阅读说明：本技术 室内环境导航的定位方法及定位系统 (Positioning method and positioning system for indoor environment navigation ) 是由 高劲松 李双成 艾莉 杨光 于 2020-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种室内环境导航的定位方法及定位系统,其中的方法包括如下步骤：S1、移动终端与RFID读卡器建立；其中,RFID读卡器随导航者在室内环境下移动；S2、在室内环境布置RFID标签,RFID读卡器与RFID标签进行通信获得标签数据；其中,标签数据包括RFID读写器与RFID标签之间的距离和RFID标签的位置坐标；S3、RFID读卡器根据标签数据利用三维定位算法定位RFID读卡器的当前位置,发送至移动终端。利用上述本发明能够在保障导航定位精度的同时极大的降低导航成本,为室内导航系统的实现提供有力的保障。(The invention provides a positioning method and a positioning system for indoor environment navigation, wherein the method comprises the following steps: s1, establishing the mobile terminal and the RFID card reader; the RFID card reader moves with a navigator in an indoor environment; s2, arranging an RFID label in an indoor environment, and enabling an RFID card reader to communicate with the RFID label to obtain label data; the tag data comprises the distance between the RFID reader-writer and the RFID tag and the position coordinate of the RFID tag; and S3, the RFID card reader positions the current position of the RFID card reader according to the label data by using a three-dimensional positioning algorithm and sends the current position to the mobile terminal. The invention can greatly reduce the navigation cost while ensuring the navigation positioning precision, and provides a powerful guarantee for the realization of an indoor navigation system.)

室内环境导航的定位方法及定位系统

技术领域

本发明涉及室内导航技术领域，特别涉及一种基于移动终端与RFID的室内环境导航的定位方法及定位系统。

背景技术

商场、超市、医院、停车场等大型室内环境，由于其环境复杂，各种通道出口、岔路较多，给人们出行带来诸多不便，因此人们在室内环境下也需要进行导航。

传统的北斗、GPS等导航技术在室内场景下，精度大打折扣，无法达到预期效果；室内研究较多的WIFI、UWB、Bluetooth、红外、超声、RFID等室内定位技术。各种技术都有其局限性，在导航的精度和移动终端的结合上存在着各种各样的问题。

红外定位系统一般由装有红外发射器的移动站和基站2个部分组成，适用于中小型房间，定位精度平均为6m。红外线穿透力差，只能提供房间级的位置传感功能，易受到光照或荧光灯的影响产生盲区，定位效果不理想。

超声波技术采用的测距方法是反射式测距法，通过计算时间差从而得到待测距离，定位精度可达3cm，定位精度高，但在硬件布设方面超声波定位技术要求较高，成本较高。

Bluetooth和ZigBee定位技术均基于短距离低功耗通讯协议，实现的方法可以是质心定位法、指纹定位和邻近探测法，且二者都具有功耗低，近距离、运用广泛等优点，但同时稳定性差、受环境干扰大，在室内复杂的电磁环境下不利于开展。

超宽带(UWB)定位技术定位精度高，但是成本非常昂贵，不便于大面积的部署和应用。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出了一种基于移动终端与RFID的室内环境导航的定位方法及定位系统，在保障导航定位精度的同时极大地降低了室内导航系统的成本，为室内导航系统的实现提供有力的保障。

本发明提供的室内环境导航的定位方法，包括如下步骤：

S1、移动终端与RFID读卡器建立；其中，RFID读卡器随导航者在室内环境下移动；

S2、在室内环境布置RFID标签，RFID读卡器与RFID标签进行通信获得标签数据；其中，标签数据包括RFID读写器与RFID标签之间的距离和RFID标签的位置坐标；

S3、RFID读卡器根据标签数据利用三维定位算法定位RFID读卡器的当前位置，发送至移动终端。

优选地，RFID标签布局为阵列形式，每四个RFID标签围成正方形。

优选地，三维定位算法的公式为：

其中，(x_i，y_i)为RFID读卡器的横坐标和纵坐标，(x₀，y₀)、(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)分别为四个RFID标签的横坐标和纵坐标，(x₀，y₀)作为坐标轴的基准点，s₀、s₁、s₂和s₃分别为RFID读卡器到四个RFID标签的距离，D为正方形的边长，ω₁、ω₂、ω₂、ω₄分别为权值。

优选地，在步骤S3之后，还包括如下步骤：

S4、获取室内环境电子地图，移动终端将RFID读卡器的当前位置实时更新到所述室内环境电子地图上，并生成RFID读卡器的当前位置到目的地的导航路径。

优选地，移动终端以扫描RFID读卡器上的条码的方式或与RFID读卡器无线通信的方式获取室内环境电子地图。

优选地，条码为一维条码或二维条码。

优选地，移动终端与RFID读卡器的无线通信方式为NFC、IrDA、ZigBee、UWB、蓝牙或wifi。

本发明提供的室内环境导航的定位系统，包括：移动终端、RFID标签和RFID读写器；其中，移动终端以扫描RFID读卡器上的条码的方式或与RFID读卡器无线通信的方式，获取室内环境电子地图；RFID读卡器与RFID标签分别布置在室内环境下，RFID读卡器随导航者在室内环境下移动，RFID标签在室内环境下固定不动；RFID读卡器在移动过程中与RFID标签进行通信获得标签数据；其中，标签数据包括RFID读写器与RFID标签之间的距离和RFID标签的位置坐标；读卡器包括定位模块和数据传输模块，定位模块用于根据标签数据利用三维定位算法定位RFID读卡器的当前位置；数据传输模块用于将RFID读卡器的当前位置发送至移动终端。

