杨　祺

(昆明船舶设备试验研究中心 第5研究室，云南 昆明 650051)

基于iOS平台的室内定位与路径引导系统设计

杨祺

(昆明船舶设备试验研究中心 第5研究室，云南 昆明 650051)

摘要为便于人员在照明不良的封闭环境中对自身进行定位,并快速到达工作现场开展检修工作，文中使用惯性传感器加速度计和磁力计设计出一种室内引导系统，并基于iOS平台开发出相应的应用程序APP。经实验测试，此应用程序能够实现自主的室内引导，在使用加速度计时设定的阈值能有效降低时间累积误差。

关键词室内定位；路径引导；惯性传感器；智能手机

有时，工作人员需要进入到一些照明不良的封闭环境中去对故障设备进行检修。对于新员工来说，如果不熟悉这个昏暗环境，就难以确认自己当前存在位置，并找到故障设备所在位置的路径。因此，能够在室内对工作人员进行定位及路径引导的工具就显得尤为重要。目前，较为主流的室内定位技术有红外线、超声波、蓝牙、射频识别技术、WiFi等[1]，但这些技术仍存在如精度低、成本高、用户体验差等问题[2]。而且，由于GPS信号容易受到障碍物的阻挡，其不适用于在室内环境中使用。

惯性导航技术是一种只使用惯性传感器，摒除了外部辅助设备的自主定位导航技术；在室内环境发生改变时，惯性导航系统不必重新部署方案[3]。近年来，大多数智能手机都配备了惯性传感器，研究人员使用智能手机的各种硬件传感器和计算能力，能够开发出易用的定位导航系统。目前，iOS是一种主流的智能手机操作系统，支持第三方的二次开发扩展[4]。

文中根据惯性导航原理设计，并在iOS平台上实现的室内引导系统，能够提供室内设备的位置信息和人员的实时位置信息，并在室内已提前规划好的路径上对工作人员进行引导，使其能够快速找到故障设备，开展维护和检修工作，避免因抢修不及时带来的安全隐患。

1系统设计及原理

本系统的设计目的是指示位置信息并引导人员并以正确的方向行走设定的距离后进行正确的转向。为达到此目的，按以下思路进行设计：首先，绘制室内地图，在室内地图上标识出起点及目的地的位置信息，得到室内位置信息平面图，并存入智能手机；在室内位置信息平面图上，规划出一条最优路径；测取最优路径上各直线路段的距离及方向信息，将这些信息作为路径信息存入智能手机。然后，使用智能手机的惯性传感器和计算能力，测算出使用者的走动信息，根据起点位置信息和走动信息确定出使用者的实时位置。最后，将使用者的走动信息与提前存入手机中的路径信息做比对，比对结果即可引导使用者在最优路径上前行。图1为系统总体设计框图。

图1　系统总体设计框图

系统设计的重点是得到走动信息，这其中有两个关键要素:一个是检测出人员的走动并累计其走动的距离;另一个是测算出人员当前的朝向。系统使用到惯性传感器加速度计和磁力计来检测使用者的前行走动及走动的朝向。功能框图如图2所示。

图2　惯性传感器功能框图

另外，系统设计了定位图标以指示出人员当前的路段相对位置，如果定位发现人员偏离所规划的路径，系统将产生必要的提示信息。而且，系统在室内地图上会标示出使用者已走过的路线，用于人员路径与所规划路径的匹配。

1.1加速度计测距原理

加速度计通过测量惯性力可检测出移动设备受力时其运动的加速度的大小和方向，因此可以用于检测设备相对于地面的运动[5]。对于该系统来说，当使用者发力向前走动时，这个力会使智能手机上的加速度计产生相应方向上的读数，通过这个读数即可判断使用者是否产生了前行走动。由于智能手机使用的加速度计带有一定的偏差，于是在系统的移动识别设计中，设定了一个阈值，只有当加速度计读到的加速度值大于这个阈值的时间段，才判定设备确实产生了移动。

在判断出人员确有走动时，需要累计其走动的距离。由于此次设计中加速度计y轴输出的加速度值不适用于数值计算。因此，本系统未直接使用加速度的二次积分得到距离，而是考虑在设备移动时使用合适的速度对时间进行累加得到距离，于是使用了提前测量出的人员行走平均速度。另外，把实际方向角与正确方向角的偏差角余弦值作为距离累计程度。

