k步时的竖直方向的朝向角的变化量；为系统过程噪声变量；其量测方程为：其中，表示通过蓝牙智能通信工具得到的待测体空间坐标；表示通过传感器预估得到的待测体步长；表示传感器中得出的朝向角数据；表示朝向角的变化量；表示系统观测噪声变量，设定系统的状态方程和量测方程为：表示系统观测噪声变量，设定系统的状态方程和量测方程为：s32，标称轨迹方程的线性化，主要包含两个部分：
将状态方程中的非线性函数在的邻域做一阶泰勒级数展开，得到线性化的状态方程：其中，为时刻到时刻的状态转移矩阵。时刻的状态转移矩阵。
8.将状态方程带入即可得状态转移矩阵：同样的，对将观测方程中的非线性函数在的邻域做一阶泰勒级数展开，得到线性化的量测方程：其中，为时刻的量测矩阵：时刻的量测矩阵：将量测方程带入即可得量测矩阵：s33，根据经典卡尔曼滤波的方法进行状态的最优估计：状态最优估计首先需要做的是状态一步预测：
其中，为时刻的待测物状态值，其初始值为，是将代入线性化后的状态方程得到的时刻的待测物状态预测值，即乘客的坐标信息；接下来需要计算几个中间值：接下来需要计算几个中间值：接下来需要计算几个中间值：其中，为均方误差的预测值，为均方误差的最优估计值，初值为，为卡尔曼滤波增益，为系统过程噪声的协方差矩阵，表示系统观测噪声的协方差矩阵，表示单位矩阵。
9.最后，依据时刻的待测物状态值和卡尔曼滤波增益即可得到最优的状态估计值：作为本案的一种改进，还包括步骤s4，将经过步骤s3卡尔曼滤波后的位置与可行径区域进行对比，若位置位于不可进入的区域，则将其位置修正为可行径区域内距离位置最近的点。
10.作为本案的一种改进，步骤s1进一步包括：s11,通过蓝牙智能通信工具接收n个蓝牙信标的信号，其强度为；s12，在n个的蓝牙信号中选择强度最大的四个s13，根据蓝牙信号的衰减模型，利用信号强度值a以及路径损耗因子n分别计算四个信号强度对应的距离，计算方法为：s14，根据四个蓝牙信标的mac地址，获取对应的四个信标的空间位置；s15，将四个蓝牙信标每三个分为一组，一共可以形成4组，每组中的三个蓝牙信标位置和距离则确定待测体的位置，得出四个空间位置坐标；
s16，根据四个距离对坐标进行加权，得出待测体的蓝牙位置，加权方法为：。
11.作为本案的另一种改进，所述步骤s2进一步包括：s21，通过智能通信工具对加速度计、地磁传感器和陀螺仪传感器按固定的时间间隔采集原始数据；s22，对步骤s21采集到的原始数据进行滤波处理；s23，利用陀螺仪输出的角速度，解算出智能通信工具的姿态，将其坐标系转换为真实世界的坐标系；s24，利用陀螺仪输出的角速度实现对待测体行径时水平和竖直朝向角的预判；s25，对加速度数据和角速度数据做傅里叶变换，得到乘客走行的步频f；s26，根据加速度的值，实现对乘客步长l的估计。
12.为了实现上述目的，本发明还采用的技术方案是：基于智能通信的行径轨迹位置获取系统，包括：蓝牙信标模块，所述蓝牙信标模块用于发送和接收蓝牙信标信号，提供待测体的蓝牙位置；用户智能通信模块，所述用户智能通信模块至少包括加速度计、地磁传感器和陀螺仪传感器，分析计算待测体行径信息；服务器模块，所述服务器模块根据蓝牙信标模块提供的蓝牙位置与用户智能通信模块获悉的传感器信息，利用扩展的卡尔曼滤波器对数据进行融合，得到待测体的位置，提供延伸服务。
13.为了实现上述目的，本发明还采用的技术方案是：基于智能通信的行径轨迹位置获取系统在地铁站厅的应用，包括如下步骤：s1，在地铁车站站厅内布置无源蓝牙信标模块；s2，在地铁车站内建立三维的空间坐标系，根据蓝牙信标模块所处的位置以及站厅通道、设备的布置情况，建立蓝牙信标数据库与地铁站厅布局数据库，将其存储与服务器模块中；s3，当乘客带着智能通信工具进入地铁车站后，智能通信工具自动与安装于站厅内的蓝牙信标进行通信，获取信号强度，得到乘客的蓝牙位置；s4，智能通信工具按固定的时间间隔至少获取加速度、地磁、陀螺仪传感器的数据，分析计算出乘客行径的朝向、步频和步长信息；
s5，结合蓝牙位置与传感器信息，利用扩展的卡尔曼滤波器对步骤s4得到的数据进行融合，得到乘客的位置；s6，结合步骤s2中服务器存储的地铁站厅布局数据，对乘客位置进行修正，得到最终的乘客位置；s7，服务器模块根据乘客所处的位置，为乘客提供个性化服务。
