android平台行人航迹推算的室内定位设计
摘 要近年来，随着移动互联网的高速发展和智能移动终端设备的普及，人们对于室内定位的需求越来越迫切。在现有的室内定位技术中，行人航迹推算技术（PDR）由于其自身优异的环境适应能力以及较好的精确度而受到人们的广泛关注。微软、谷歌等科技巨头也纷纷设立实验室和研发机构，重点研究基于行人航迹推算的室内技术研究，基于行人航迹推算的室内定位技术已经成为科技巨头的新的研究方向。目前，室内定位技术有很多种，我们所熟悉的有RFID、WiFi、蓝牙等技术。然而，由于多径效应以及物体遮挡等因素的干扰，这些技术在定位方面的应用也不尽如人意。行人航迹推算技术是一种利用安卓移动设备内部的惯性传感器获取的相对位置移动信息来计算行人位置移动定位技术,它是由加速度传感器利用峰值检测法检测出行人的步数，并估算其步长,之后再通过磁阻式微型传感器和三轴精密陀螺仪来计算步行者的方位角,从而得到人体的相对位移，再结合移动设备中存储的数据来实现定位。与其他室内定位方法相较而言,行人航迹推算技术抵抗外部环境影响的能力更强,而且不需要依靠其他网络信号。因此，本设计的目标在于在确保较高的定位精度的情况下将基于行人航迹推算的室内定位系统进行应用。在行人航迹推算系统中,行人行进过程中的方向和步数的估计均存在着一定的误差,因此如何获取精确的方向角和如何精确检测步数是基于航迹推算的室内定位系统的核心问题。本文在论文的第三部分重点讨论了定位系统的定位性能，并对不同行走方式造成的步数和距离的误差进行了测试并进行了分析。总体来看，基于PDR的室内定位系统的各方面指标尽管已经比较符合要求，但是距离商业化还有很长的距离。
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪 论 1
1.1 选题的背景及意义 1
1.2课题研究现状 3
1.3面临的问题与挑战 4
1.4全文的组织结构 6
第2章 系统的总体设计 7
2.1 系统开发概述 7
2.2 开发可行性 7
2.3开发平台 7
2.4 系统的模块 9
2.4.1 室内信息采集 9
2.4.2 信息处理 10
2.4.3 轨迹跟踪 11
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第3章 室内定位系统的原理及实现 13
3.1行人航迹推算算法研究 13
3.2系统各个功能的实现 14
3.2.1 相对移动信息的获取 14
3.2.2转向角的获取 16
3.2.3基于加速度传感器的步数检测 16
第4章 测试结果和分析 18
4.1系统界面及功能测试 18
4.2性能测试及分析 20
第5章 总结与展望 23
参考文献 25
附录 27
第1章 绪 论
1.1 选题的背景及意义
在移动互联网高速发展的今天,室内定位技术不仅在商业应用方面颇为广泛,在面对社会群体的公共服务方面也愈发凸显其重要性,比如我们可以用它去查找周围的银行、便利店、交通出行状况,在紧急救援时，比如火灾、地震等灾难时发生时,实施快速而准确的救援,定位技术都显示出广阔的市场需求与光明的应用前景。同时,在精确制导、精密定位等军事应用方面,定位与导航技术也有着极其重大的、不可替代的作用。因此,研究定位与导航技术和进一步地优化定位系统的精准度和稳定性,具有重要而现实的社会、经济意义和国防意义。
