基于iPhone的室内二维定位系统设计与实现

冯涛

摘要：考虑到当前广泛存在的室内定位和导航需求，文章将用户随身携带的iPhone手机与室内定位相结合，提出了基于iPhone的室内二维定位系统设计与实现。通过iPhone手机配置的惯性传感器，首先使用苹果公司提供的CoreMotion框架和CoreLocation框架获取用户的移动距离和方向，并对获取的数据进行处理：然后使用行人航迹推算（Pedestrian Dead Reckoning，PDR）算法估算出行人的位置坐标：最后实现室内二维定位结果。实验结果表明，基于iPhone的室内二维定位系统具备一定的可用性和准确率。

关键词：室内二维定位：iPhone：惯性传感器：行人航迹推算

中图分类号：TP393

文献标志码：A

0 引言

据有关数据显示，人一生中70%左有的时间是在室内度过的，随着移动互联网普及，物联网应用兴起，室内定位成为刚需[1]。在室外环境中，北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System．BDS）和全球定位系统（ Global Positioning System，GPS）可为人们提供高精确度的位置坐标[2-3]．但在室内环境中，由于受建筑物的阻挡，无线信号无法穿透建筑物的墙体，北斗和GPS系统将无法为用户提供较精确的位置坐标。室外定位是将人和地点打通，而室内定位连接的是人和具体的物体，将打通人与物、物与物之间的联系。未来的智能制造、智慧城市和智慧建筑应用等，都将依赖室内的高精度定位能力。押注室内定位，事实上是在押注通往万物互联的道路。随着人们活动的室内空间日渐庞大和复杂，兴趣点日渐丰富，室内定位的服务场景也将日渐丰富起来，室内定位服务场景具体如图1所示。

目前来看，国内外在室内定位技术方面做了大量的研究，包括5G基站、惯性传感器、伪卫星、地磁、低功耗蓝牙、超宽带、射频识别、红外线、无线局域网、超声波和WiFi等多种室内定位技术[4-10]．但目前尚未出现一种无须布置大量的基础设施且高可用高精度的室内定位方法。本文考虑到iPhone手机上配置了惯性传感器（加速度感应器、陀螺仪和磁力计），同时苹果公司提供了CoreMotion和CoreLoCation框架可用于获取用户的运动数据。故将室内定位技术与iPhone手机相结合，提出了基于iPhone的室内二维定位系统设计与实现。

1 国内外研究现状

细数国外相关研究成果，有多项具有代表性的室内定位系统，且定位精度良好。麻省理工学院计算机实验室Hari Balakrishna等研发的Cricket系统是基于超声波的室内定位系统，视距范圍内定位精度较高，室内复杂环境下定位精度较差：微软研发的RADAR和RADAR2系统，是基于WiFi的室内定位系统，定位精度在1 -5 m：Ubisense公司研发的Ubisense7000系统是基于UWB的室内定位系统，可以实现15 cm左有的3D定位，不过设备部署成本较高；除此之外，哈佛大学研发的MoteTrack系统、诺基亚公司采用蓝牙技术推出HAIP方案等也都取得了不错的定位精度。

就国内而言，近些年也出现了多项室内定位系统。武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室陈锐志教授团队的高精度音频定位系统在南京南站室内进行了系统精度、易用性等测试和评估，经会议质询讨论和现场考察测试，与会专家认为音频定位系的定位精度满足预期要求，可为重点站区路地联勤联动力量提供技术支撑。香港科技大学开发的LANDMARC系统，是基于射频识别的室内定位系统，平均定位精度可达1 m;北京航空航天大学开发的无线定位系统Weyes，是基于WiFi的室内定位系统；除此之外，北京邮电大学智能通信、导航与微纳系统实验室邓中亮教授团队以及清华大学刘云浩教授团队等都在室内定位领域取得了不错的成果。