14.作为本发明的更进一步改进，所述步骤s2中的蓝牙信标数据库中至少包括蓝牙信标的mac地址、蓝牙信标的空间坐标、蓝牙信标所在的站厅区域和楼层数据；所述建立的地铁站厅布局数据库至少包括可行径范围的起点、终点、走向、宽度，站厅区域的范围和栏杆的位置。
15.与现有技术相比，本发明提出了基于智能通信的行径轨迹位置获取系统及其在地铁站厅的应用，在传统的室外定位技术无法用于复杂室内环境的情况下，本案提出了一种地铁站厅内，基于智能通信的行径轨迹位置获取系统及方法，在地铁车站站厅情况布置蓝牙信标，通过乘客智能通信工具扫描蓝牙信号，计算粗略的位置；利用加速度传感器、地磁传感器等获取乘客当前的步频、步长、走行方向等；通过扩展卡尔曼滤波技术对蓝牙信息和传感器信息进行融合，提高定位精度，计算出的乘客位置坐标；结合车站站厅设备的布置情况，对乘客位置坐标进行修正，实现复杂室内环境下的精确定位，满足地铁乘客在复杂室内的导航需求，也满足地铁运营方对外提供个性化的公众服务的需求。
16.附图说明
17.图1为本发明基于智能通信的行径轨迹位置获取系统在地铁站厅的应用位置获取方案示意图；图2为本发明基于智能通信的行径轨迹位置获取方法中步骤s15蓝牙三点定位的示意图。
18.具体实施方式
19.以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
20.实施例1基于智能通信的行径轨迹位置获取系统在地铁站厅的应用，待测体在地铁内获取位置信息的方案如图1所示，具体包括如下步骤：s1，在车站站厅内布置无源蓝牙信标模块，一般区域的信标间距控制在5-8m，确保展厅内各点与至少三个信标的距离不大于8m，特殊区域如自动检票机附近的信标间距可以缩小为2-3m左右；s2，在车站内建立三维的空间坐标系，根据蓝牙信标模块所处的位置以及站厅通道、设备等的布置情况，建立蓝牙信标数据库与站厅布局数据库，将其存储与服务器模块中；蓝牙信标数据库中包括：蓝牙信标的mac地址、蓝牙信标的空间坐标、蓝牙信标所在的站厅区域和楼层等；站厅布局数据库中包括通道的起点、终点、走向、宽度，站厅区域的范围，
栏杆的位置等。
21.s3，乘客带着智能手机进入车站时，app自动与安装于站厅内的蓝牙信标进行通信，获取信号强度，得到乘客的蓝牙位置；s31，手机在站厅内收到n个蓝牙信标的信号，强度为；s32，在n个的蓝牙信号中选择强度最大的四个；s33，根据蓝牙信号的衰减模型，利用参考距离为1米时接收的信号强度值以及路径损耗因子分别计算四个信号强度对应的距离，计算方法为：s34，根据四个蓝牙信标的mac地址，获取对应的四个信标的空间位置；s35，将四个蓝牙信标每三个分为一组，一共可以形成4组，每组中的三个蓝牙信标位置和距离就可以确定一个乘客的位置，这样一共可以计算出四个空间位置坐标，如图2所示；s36，根据四个距离对坐标进行加权，得出乘客的蓝牙位置，加权方法为：s4，乘客带着智能手机进入车站时，app按固定的时间间隔获取加速度、地磁、陀螺仪等传感器的数据，分析计算出乘客的行走的朝向、步频、步长等信息；s41，手机app定时采集加速度计、地磁传感器、陀螺仪传感器的数据；s42，对采集到的传感器原始数据进行滤波处理；s43，利用陀螺仪输出的角速度，解算出智能手机的姿态，将智能手机的坐标系转换为真实世界的坐标系；s44，利用陀螺仪输出的角速度实现对乘客行走水平和竖直朝向角的估计；s45，对加速度和角速度数据做傅里叶变换，得到乘客走行的步频；s46，在预先设定的行人运动速度等级规定下，根据加速度的值选择速度等级，进而实现对乘客步长的估计。