基于位置的网络服务（LBS）就是根据各种不一样的需求,在任意一个时刻、任意一个地点确定用户或者设备的较为精确的位置,从而为用户提供相关的服务。目前,室外定位技术已经发展的相当成熟,在地理信息、车载导航以及军事打击等民事，军事领域有着极为广泛的应用。室内定位技术是下一代LBS应用的主要研究方向,是目前定位与导航领域的比较热的研究方向。全球卫星定位系统(GPS)是当今经济社会应用最广泛的定位技术,具有全天候、高精准度、可连续提供最新位置等优点,但在城市里的摩天大楼群、偏远山区、山野老林和地下掩体建筑等状况下信号强度弱,可用性非常之差。因此,GPS不适用于较为复杂的室内环境。
随着无线通信技术的快速发展,基于wifi、Bluetooth等技术的无线网络在室内环境迅速普及,而相继出现了各种基于无线公用网络的室内定位技术。然而由于室内环境的复杂性和电磁波传播的不确定性导致了信号在传播过程中容易受到空气湿度和温度以及其他不可见波的影响而产生误判。基于无线网络的室内定位技术截止到目前还不能保证在所有的场景中都有绝对的稳定准确的定位效果,因此在其它导航技术不能广泛应用情况下,需要一种辅助导航方式能够在短时间内能提供准确的位置信息,给用户提供室内定位服务的无缝覆盖。而基于android手机平台的室内行人航迹推算技术（PDR技术）正是解决这一问题的绝佳选择。
惯性导航技术是现代科技发展到一定阶段的尖端技术,这项技术综合了力学、机电、数学和光电子学等多个学科。由于万有引力，所有的物体都具有惯性，基于惯性的这一特性是所有物体共有的，因此,以惯性原理作为其工作原理的基本定位系统都可以在脱机状态下正常运转,在任何环境下都能够实现精准的定位。
智能手机的移动定位系统将人们的生活连接在一个庞大而有序的网络里，现代的人们的生活越来越呈现出信息化和规范化。人们对于自己的行为都开始有比较完整而周觅的计划。出门查看当地的天气，旅游查看所经线路火车班次、住宿信息，休闲时人们寻找牌友打打扑克、上网一起相约旅行等。人们逐渐习惯于在网络的世界里规划自己的行程，规划自己的人生计划，规划自己的作息时间。这些小软件虽然看起来不起眼，但是我们对他的依赖性非常之强，它几乎存在我们所有人的移动设备中，它可以随时随地的定位以及非常棒的易携带功能给我们在解决一些非常棘手的问题提供了一个好帮手。
位置是人们认知宇宙万物和整个世界的客观基础，在都市快节奏的经济生活中，人们越来越迫切想知道当时所处的环境，比如“我在什么地方？”、“到火车站最短的路线是哪一条啊？”、“我附近有没有自动取款的机器啊”等等。随着空间信息技术以及移动通信的技术，Internet技术以及移动终端技术的高速发展，人们对自身所处位置以及与位置相关的信息需求成为可能。由此产的GPS定位系统是上述技术的有机结合，它将Internet上的海量的信息和地理信息系统强大应用服务扩展到移动终端上，为用户基于位置的信息的交换、信息的获取、信息的共享和信息的发布提供了便捷、经济技术途径。但随着商业模式以及用户需求不断快速提高的今天，室内定位的使用领域也正越来越广泛，而客户的需求也越来越迫切。
可是在室内定位方面,基于位置的服务却由于室内各种复杂因素的影响以及当今技术的限制而鲜有令人满意的成果，与之成对比的是，室内定位的应用的场合却愈发地广泛:
（1）准确的找到商户
当行人初次进入某个陌生的室内建筑时,如大型的商场、大的超市、飞机场、展览馆等场所,由于室内的面积一般都比较大,室内的布局相对而言比较复杂,一般行人无法快速得知自身所处环境的具体的位置信息,此时就需要室内的定位技术帮助行人确定自己的具体的地理位置,并帮助行人寻找目标店铺、目标产品或服务,比如商场的某个小商铺、购物中心的大厕所、机场出租车的某个入口等,通过室内的导航软件,系统将自动生成导航的路径,快速而且准确地指引行人到达目的地;
(2)品牌的精准策划投放
