严新辉;傅菊根自行车棚制作
【摘 要】Aiming at the low accuracy and low stability of the traditional positioning technology, the disadvantages of unable to locate in indoor environment and positioning objects are limited to digital devices, a local ground positioning system (LGPS) was put forward which based on the theory that the position of ground object is related to where it produces pressure on ground.With the matrix scanning circuit under the ground tile, scanning data can be easily got in real-time in a section and send them back to the user` s intelligent terminal via Internet.First, the theory of positioning system was introducd and then described some parameter support LGPS, and then the process of the intelligent terminal program was analyzed and simulated the data change when people walk in every direction on the ground and find out the algorithm pattern.Finally, all the hardware and software were developed in the LGPS and realized its function in positioning, navigation, security and message input.%针对传统定位技术定位精度低、稳定性较差,无法在室内环境
定位以及定位对象局限于数字设备的缺点,提出一种依靠物体对地面产生压力进行定位的方法.该方法通过在地面下铺设经过改进的矩阵扫描电路,实时获得地面所有物体踩压位置数据,将该数据通过互联网发送至用户智能终端实现定位.首先介绍了定位系统的原理,接着介绍局部地面定位系统中的一些参数,然后对智能终端程序进行流程分析并进行数据仿真,模拟了人在地面向各个方向行走时地面数据的变化并总结了其规律;最后,制作了相关硬件并根据仿真得出的算法进行了手机端软件的编写,完成了整个系统的开发,实现了局部地面定位系统在定位导航、安防监控、信息输入方面的功能.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2017(017)010
闯红灯抓拍系统【总页数】7页(P251-257)
垃圾篓
【关键词】定位技术;扫描电路;智能终端;地面定位
【作 者】严新辉;傅菊根
【作者单位】安徽理工大学土木建筑学院,淮南 232001;安徽理工大学土木建筑学院,淮南 232001
【正文语种】中 文
【中图分类】TP391.41
随着智能手机的普及，以及移动互联网的发展，人们对定位和导航的需求日益增大；尤其在复杂的室内环境，如大型商场、展厅、仓库、地铁、超市、图书馆、地下停车场等环境中，常常需要确定智能终端或其持有者、设施或物品在室内的位置信息。全球定位系统(global positioning system，GPS)是一种具有全天候、全时段的卫星导航系统，能够为用户提供相对精确的导航信息；但是由于室内环境复杂，卫星信号在室内易受到屏蔽致使人们无法顺利完成定位，而需要定位的行人物体必须使用接收设备[1,2]；因此需要其他手段来实现精确的室内定位。常见的室内定位技术主要有蓝牙技术、射频识别技术、WiFi技术、ZigBee技术、红外线室内定位技术等。蓝牙器件价格昂贵，对于复杂的空间环境，稳定性稍差，受噪声信号干扰大；射频识别技术造价较低，但是作用距离近，不具备通信能力；而且不便整合到其他系统中[3]；WiFi收发器覆盖的区域有限，容易受到干扰[4,5]，能筋膜放进B里面
耗较高；ZigBee系统建设成本低且节点功耗低，但单一的ZigBee节点覆盖范围小，难以满足大范围的定位需求[6]；红外线室内定位技术只适合短距离传播，易被荧光灯或其他光源干扰，在精度上有局限性。
磺酸酯传统的定位大多仅限于数字设备之间，不能系统地采集到一个空间内所有物体的位置信息，且误差大、精度低、定位过程中易受干扰。注意到大多数定位需求仍旧是定位处于地面上的人或物，我们借鉴矩阵键盘的原理，给承受行人物体重力的地面建立了一套“触觉”，称之为“局部地面定位系统”。使用这种定位系统，可以采集到位于其上的所有人或物体的位置数据，经过简单的数据算法处理，可以实现定位导航、安防监控以及信息输入等功能，为室内定位、高精度通用性定位提出了一种解决方案。本文在提出使用地面理论定位的同时，对该系统的数据进行仿真模拟得出其定位算法，设计并制作了其中相关的硬件和软件，并用实验实现了局部地面定位系统的多种功能。
局部地面在空间中的位置是可以被精确表示的，使用局部地面去定位其上的物体或行人的位置，便可实现对行人或者物体在整个空间中的精确定位。在地面材料下铺设改进的矩阵扫描电路，根据矩阵扫描电路对局部地面进行网格式划分，对所有网格单元使用类似于简