优选地，移动终端以扫描RFID读卡器上的条码的方式或与RFID读卡器无线通信的方式，获取室内环境电子地图；以及，移动终端包括位置更新模块和导航路径生成模块，位置更新模块用于将RFID读卡器的当前位置实时更新到室内环境电子地图上，导航路径生成模块根据RFID读卡器的当前位置生成到达目的地的导航路径。

优选地，RFID标签布局为阵列形式，每四个RFID标签围成正方形；以及，定位模块的三维定位算法的公式为：

其中，(x_i，y_i)为RFID读卡器的横坐标和纵坐标，(x₀，y₀)、(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)分别为四个RFID标签的横坐标和纵坐标，(x₀，y₀)作为坐标轴的基准点，s₀、s₁、s₂和s₃分别为RFID读卡器到四个RFID标签的距离，D为正方形的边长，ω₁、ω₂、ω₃、ω₄分别为权值。

本发明能够取得以下技术效果：

1、本发明采用成本低廉的RFID标签、RFID读卡器作为定位载体，其功耗低，定位精度高，可利用其穿墙衰减较大的特性区分楼层，适应室内环境的复杂性及楼层间隔等问题。

2、本发明采用的RFID读卡器可以与商场的购物车相整合，易于部署。

3、本发明采用的移动终端(手机、平板等)是通用设备，无需另外增加特殊设备，降低了导航系统的成本，对推广本导航方法十分有利。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的室内环境导航的定位系统的逻辑结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的室内环境导航的定位方法的流程示意图；

图3是根据本发明一个实施例的RFID网络的结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的三维定位方法的几何关系示意图。

其中的附图标记包括：移动终端1、RFID标签2、RFID读写器3。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明提供的室内环境导航的定位方法由室内导航的定位系统作为硬件支撑，而定位系统基于移动终端与RFID实现，由于移动终端为随身携带的通用设备，定位系统无需增加额外的昂贵设备，可以降低定位系统的成本，也就降低了导航成本，RFID具有功耗低、定位精度高等特点、非测距式定位更加适应室内环境的复杂性。

图1示出了根据本发明一个实施例的室内环境导航的定位系统的逻辑结构。

如图1所示，室内环境导航的定位系统包括：移动终端1、RFID标签2和RFID读写器3。

移动终端1为手机、平板电脑、笔记本电脑等智能终端，移动终端1与RFID读写器3建立无线通信，用于接收RFID读写器3发送的数据。无线通信可以为NFC、IrDA、ZigBee、UWB、蓝牙、wifi等方式。

RFID标签2为RFID卡或RFID贴，其数量为多个，以阵列形式布局在室内环境下的各个位置，每四个RFID标签2围成一个正方形。需要说明的是，各个RFID标签2固定在室内环境下，即RFID标签2的位置固定不动，通过RFID读写器3的移动来定位导航者的位置。

RFID读写器3布置在室内环境下，与导航者同步移动。RFID读写器3可以通过租赁等方式布置在室内环境下。例如：在商场内采用类似于投币取车，还车时自动归还押金的设备租赁，或者将RFID读写器3固定在购物车上等方式布置在商场内。又如：在医院采用类似于共享充电宝的方式布置于医院内。

在RFID读写器3上印有条码，条码可以为一维条码或二维条码，条码能够链接到室内环境电子地图，移动终端1通过扫描条码将室内环境电子地图下载到移动终端1，条码的扫描可以通过移动终端1的APP实现，例如微信、支付宝等。

不同室内环境下的RFID读写器3印有不同的条码，移动终端1通过扫描不同的条码下载不同室内环境的二维电子地图。

移动终端1还可以无线通信方式从RFID读写器3下载室内环境电子地图。室内环境电子地图可以为二维电子地图或携带楼层信息的三维电子地图。

RFID读写器3能够与RFID标签2进行通信，读出自身与RFID标签2之间的距离及RFID标签2的位置坐标，作为标签数据。

RFID读写器3包括定位模块和数据传输模块，定位模块用于根据标签数据采用三维定位算法定位出RFID读写器3的当前位置，数据传输模块用于将RFID读卡器的当前位置发送至移动终端1。

移动终端服1在接收到RFID读写器3的当前位置后，实时更新到室内环境电子地图上。通过在室内环境电子地图上实时更新RFID读写器3的当前位置，实现对RFID读写器3的实时定位。

由于RFID读写器3与导航者同步移动，定位RFID标签2的当前位置即为定位导航者的当前位置。

在本发明的一个具体实施例中，移动终端1包括位置更新模块和导航路径生成模块，位置更新模块用于接收数据传输模块发送的RFID读卡器3的当前位置，并将RFID读卡器3的当前位置实时更新到室内环境电子地图上，导航路径生成模块根据RFID读卡器3的当前位置生成到达目的地的导航路径。导航者根据移动终端1生成的导航路径即可达到目标位置。