通过室内定位技术,可以详细准确地了解用户在商场的具体停留位置,比如说，可以确定消费者在哪几个商铺停留的时间比较久,商家通过这些数据可以了解到其目标客户的消费行为,甚至通过更加科学而有效的数据分析,广告商就可以向顾客和行人发送更加精准的广告。
(3) 救助与救援
在室内、地下回车场、轨交站等地方，无法通过GPS来定位,如果一旦突然发生火灾等危险事件,室内定位应用可以准确定位出求助者的位置,同时也可以精确定位救援人员的位置,那么这样就可以大量缩短救援时间,有助于快速开展的、准确的搜救行动,抢救遇险者的生命。
(4)寻找走失的儿童
在室内商场,为了防止小孩走丢,家长可以给小孩配备坚固而轻便的防拆的定位设备,通过我们的室内定位系统,将小孩的实时位置实时上传到家长的移动设备中,这样的话，如果不小心与小孩走散,那么这个家长通过定位设备就可以迅速地找回自己的小孩。
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪 论 1
1.1 选题的背景及意义 1
1.2课题研究现状 3
1.3面临的问题与挑战 4
1.4全文的组织结构 6
第2章 系统的总体设计 7
2.1 系统开发概述 7
2.2 开发可行性 7
2.3开发平台 7
2.4 系统的模块 9
2.4.1 室内信息采集 9
2.4.2 信息处理 10
2.4.3 轨迹跟踪 11
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第3章 室内定位系统的原理及实现 13
3.1行人航迹推算算法研究 13
3.2系统各个功能的实现 14
3.2.1 相对移动信息的获取 14
3.2.2转向角的获取 16
3.2.3基于加速度传感器的步数检测 16
第4章 测试结果和分析 18
4.1系统界面及功能测试 18
4.2性能测试及分析 20
第5章 总结与展望 23
参考文献 25
附录 27
第1章 绪 论
1.1 选题的背景及意义
在移动互联网高速发展的今天,室内定位技术不仅在商业应用方面颇为广泛,在面对社会群体的公共服务方面也愈发凸显其重要性,比如我们可以用它去查找周围的银行、便利店、交通出行状况,在紧急救援时，比如火灾、地震等灾难时发生时,实施快速而准确的救援,定位技术都显示出广阔的市场需求与光明的应用前景。同时,在精确制导、精密定位等军事应用方面,定位与导航技术也有着极其重大的、不可替代的作用。因此,研究定位与导航技术和进一步地优化定位系统的精准度和稳定性,具有重要而现实的社会、经济意义和国防意义。
基于位置的网络服务（LBS）就是根据各种不一样的需求,在任意一个时刻、任意一个地点确定用户或者设备的较为精确的位置,从而为用户提供相关的服务。目前,室外定位技术已经发展的相当成熟,在地理信息、车载导航以及军事打击等民事，军事领域有着极为广泛的应用。室内定位技术是下一代LBS应用的主要研究方向,是目前定位与导航领域的比较热的研究方向。全球卫星定位系统(GPS)是当今经济社会应用最广泛的定位技术,具有全天候、高精准度、可连续提供最新位置等优点,但在城市里的摩天大楼群、偏远山区、山野老林和地下掩体建筑等状况下信号强度弱,可用性非常之差。因此,GPS不适用于较为复杂的室内环境。
随着无线通信技术的快速发展,基于wifi、Bluetooth等技术的无线网络在室内环境迅速普及,而相继出现了各种基于无线公用网络的室内定位技术。然而由于室内环境的复杂性和电磁波传播的不确定性导致了信号在传播过程中容易受到空气湿度和温度以及其他不可见波的影响而产生误判。基于无线网络的室内定位技术截止到目前还不能保证在所有的场景中都有绝对的稳定准确的定位效果,因此在其它导航技术不能广泛应用情况下,需要一种辅助导航方式能够在短时间内能提供准确的位置信息,给用户提供室内定位服务的无缝覆盖。而基于android手机平台的室内行人航迹推算技术（PDR技术）正是解决这一问题的绝佳选择。
