摘 要： 行人航位推算系統(tǒng)（PDR）因其無(wú)需部署信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、成本低廉的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)定位中。圍繞基于行人航位推算的室內(nèi)定位問(wèn)題，對(duì)行人航位推算中步態(tài)檢測(cè)、步長(zhǎng)推算以及方向推算的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理和述評(píng)，綜述了基于行人航位推算的室內(nèi)定位的發(fā)展及該領(lǐng)域的一些主要研究成果，指出了該領(lǐng)域現(xiàn)有研究存在的問(wèn)題，提出了相應(yīng)建議和深入研究的方向。
關(guān)鍵詞： 行人航位推算；慣性傳感器；智能手機(jī)；室內(nèi)定位
0 引言
近年來(lái)室內(nèi)定位系統(tǒng)相當(dāng)流行，基于室內(nèi)定位的應(yīng)用有很多，例如，監(jiān)測(cè)病人在醫(yī)院里的位置、消防員在失事建筑物內(nèi)的位置等。
室內(nèi)定位領(lǐng)域已有大量的相關(guān)工作，比如利用在不同位置的短距離信號(hào)（如WiFi、RFID、紅外線(xiàn)等）的信號(hào)強(qiáng)度不同來(lái)建立射頻地圖。通過(guò)監(jiān)測(cè)信號(hào)的變化，利用三角測(cè)量法可以確定人的位置。但是這種方法需要提前在建筑物內(nèi)部署大量信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，而且信號(hào)容易受到環(huán)境干擾和多徑效應(yīng)。
相反，行人航位推測(cè)（Pedestrian Dead Reckoning，PDR）系統(tǒng)無(wú)需在建筑物內(nèi)預(yù)裝信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，利用慣性傳感器（如加速度傳感器、陀螺儀、數(shù)字羅盤(pán)等）計(jì)算步長(zhǎng)和方向，即可推測(cè)出行人的蹤跡。
1 PDR系統(tǒng)概述
PDR系統(tǒng)所使用的PDR算法，如圖1所示[1]，它是一種相對(duì)定位算法。圖1中，E和N分別代表正東和正北方向。
PDR算法：已知行人的起始位置（x0，y0），利用方位角θ1和步長(zhǎng)d1，可以計(jì)算出下一步到達(dá)的位置（x1，y1），如此反復(fù)迭代計(jì)算，可以計(jì)算出行人第k步到達(dá)的位置信息如下 
式中θi和di（i=1，…，k）分別代表第i步的方位角和步長(zhǎng)。PDR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。
2 步態(tài)檢測(cè)
步態(tài)檢測(cè)是基于慣性傳感器的行人定位系統(tǒng)中的模塊之一，步態(tài)檢測(cè)算法分類(lèi)如下。
2.1 時(shí)域分析
人在行走的時(shí)候隨身攜帶的手機(jī)的加速度軌跡在時(shí)域呈現(xiàn)周期性變化。Qian J等人[2]提出利用手機(jī)內(nèi)的三軸加速度傳感器記錄加速度軌跡，再?gòu)募铀俣溶壽E中檢測(cè)閾值，當(dāng)然在行走過(guò)程中人持手機(jī)會(huì)有些小的異常抖動(dòng)產(chǎn)生，如圖3所示。時(shí)域分析方法除了閾值檢測(cè)法之外，還有動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整法[3]。
2.2 頻域分析
頻域分析的原理是人行走時(shí)的頻率穩(wěn)定在2 Hz左右，而其他行為的頻率一般不在2 Hz附近，利用這一特點(diǎn)，參考文獻(xiàn)[4]利用短期傅里葉變換（STFT）提取出人行為的頻率，若在2 Hz附近，則認(rèn)為是跨了一步。
從上看出，時(shí)域分析方法較為直觀(guān)易懂，缺點(diǎn)是在時(shí)域上容易受其他噪聲的影響。頻域分析方法主要是利用行走時(shí)所特有的2 Hz來(lái)區(qū)分行走和其他行為，但不夠直觀(guān)，比如很難區(qū)分人抬腳和落腳兩種行為，因?yàn)槠漕l率差別很小。表1從技術(shù)、計(jì)算成本和檢測(cè)錯(cuò)誤率方面出發(fā)，總結(jié)比較了一些基于手機(jī)的步伐檢測(cè)文獻(xiàn)。
3 步長(zhǎng)推算
由于每個(gè)人的身高、走路的方式不同，所以每個(gè)人的步長(zhǎng)也不一樣，關(guān)于步長(zhǎng)推算方面的一些研究文獻(xiàn)總結(jié)如下。
3.1 常數(shù)模型
推算步長(zhǎng)最直觀(guān)的方法就是將一段測(cè)得的行走距離除以計(jì)數(shù)得到的步數(shù)，得平均步長(zhǎng)，即認(rèn)為步長(zhǎng)是常數(shù)[5]。但是實(shí)際上由于人在行走時(shí)的姿勢(shì)會(huì)有所變化，所以步長(zhǎng)也會(huì)改變。
3.2 線(xiàn)性頻率模型
模型A：
Li F等人[3]通過(guò)收集23個(gè)不同身高的人行走4 000步的數(shù)據(jù)，分析得到步長(zhǎng)和頻率呈線(xiàn)性關(guān)系，提出了線(xiàn)性頻率模型：
L=a·f+b
a和b值通過(guò)大量線(xiàn)下訓(xùn)練求得，此方法計(jì)算成本較小，計(jì)算精度也較低。
模型B：
Renaudin V等人[6]提出基于步頻和行人身高的步長(zhǎng)推算模型：
L=h·（a·f+b）+c（1）