上述内容详细描述了室内环境导航的定位系统的逻辑结构，与该定位系统相对应，本发明还提供一种利用该定位系统进行室内环境导航的定位方法。

图2示出了根据本发明一个实施例的室内环境导航的定位方法的流程。

如图2所示，本发明实施例提供的室内环境导航的定位方法，包括如下步骤：

S1、移动终端与RFID读卡器建立；其中，RFID读卡器随导航者在室内环境下移动。

移动终端以扫描RFID读卡器上的条码的方式或与RFID读卡器无线通信的方式，

室内环境电子地图由室内环境提供，室内环境电子地图为二维电子地图或带着楼层信息的三维电子地图。

该条码可以为一维条码或二维条码，移动终端通过扫描条码的方式下载室内环境电子地图。

移动终端与RFID读卡器的无线通信方式为NFC、IrDA、ZigBee、UWB、蓝牙、wifi等等。

移动终端与RFID读卡器进行通信，从RFID读卡器处下载室内环境电子地图。

由于RFID读卡器随导航者在室内环境下移动，对RFID读卡器进行定位，就可以获得导航者的当前位置。

S2、在室内环境布置RFID标签，RFID读卡器与RFID标签进行通信获得标签数据；其中，标签数据包括RFID读写器与RFID标签之间的距离和RFID标签的位置坐标。

RFID标签的数量为多个，以阵列形式布局在室内环境下的各个位置，形成RFID网络。

图3示出了根据本发明一个实施例的RFID网络的结构。

如图3所示，空心圆圈表示RFID标签，实心正六边形表示RFID读卡器，每四个RFID标签围成一个正方形，所有的RFID标签构成一个RFID网络。

获取RFID标签的位置坐标的目的在于计算出正方形的边长，为后续定位RFID读卡器的位置做准备。

S3、RFID读卡器根据标签数据利用三维定位算法定位RFID读卡器的当前位置，发送至移动终端。

当RFID读卡器进入RFID网络后，RFID读写器通过电磁波激活RFID标签并与RFID标签进行通信，从而获得标签数据。

标签数据包括RFID读写器的自身坐标位置和RFID读写器与RFID标签的距离及RFID标签的自身坐标位置。

三维定位算法在计算RFID读写器的当前位置时会用到四个RFID标签，四个RFID标签围成一个正方形。

图4示出了根据本发明一个实施例的三维定位方法的几何关系。

如图4所示，四个RFID标签的坐标分别为p₀(x₀，y₀)、p₁(x₁，y₁)、p₂(x₂，y₂)、p₃(x₃，y₃)，(x₀，y₀)为p₀的横坐标和纵坐标，(x₁，y₁)为p₁的横坐标和纵坐标，(x₂，y₂)p₂的横坐标和纵坐标，为(x₃，y₃)为p₃的横坐标和纵坐标，四个RFID标签围成的正方形的边长为D，RFID读写器的坐标为p_i(x_i，y_i)，RFID读卡器距离p₀的距离为s₀，RFID读卡器距离p₁的距离为s₁，RFID读卡器距离p₂的距离为s₂，RFID读卡器距离p₃的距离为s₀，RFID读卡器距离p₀的距离为s₃。

根据几何关系，可得：

根据式(1)～式(3)，通过p₀，p₁，p₂三个RFID标签及s₀、s₁、s₂可推导出RFID读写器的坐标为p_i(x_i，y_i)：

同理，通过p₀，p₂，p₃三点及s₀，s₂，s₃可以推导出RFID读卡器的坐标p_i(x_i，y_i)为：

同理，通过p₁，p₂，p₃三点及s₁，s₂，s₃可以推导出RFID读卡器的坐标p_i(x_i，y_i)为：

同理，通过p0，p2，p3三点及s₀，s₂，s₃可以推导出RFID读卡器的坐标p_i(x_i，y_i)为：

为了去除测距不稳定造成的误差，可将上述四个x_i、y_i的计算值进行加权平均处理，权值分别为ω₁，ω₂，ω₃，ω₄，可得出p_i相对于p₀的相对坐标为：

其绝对坐标为：

如果权值ω₁，ω₂，ω₃，ω₄均为1，可以得到RFID读卡器的绝对位置坐标为：

在本发明的另一个具体实施例中，在步骤S3之后，还包括如下步骤：

S4、获取室内环境电子地图，移动终端将RFID读卡器的当前位置实时更新到室内环境电子地图上，并生成RFID读卡器的当前位置到目的地的导航路径。

移动终端从RFID读卡器处获取室内环境电子地图，获取方式可以为从RFID读卡器上下载室内环境电子地图或扫描贴在RFID读卡器上的条码，链接到室内环境电子地图。

通过实时定位RFID读卡器的当前位置，并实时更新到室内环境电子地图上，以规划到达目的地的导航路径，并在室内环境电子地图中进行显示，实现室内导航。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。