支梁的受力结构进行应力采集，某个矩阵网格单元处的应力数值发生了较大变化，就说明该矩阵单元上有物体或者行人的运动，根据变化量的正负便可得到该点处此刻是否受到踩压。如图1所示，受到踩压为1，未受到踩压为0，通过矩阵扫描电路可以得到局部地面上的所有网格单元处同一时刻的受踩压信息。对这些数据进行处理，便可实现局部地面定位系统的各种功能。
有史以来人们都喜欢在地面上铺设排列整齐的地板砖，地板砖的铺装与网格化地面操作相似，因此可以通过直接测量地板砖是否被踩压来对地板砖上的人或者物体进行定位。在地面材料是连续体的情况下，由于在受到地面行人物体踩压时，压力效应只存在踩压位置周围的很小范围内，因此只要对网格单元大小的面积进行压力采集，便可实现对其上是否有物体行人物体的数据监控。局部地面定位系统与传统定位方法的不同在于局部地面定位技术定位的是人或物在地面的位置，而传统方法定位的是智能终端在空间中的位置。
局部地面定位系统中，定位的基本单元是段，段是指一个矩阵扫描电路和其上的地板砖组成的集合。一个矩阵扫描电路可以确定一个处于该段上的所有物体在8行×8列地板砖中的位置信息[7]。将多个这样的段相接铺设，便可以在较大范围上实现精确定位，定位的精度
即地板砖的尺寸，对于500 mm×500 mm的地板砖来说，其定位精度即为0.5 m。一个段上的扫描电路由单片机控制，由于矩阵键盘与局部地面定位系统使用的环境不同，因此其电路、扫描程序的扫描原理和输出结果不同，局部地面定位系统中的矩阵扫描电路还需克服传统的矩阵键盘扫描电路存在的“键位冲突”难题[8，9]，即无论段上重物的位置如何分布，或者是段上同时有多个踩压点，局部地面定位系统的矩阵扫描电路都能实现稳定而正确的输出。
局部地面定位系统中每个段的输出的是8字节的正整数，1字节是8位，从局部地面定位系统的原理来看，这8字节的正整数可以看成是8×8个由0和1组成的矩阵，矩阵的每一个元素代表了8行×8列中每块地板砖的被踩压情况，0表示没有被踩压，1表示被踩压。
图2所示为局部地面定位系统框架,相邻区域内的多个段通过串行连接至路由控制器，路由控制器接入互联网。在工作时，路由控制器每隔一定时间便与因特网上的时间服务器使用NTP进行同步，维持自身的时间。各个段每完成一次扫描便将得到的8字节数据发送至路由控制器，路由控制器将收到的8个数据加入时间信息后保存在缓冲区内，同时判断用户终端是否有定位请求，如果有则判断客户端需要哪个段的数据，并将该段的缓存数据发送出去；
然后再次判断时间差，若大于一定时间则进行NTP同步时间，之后继续检查并接收各个端口的串行数据，基于这样的流程不断循环。
局部地面定位系统的使用从理论讲，在人们活动空间的绝大多数的场合的地面都可以使用。当地面面积很大时，需要相接铺设多个段来实现对该地面上的监控。当有很多段时，需要对这些段进行编号。
用户在离开一个段进入另一个段时，通过段的编号便可查询到即将所在段的网络地址，在用户处于地下空间等传统定位技术无法确定粗略位置的地方时，亦可直接输入段的编号直接获得当前所在段的位置和网络地址。
段的编号不能重复，在数学上应该有规律，用户在切换时通过计算便可得到，依据这样的理念和段的自相似性，设计了一种与位置有关的编码系统。段的自相似性是指段中每一个网格单元与自身都是标准的正方形，8行8列的网格单元形成一个段，8行×8列的段可表示一个巨大的地面区域称之为区，在一个段上表示一个网格单元使用第几行第几列，在一个区上表示一个段，也可使用第几行第几列的段，同样这个区在一个更大范围的平面内也会被表示为第几行第几列的区；在算法上实现只需将一个分割矩形的函数不断递归调用便可
实现，这种编码系统也可与传统经纬度进行转换，如图3所示，在东北半球使用这种编码系统，对我们自身所处的经纬度进行了编码，并使用生成的编码又重新进行解码得到经纬度。可以发现，使用经纬度表示一个位置需要两个值，使用这种编码系统只需一个，而且实现编码的可计算化，其表示的位置可以直接精确到段上的任一个网格单元。
段的参数不仅包括段的编号、还包括其所在整个地球上的位置信息、段的方向、段所在路由器的网络地址、段的大小、精度、灵敏度等信息。段所在位置的地理信息包括该位置地面的海拔高度、经纬度或大地坐标、地面的坡脚、地面的形式(如平地或者楼梯)、地面的材料属性等。位置信息主要包括其经纬度、所处地形等信息；段的方向表示段在空间中的指向，与智能手机传感器的方向定义使用相同的参考系，但段自身相当于一个向量，有自己的方向，如图4所示。精度表示段的每个网格的长宽尺寸，段的大小表示整个段的尺寸；段的灵敏度表示段上阵列传感器能检测到的最小重量值，物体的重量超过该值，在段上就会被确定位置。
在地图数据方面，使用局部地面定位技术进行导航时对地图数据的依赖性较弱，传统导航软件的实现主要是通过对路的寻以及距离的计算。局部地面定位系统中产生的数据就是
可通行地面上的实时的所有物体行人的位置信息，因此不存在将用户导航至不能行走的地面区域的情况。局部地面定位系统将类似于建立了一个巨大的地面信息的数据库，数据库中的内容是多个区域地面的实时动态数据，用户可以根据编码从其中获得自己所处的局部地面的数据，然后从这个数据中定位自身，同时获得自身前后左右处的其他行人物体的位置信息。
在用户终端接收到定位数据后，需要对一个段的定位数据进行处理，从中得出用户在段上的精确位置，处理数据时，同时需要手机传感器捕捉到的人的运动状态，通过相应的算法来确定用户位置。智能手机上有多种传感器，主要有磁阻尼感应器、加速度感应器、陀螺仪感应器等[10]。其中磁阻尼感应器可以输出手机前端的朝向信息，加速度感应器输出手机3个轴的加速度大小，陀螺仪感应器可以输出手机转过的角度[11]。依靠磁阻尼和加速度感应器便可实现对用户的运动状态的判断[12—14]。参考一般的计步器的算法，使用步伐波峰检测算法实现对用户行走状态的采集，在采集的同时记录波峰的精确时间，并直接输出相应的判断结果，如图4所示，即用户相对于段向前、后、左、右、左前、左后、右前、右后等8种状态，有了用户预判结果之后，与接收到的用户所处段的定位数据中进行筛选从而显示出用户的位置；程序的流程图如图5所示。