22.s5，结合蓝牙位置与传感器信息，利用扩展的卡尔曼滤波器对这些数据进行融合，得到乘客的位置；s51，对系统进行建模，状态矩阵：其中，表示乘客走了步后的位置坐标，表示乘客走了步后的朝向，表示第步的步长，表示乘客走了第步时的水平方向的朝向角的变化量，表示乘客走了第步时的竖直方向的朝向角的变化量，为系统过程噪声变量；量测方程为：其中表示通过蓝牙定位得到的乘客的空间坐标，表示通过传感器估计得到的乘客的步长，也是传感器数据中估计出的朝向角，则时朝向角的变化量，是系统观测噪声变量。设定系统的状态方程和量测方程为：是系统观测噪声变量。设定系统的状态方程和量测方程为：s52，标称轨迹方程的线性化，主要包含两个部分：将状态方程中的非线性函数在的邻域做一阶泰勒级数展开，得到线性化的状态方程：其中，为时刻到时刻的状态转移矩阵。时刻的状态转移矩阵。
23.将状态方程带入即可得状态转移矩阵：同样的，对将观测方程中的非线性函数在的邻域做一阶泰勒级数展开，得到线性化的量测方程：其中，为时刻的量测矩阵：时刻的量测矩阵：将量测方程带入即可得量测矩阵：s53，根据经典卡尔曼滤波的方法进行状态的最优估计：状态最优估计首先需要做的是状态一步预测：其中，为时刻的待测物状态值，其初始值为，是将代入线性化后的状态方程得到的时刻的待测物状态预测值，即乘客的坐标信息；接下来需要计算几个中间值：接下来需要计算几个中间值：接下来需要计算几个中间值：其中，为均方误差的预测值，为均方误差的最优估计值，初值为
，为卡尔曼滤波增益，为系统过程噪声的协方差矩阵，表示系统观测噪声的协方差矩阵，表示单位矩阵。
24.最后，依据时刻的待测物状态值和卡尔曼滤波增益即可得到最优的状态估计值：s54，返回s52，继续下一时刻的计算。
25.s6，结合服务器中存储的站厅布局信息，将s5中得到的乘客位置与站厅内可行走的区域进行对比，如果发现位置位于不可进入的区域（如穿墙到了墙的另一侧等），则将其位置进行修正为可达区域内的距离位置最近的点。
26.s7，服务器模块根据乘客所处的位置，为乘客提供个性化服务，如复杂站厅内的导航、下一班次列车的到站时间和各车厢的拥挤情况等。
27.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

技术特征：

1.基于智能通信的行径轨迹位置获取方法，其特征在于，包括如下步骤：s1，通过蓝牙智能通信工具，接收n个蓝牙信标的信号，根据信号强度和蓝牙空间位置信息，得出待测体的蓝牙位置；s2，按固定的时间间隔，采集加速度计、地磁传感器和陀螺仪传感器的数据，利用陀螺仪输出的角速度实现对待测体行径轨迹水平和竖直朝向角的预判；对加速度数据和角速度数据做傅里叶变换，得到待测体行径的步频；根据加速度的值，实现对待测体步长l的计算；s3，根据蓝牙位置与传感器信息，利用扩展的卡尔曼滤波器对这些数据进行融合，得到待测体的位置，所述步骤进一步包括：s31，对待测体位置进行建模，其状态矩阵x
k
为：其中，表示待测体行径了k步后的位置坐标；表示待测体行径了k步后的朝向；表示第k步的步长；表示待测体行径了第k步时的水平方向的朝向角的变化量；表示待测体行径了第k步时的竖直方向的朝向角的变化量；为系统过程噪声变量；其量测方程为：其中，表示通过蓝牙智能通信工具得到的待测体空间坐标；表示通过传感器预估得到的待测体步长；表示传感器中得出的朝向角数据；表示朝向角的变化量；表示系统观测噪声变量，设定系统的状态方程和量测方程为：表示系统观测噪声变量，设定系统的状态方程和量测方程为：s32，标称轨迹方程的线性化:
s321,将状态方程中的非线性函数在的邻域做一阶泰勒级数展开，得到线性化的状态方程：其中，为时刻到时刻的状态转移矩阵;将状态方程带入即可得状态转移矩阵：s322,对将观测方程中的非线性函数在的邻域做一阶泰勒级数展开，得到线性化的量测方程：其中，为时刻的量测矩阵：时刻的量测矩阵：将量测方程带入即可得量测矩阵：
s33，根据经典卡尔曼滤波的方法进行状态的最优估计：s331,状态一步预测：其中，为时刻的待测物状态值，其初始值为，是将代入线性化后的状态方程得到的时刻的待测物状态预测值，即乘客的坐标信息；s332,中间值计算：其中，为均方误差的预测值，为均方误差的最优估计值，初值为，为卡尔曼滤波增益，为系统过程噪声的协方差矩阵，表示系统观测噪声的协方差矩阵，表示单位矩阵；s333，依据时刻的待测物状态值和卡尔曼滤波增益即可得到最优的状态估计值：。2.如权利要求1所述的基于智能通信的行径轨迹位置获取方法，其特征在于还包括步骤s4，将经过步骤s3卡尔曼滤波后的位置与可行径区域进行对比，若位置位于不可进入的区域，则将其位置修正为可行径区域内距离位置最近的点。3.如权利要求1或2所述的基于智能通信的行径轨迹位置获取方法，其特征在于步骤s1进一步包括：s11,通过蓝牙智能通信工具接收n个蓝牙信标的信号，其强度为；s12，在n个的蓝牙信号中选择强度最大的四个；s13，根据蓝牙信号的衰减模型，利用信号强度值a以及路径损耗因子n分别计算四个信号强度对应的距离，计算方法为：