式中L是步長(zhǎng)，h是身高，f是步頻，K={a，b，c}是針對(duì)每個(gè)人的系數(shù)集合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該模型的步長(zhǎng)推算錯(cuò)誤率為5.7%，而計(jì)算成本依舊較低。
模型C：
Qian J[2]提出基于步頻和加速度方差的步長(zhǎng)推算模型：
式中f是步頻，ν是每一步的加速度方差，K={α，β，γ}是每個(gè)人的系數(shù)集合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該模型步長(zhǎng)推算精度較高，同時(shí)其計(jì)算成本也較大。
3.3 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/strong>
Tian Z等人[1]提出了一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?/p>
式中amax和amin分別是步態(tài)檢測(cè)過(guò)程中的加速度最大值和最小值，C是比例系數(shù)，Tian Z等人采用了一種反向傳播的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)計(jì)算C的值，計(jì)算成本很高。
表2總結(jié)比較了一些基于手機(jī)的步長(zhǎng)推算文獻(xiàn)。
從表2可以看出，綜合計(jì)算成本和精度兩方面，文獻(xiàn)[6]最理想，盡管文獻(xiàn)[1]精度更高，但其計(jì)算成本較高，不適合實(shí)際應(yīng)用。
4 方向推算
已知步長(zhǎng)，還必須知道步行方向才能計(jì)算出行人的位置。通常智能手機(jī)上都有數(shù)字羅盤(pán)（方向傳感器），它能測(cè)出手機(jī)的Y軸投影到水平面時(shí)和地磁北極的夾角，即手機(jī)的方向角。但此方法存在地磁偏差和位置偏差。為了克服以上偏差，很多文獻(xiàn)方案提出融合其他傳感器，根據(jù)使用的傳感器類(lèi)型不同，可將這些方案分為如下兩類(lèi)。
4.1 融合慣性傳感器
由于智能手機(jī)里集成了很多慣性傳感器（如加速度傳感器、陀螺儀），它們可以和數(shù)字羅盤(pán)結(jié)合起來(lái)使用。例如用加速度傳感器測(cè)得的加速度軌跡可以用來(lái)確定一類(lèi)時(shí)間點(diǎn)，在這類(lèi)時(shí)間點(diǎn)上的位置偏差和在起點(diǎn)人把手機(jī)放進(jìn)衣袋后的位置偏差相同，這樣只要測(cè)出在起點(diǎn)的位置偏差，再結(jié)合在每一步的推斷點(diǎn)上測(cè)到的手機(jī)方向角，二者相加即為人走每一步時(shí)的行走方向[2]。
4.2 融合照相機(jī)
天花板的直線(xiàn)邊緣可以作為參考來(lái)推算行人方向。Sun Z等人[7]先是利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)從手機(jī)拍到的照片中提取出天花板邊緣，再計(jì)算手機(jī)Y軸相對(duì)天花板邊緣的方向偏差。由于建筑物水平界面大多是長(zhǎng)方形的，所以天花板邊緣相對(duì)建筑物水平或垂直，這時(shí)再測(cè)量建筑物的絕對(duì)方向，相當(dāng)于天花板邊緣的絕對(duì)方向，再結(jié)合前面手機(jī)相對(duì)天花板邊緣的方向偏差，就能得到手機(jī)的方向。該方案能取得1°左右的精度，缺點(diǎn)是計(jì)算量巨大，耗能也很大。
表3列舉總結(jié)了一些基于手機(jī)的行人方向推算文獻(xiàn)。
從表3看出，大多數(shù)方案都是把幾種傳感器融合在一起，這樣可以部分抵消單獨(dú)使用數(shù)字羅盤(pán)測(cè)量方向時(shí)受到的地磁偏差和位置偏差影響。
5 開(kāi)放性研究問(wèn)題
在行人航位推算應(yīng)用于室內(nèi)定位的過(guò)程中，依舊存在著一些研究問(wèn)題。
5.1 不同方案系統(tǒng)的融合
將幾種定位技術(shù)結(jié)合起來(lái)使用可以有效提高定位的精度、可靠性，同時(shí)能節(jié)省能耗成本。而且，能根據(jù)人所在的環(huán)境以及定位需求的不同選擇最合適的定位技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換。比如WiFi指紋定位和行人航位推算相結(jié)合的定位[10]。
5.2 利用外部環(huán)境提高精度
除了內(nèi)部?jī)?yōu)化步伐探測(cè)、步長(zhǎng)推算和方向推算算法，還可以借助外部環(huán)境提高定位精度，例如借助地標(biāo)。在某個(gè)位置的手機(jī)傳感器讀數(shù)若有明顯的特征，則認(rèn)為該位置是一個(gè)地標(biāo)。比如人乘坐電梯時(shí)手機(jī)的加速度傳感器讀數(shù)會(huì)有明顯的特征，可以把電梯位置作為地標(biāo)[11]。
6 結(jié)束語(yǔ)
行人航位推算系統(tǒng)（PDR）不需要在室內(nèi)預(yù)裝信標(biāo)節(jié)點(diǎn)就能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，跟蹤行人軌跡。本文回顧了PDR系統(tǒng)中三個(gè)模塊：步伐檢測(cè)、步長(zhǎng)推算、方向推算的各種算法方案，對(duì)它們進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹和比較。最后列舉了一些熱門(mén)的開(kāi)放性問(wèn)題。
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