室内导航技术综述

室内导航技术综述

张孝恒

（重庆交通大学 智慧城市学院，重庆  400041)

摘要：为了更好的在室内进行导航需要建立固定的路径约束，将空间路径化，因此在室内空间提取导航路网成为近年来室内导航研究的领域之一。本文总结概括了室内导航技术发展历程，以及关键的路径规划技术、主流算法及路网模型的构建原则，分析了当前室内导航技术的发展前景，为未来进一步的研究室内导航技术提供一定的帮助。

关 键 词：室内导航；室内定位；路径规划；路网模型；

1引言

随着城市变化突飞猛进，高大的建筑物不断增加，而且越来越多样化室内导航以及基于位置服务（location-basedservice，LBS）显得越来越重要[1]。室内是人类活动的主要空间，例如办公室、购物中心、医院、机场等，据研究表明人类87%左右的时间都在室内空间移动[2]。在室内空间导航中，导航路径非常重要，然而室内导航路径不同于室外导航路径：因受房间、门、增等室内实体要素限制，在空间布局、拓扑网络、空间约东等方面具有特殊性，传统欧式距离和道路网路径距离在室内空间导航中存在较大缺陷，因此需构建室内导航网络以规划导航路径及计算路径距离。在对室内导航而言，如何构建路网模型对于室内导航的研究起着基础性的作用。只有在合理准确的提取出室内空间的路网模型，才产生了合理规划路径的可能。

2  室内定位技术

定位简单来说就是根据已知节点（AP）的位置信息，利用已知节点和未知节点（MS）间存在的关系如距离，来估算MS的位置信息。定位的内在逻辑可以用如下的等式表示:

定位方法=定位介质+定位算法

在等式中定位介质是多样的，可以是声波，光学，无线信号、地磁场等。定位算法可以分为基于测距和非测距的。基于测距的有到达时间（Time Of Arrive，TOA）、到达时间差（Time Difference Of Arrive，TDOA）、到达角度（Angle Of Ar⁃ rive，AOA）、信号强度指示（Received Signal Strength Indication， RSSI）。基于非测距的是指纹定位（Fingerprint，FP）[3]。

2.1  基于测距的定位算法

2.1.1  TOA定位算法

在TOA到达时间定位算法中AP是信号的发射端，MS是信号的接收端，信号的传播速度为v，从AP到达MS所用时间记为t，则两者之间的距离d=v*t。原理如图1所示。TOA算法需要接收端和发送端保持时间上的同步，在时间精确同步基础上，定位精度可以达到厘米级。

2.1.2  TDOA定位算法

TDOA算法需要发送端保持时间同步即可，它利用MS接收到的两个不同AP1，AP2的信号到达时间差，计算出MS到AP1和AP2的距离差为L12，则MS就在以这AP1，AP2为焦点的双曲线上，再测得MS到AP1，AP2的距离差为L12，则MS就在这 两个双曲线点上，原理如图1所示。

图1  TDOA定位原理

2.2  指纹定位

指纹定位包括两个阶段：离线建库和在线定位。在离线建库阶段，首先将定位区域进行划分，划分为一个个的小正方形，划分完毕之后，构建坐标系，为每一个小正方形定好坐标，之后采集每个小正方形区域内的RSSI值，采集完所有正方形之后构建指纹数据库，数据库中的每一项是一个由坐标和RSSI构成的二元组即指纹<坐标，RSSI>；在线定位阶段，获取到待测点处RSSI值，与数据库中指纹作对比，找出与待测点处RSSI值差值最小点，输出其对应坐标作为待测点处坐标。

3  路径规划

室内路径规划是导航服务的核心展示形式。要发展室内导航技术，那便离不开路径规划，路径规划是指在具有障碍物的环境中，按照一定的评价标准，寻找一条从起始状态到目标状态的无碰撞路径。路径规划是室内定位系统中重要组成部分，路径规划优劣直接影响导航系统的整体性能。导航设计者在设计路径规划需要尽可能地提高易用性以及可靠性，尽可能地降低由于规划路径出错而导致用户迷路的概率。

3.1  A*算法

A*算法是启发式搜索算法，启发式搜索即在搜索过程中建立启发式搜索规则，以此来衡量实时搜索位置和目标位置的距离关系，使搜索方向优先朝向目标点所处位置的方向，最终达到提高搜索效率的效果。A*算法的基本思想如下：引入当前节点x的估计函数f(x),当前节点x的估计函数定义为：f (x)= g(x)+h(x)。其中g(x)是从起点到当前节点x的实际距离量度（代码中可以用两点之间距离代替）；h(x)是从节点x到终点的最小距离估计，h(x)的形式可以从欧几里得距离或者曼哈顿距离中选取。

4路网模型

构建路网模型作为室内导航的关键，他的构建需要遵循很多的原则。描述路网的基本要素有节点、路段与形状点，从路网的直观结构考虑，很自然地会想到用图来表示路网。交叉口对应节点，两交叉口之间的路段对应边或弧，路段的某种量化属性作为权，这样用一个赋权图可以初步描述路网。又由于同一个路段的不同方向其属性一般而言不一定相同，故可以采用有向图描述路网。

5结论

随着室内定位技术、室内数据采集等技术的日益成熟：以及对室内空间认知等理论的深入探索，将进一步推进室内导航技术的蓬勃发展，室内路网的提取作为室内导航中重要的一环，已然成为了研究热点之一，然而在其进步的同时也需要面对不足与挑战，主要体现在以下两个方面：
    1）路网模型缺乏统一格式标准，现有很多方法提取出的导航路网模型：没有统一的格式展示与存储。现有方法提取的路网格式主要有3种：格网模型、点线模型、点线格网混合模型。每种模型根据方法不同：采用的显示与存储格式也不同：给路网的分析与可视化带来了一定的困扰，从一定程度上阻碍了其发展。
    2）当前所做的研究大多数针对单一场景，例如只做室内导航或只关注于室外导航，导航终归是以人的活动为依据：人的活动需要横跨室内外就目前研究来看，关注于室内室外导航结合的例子还较少。

参考文献:

[1] 赵江洪,董岩,危双丰,孙铭悦 & 陈朝阳.(2020).室内导航路网提取研究进展. 测绘科学(12),45-54+76.

[2] 赵卫锋．(2011): 基于空间认知的智能导航方法研究[D]．武汉大学，2011.

[3] 王莉利,高新成,田晓宇.AutoCAD到ArcGIS数据转换方法的研究与应用[J].陕西理工学院学报(自然科学版),2013,29(05):39-43.