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；s14，根据四个蓝牙信标的mac地址，获取对应的四个信标的空间位置；s15，将四个蓝牙信标每三个分为一组，一共可以形成4组，每组中的三个蓝牙信标位置和距离则确定待测体的位置，得出四个空间位置坐标；s16，根据四个距离对坐标进行加权，得出待测体的蓝牙位置，加权方法为：。4.如权利要求1或2所述的基于智能通信的行径轨迹位置获取方法，其特征在于所述步骤s2进一步包括：s21，通过智能通信工具对加速度计、地磁传感器和陀螺仪传感器按固定的时间间隔采集原始数据；s22，对步骤s21采集到的原始数据进行滤波处理；s23，利用陀螺仪输出的角速度，解算出智能通信工具的姿态，将其坐标系转换为真实世界的坐标系；s24，利用陀螺仪输出的角速度实现对待测体行径时水平和竖直朝向角的预判；s25，对加速度数据和角速度数据做傅里叶变换，得到乘客走行的步频f；s26，根据加速度的值，实现对乘客步长l的估计。5.利用如权利要求1或2所述基于智能通信的行径轨迹位置获取方法的位置获取系统，其特征在于包括：蓝牙信标模块，所述蓝牙信标模块用于发送和接收蓝牙信标信号，提供待测体的蓝牙位置；用户智能通信模块，所述用户智能通信模块至少包括加速度计、地磁传感器和陀螺仪传感器，分析计算待测体行径信息；服务器模块，所述服务器模块根据蓝牙信标模块提供的蓝牙位置与用户智能通信模块获悉的传感器信息，利用扩展的卡尔曼滤波器对数据进行融合，得到待测体的位置，提供延伸服务。6.如权利要求5所述的基于智能通信的行径轨迹位置获取系统在地铁站厅的应用，其特征在于包括如下步骤：s1，在地铁车站站厅内布置无源蓝牙信标模块；
s2，在地铁车站内建立三维的空间坐标系，根据蓝牙信标模块所处的位置以及站厅通道、设备的布置情况，建立蓝牙信标数据库与地铁站厅布局数据库，将其存储与服务器模块中；s3，当乘客带着智能通信工具进入地铁车站后，智能通信工具自动与安装于站厅内的蓝牙信标进行通信，获取信号强度，得到乘客的蓝牙位置；s4，智能通信工具按固定的时间间隔至少获取加速度、地磁、陀螺仪传感器的数据，分析计算出乘客行径的朝向、步频和步长信息；s5，结合蓝牙位置与传感器信息，利用扩展的卡尔曼滤波器对步骤s4得到的数据进行融合，得到乘客的位置；s6，结合步骤s2中服务器存储的地铁站厅布局数据，对乘客位置进行修正，得到最终的乘客位置；s7，服务器模块根据乘客所处的位置，为乘客提供个性化服务。7.如权利要求6所述的基于智能通信的行径轨迹位置获取系统在地铁站厅的应用，其特征在于所述步骤s2中的蓝牙信标数据库中至少包括蓝牙信标的mac地址、蓝牙信标的空间坐标、蓝牙信标所在的站厅区域和楼层数据；所述建立的地铁站厅布局数据库至少包括可行径范围的起点、终点、走向、宽度，站厅区域的范围和栏杆的位置。

技术总结

本发明公开了基于智能通信的行径轨迹位置获取方法，通过蓝牙智能通信工具，接收n个蓝牙信标的信号，根据信号强度和蓝牙空间位置信息，得出待测体的蓝牙位置；然后按固定的时间间隔，采集加速度计、地磁传感器和陀螺仪传感器的数据，利用陀螺仪输出的角速度实现对待测体行径轨迹水平和竖直朝向角的预判；对加速度数据和角速度数据做傅里叶变换，得到待测体行径的步频；根据加速度的值，实现对待测体步长的计算；最后根据蓝牙位置与传感器信息，利用扩展的卡尔曼滤波器对这些数据进行融合，得到待测体的位置，为待测体提供延伸服务，在低成本高效率的前提下，精准地完成复杂环境下的径行轨迹位置获取和定位。行轨迹位置获取和定位。行轨迹位置获取和定位。