惯性导航技术是现代科技发展到一定阶段的尖端技术,这项技术综合了力学、机电、数学和光电子学等多个学科。由于万有引力，所有的物体都具有惯性，基于惯性的这一特性是所有物体共有的，因此,以惯性原理作为其工作原理的基本定位系统都可以在脱机状态下正常运转,在任何环境下都能够实现精准的定位。
智能手机的移动定位系统将人们的生活连接在一个庞大而有序的网络里，现代的人们的生活越来越呈现出信息化和规范化。人们对于自己的行为都开始有比较完整而周觅的计划。出门查看当地的天气，旅游查看所经线路火车班次、住宿信息，休闲时人们寻找牌友打打扑克、上网一起相约旅行等。人们逐渐习惯于在网络的世界里规划自己的行程，规划自己的人生计划，规划自己的作息时间。这些小软件虽然看起来不起眼，但是我们对他的依赖性非常之强，它几乎存在我们所有人的移动设备中，它可以随时随地的定位以及非常棒的易携带功能给我们在解决一些非常棘手的问题提供了一个好帮手。
位置是人们认知宇宙万物和整个世界的客观基础，在都市快节奏的经济生活中，人们越来越迫切想知道当时所处的环境，比如“我在什么地方？”、“到火车站最短的路线是哪一条啊？”、“我附近有没有自动取款的机器啊”等等。随着空间信息技术以及移动通信的技术，Internet技术以及移动终端技术的高速发展，人们对自身所处位置以及与位置相关的信息需求成为可能。由此产的GPS定位系统是上述技术的有机结合，它将Internet上的海量的信息和地理信息系统强大应用服务扩展到移动终端上，为用户基于位置的信息的交换、信息的获取、信息的共享和信息的发布提供了便捷、经济技术途径。但随着商业模式以及用户需求不断快速提高的今天，室内定位的使用领域也正越来越广泛，而客户的需求也越来越迫切。
可是在室内定位方面,基于位置的服务却由于室内各种复杂因素的影响以及当今技术的限制而鲜有令人满意的成果，与之成对比的是，室内定位的应用的场合却愈发地广泛:
（1）准确的找到商户
当行人初次进入某个陌生的室内建筑时,如大型的商场、大的超市、飞机场、展览馆等场所,由于室内的面积一般都比较大,室内的布局相对而言比较复杂,一般行人无法快速得知自身所处环境的具体的位置信息,此时就需要室内的定位技术帮助行人确定自己的具体的地理位置,并帮助行人寻找目标店铺、目标产品或服务,比如商场的某个小商铺、购物中心的大厕所、机场出租车的某个入口等,通过室内的导航软件,系统将自动生成导航的路径,快速而且准确地指引行人到达目的地;
(2)品牌的精准策划投放
通过室内定位技术,可以详细准确地了解用户在商场的具体停留位置,比如说，可以确定消费者在哪几个商铺停留的时间比较久,商家通过这些数据可以了解到其目标客户的消费行为,甚至通过更加科学而有效的数据分析,广告商就可以向顾客和行人发送更加精准的广告。
(3) 救助与救援
在室内、地下回车场、轨交站等地方，无法通过GPS来定位,如果一旦突然发生火灾等危险事件,室内定位应用可以准确定位出求助者的位置,同时也可以精确定位救援人员的位置,那么这样就可以大量缩短救援时间,有助于快速开展的、准确的搜救行动,抢救遇险者的生命。
(4)寻找走失的儿童
在室内商场,为了防止小孩走丢,家长可以给小孩配备坚固而轻便的防拆的定位设备,通过我们的室内定位系统,将小孩的实时位置实时上传到家长的移动设备中,这样的话，如果不小心与小孩走散,那么这个家长通过定位设备就可以迅速地找回自己的小孩。
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