如式(1)所示，采样周期为Δt；平均速度为Vavg；位移为S(n)；n为采样序号；α为实际方向角与正确方向角的偏差角。在未走动的采样周期内，把速度设为零，而在判断出确有行走的采样周期内，使用式(1)可得到行走距离

S(n)=(Vavg×Δt)×cosα+S(n-1)

(1)

1.2磁力计朝向判断原理

地球的磁场和条形磁铁类似。把地球看作一个磁偶极子，磁力线从南极附近出发进入到北极附近。磁感应强度He的方向和磁力线的方向一致，磁感应强度的大小和磁力线密度成正比，可以将磁感应强度分解到三维坐标系中，得到3个矢量Hx、Hy、Hz。水平方向的磁感应强度Hx与Hy能够用于判断方向[6]。

磁力计能够测量周围环境中的磁感应强度，当附近没有电磁干扰时，磁力计测量的磁场主要为地磁场。磁力计能测量设备在x、y、z3个轴上的磁感应强度，单位μT。当设备处于水平或竖直状态时，x、y、z中的两个轴处于水平方向，通过两轴磁力数据可判断方向。如图3所示，当设备处于水平状态时，利用Hx和Hy计算方向θ，其中θ为设备与地磁北极水平矢量的夹角。

图3　设备处于水平状态的方向计算

方向θ的计算方法如下[6]

(2)

2系统硬件选择与软件实现

2.1硬件部分

iPhone配备了完善的惯性传感器系统，在人员手持其走动时，其中加速度计会产生明显的读数变化，磁力计的朝向判断能准确指示人员前行走动的方向。另外，iPhone具有足够的计算能力[7]，在其操作系统iOS上开发的APP方便易用。因此，选用iPhone 作为本系统的移动引导设备，iPhone惯性传感器系统如表1所示。

表1　iPhone主要采用的惯性传感器

2.2软件实现

在搭载iOS操作系统的设备iPhone上，开发相应的应用程序APP来实现室内定位与路径引导系统。系统每个采样周期内的程序流程如图4所示。

图4　系统程序流程图

3实验测试

测试场地选取建筑物室内楼层。起点是室外环境与室内环境的交界处，为使人员起点与室内地图上的起点对应，首先使用室外GPS导航引导人员至所需入口，与室内地图上的起点进行匹配，然后再使用室内引导系统[8-9]。

3.1距离累计测试

测试路段为最优路径上一个25.8 m的直线路段。测试者以1.2 m/s的平均速度，按照指定路段径直步行，一共测试了5次，平均误差为2.14%,实验结果如表2所示。

表2　25.8 m路段距离测试结果

3.2朝向判断测试

将iPhone 水平放置在桌面上，屏幕朝上，保持一段时间静止不动，分别朝东西南北4个方向进行朝向判断，朝向判断的方向角θ如图5所示，其中横轴代表采样序号，纵轴代表方向，单位为度。

图5　所计算的iPhone 与磁北方向的夹角

理论上，东南西北与磁北的夹角分别为 90°、180°、 270°和0°。朝向判断测试出的平均值分别为 90.8°、 181.9°、 267.3°和4.7°，朝向判断准确度较高。

3.3整体效果测试

系统界面上分别显示了距离累计模块、朝向判断模块、位置信息平面图模块以及一些提示信息。室内引导系统的实际运行效果如图6所示，容错功能如图7所示。

图6　实际运行效果

图7　容错测试

[2]冯庆华,谌海云,路通达,等.基于CAN总线的仓库温湿度监控系统的设计[J].现代电子技术，2008(7)：144-147.

[3]邬宽明.CAN总线系统设计中的几个问题[J].电子技术应用，1998(8)：17-19.

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Design of Indoor Positioning and Route Guidance System Based on iOS

YANG Qi

(Fifth Research Laboratory, Kunming Shipbuilding Equipment Research Center, Kunming 650051, China)

AbstractTo help the worker locate himself and reach the work field in time to carry out equipment maintenance in dark indoor environment, an indoor positioning and route guidance system was designed with the principle of inertial navigation in this paper. Then, based on iOS, the corresponding application APP was developed. Through the experimental test, this APP completed autonomous indoor guidance. In addition, a threshold made when using acceleration reduced the time cumulative error of inertial navigation.

Keywordsindoor positioning；route guidance；inertial sensor；iphone

收稿日期:2015-11-07

作者简介:杨祺(1990-)，男，硕士。研究方向：基于网络的综合智能控制与信息管理

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.049

中图分类号TN965

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)06-171-04