综合国内外多项研究成果，尽管目前在室内二维定位领域已取得了不错的研究成果，但尚未H{现一种主宰室内定位方向的普适性技术，亟待一场技术革新和突破。

2 室内二维定位系统设计

2.1 相关数据采集原理

在iOS开发中，苹果公司提供了两个框架可用于室内定位，即CoreMotion框架和CoreLocation框架。CoreMotion框架可用于获取移动距离和移动步数等数据，具体为在queryPedometerData方法里通过distance属性获取移动距离数据（startUpdates方法也可用，使用情况看具体问题）；CoreLocation框架可用于获取运动方向、方向精度等数据，具体为在代理方法 locationManager didUpdateHeading 里通过true Heading属性获取运动方向数据（magneticHeading属性也可用于获取运动方向数据）。

2.2 行人航迹推算方法介绍

PDR是一种无需部署基础设施的自主性导航方法，实施起来成本较低。PDR定位算法根据行人状态（位置、航向角等）的变化，实时累积计算行人的位置[11]。行人只需知道初始位置坐标、变化的航向角以及移动距离，即可得到最终的估算位置。

已知初始位置为Ps=（x，y），则可推断出下一时刻（S+I时刻）的位置坐标Ps+1。推算公式如式（1）所示。

式（1）中，ds表示初始位置Ps到下一时刻（S+I时刻）位置Ps+1之间的移动距离，θm表示初始位置Ps到下一时刻（.S+1时刻）位置Ps+1的运动方向角（与正北方向夹角）。参照公式（1），即可得下一时刻（S+1时刻）的估算位置Ps+1=（x+1，ys+1），依次递推，即可估算出任意时刻的行人位置坐标。

2.3 室内二维定位系统设计

通过2.1节实现相关数据采集后，即可得到定位所需的全部基础数据（移动距离和运动方向数据），再运用公式（1）即可估算出行人的位置坐标信息，最终实现室内二维定位。基于iPhone的室内二维定位系统设计流程如图2所示。

3 室内二维定位系统实现

3.1 系统登录页面

输入用户名和密码，点击登录按钮后即可进入系统，即3.2节所示页面。错误输入用户名和密码或忘记输入用户名和密码会有相应的出错提示，同时打开记住密码的UISwitch则可以自动保存用户名和密码，下次登录时无需输入。系统登录实现页面具体情况如图3所示。

3.2详情页面

该页面结构较为简单，导航栏title显示为详情，页面主体包括两部分按钮，点击进入数据采集页面按钮和进入二维定位页面按钮分别进入到3.3节和3.4节所示页面，详情实现页面具体如图4所示。

3.3 相关数据采集页面

页面导航栏title显示为数据采集，导航栏左侧详情按钮点击后可返回到3.2节所示页面。进入页面后无相关数据，点击开始更新运动方向和距离按钮即可获取用户行走实时的运动方向和移动距离数据，点击停止更新运动方向和距离按钮则停止获取用户的运动方向和移动距离数据，移动距离和方向数据采集实现页面具体如图5所示。

3.4 室内二维定位页面

页面导航栏title显示为室内二维定位，导航栏左侧详情按钮点击后可返回到3.2节所示页面。进入页面后无数据，需输入初始X和Y坐标，点击开始更新位置坐标数据按钮即可获取用户行走时的位置坐标数据，点击停止更新位置坐标数据按钮则停止更新用户的位置坐标数据。忘记输入初始X和Y坐标而直接点击开始更新位置坐标数据按钮会有相应的错误提示。室内二维定位实现页面具体如图6所示。

4 结语

本文基于行人随身携带的iPhone手机進行了室内二维定位系统的设计与实现，并在iPhone 12手机上进行了测试。结果表明，该系统运行良好，具备一定的准确率与易用性，但随着长时间的定位，会存在较大的累计误差。后续工作将考虑设计算法提高系统的稳定性和定位精度，消除系统的累计误差。

参考文献

[1]王晓易．室内定位时代来临，开启位置服务新纪元[ EB/OL].（ 2015 - 08 - 27）[2023 - 02 - 10]. https：／／www. 163. com/news/article/B21 S1 PJA00014AED. html.

[2]刘通，李仲林，孙长麟．北斗卫星导航系统的应用分析[J]．信息与电脑，2022（7）：7-9．

[3]邓中亮，余彦培，徐连明，等．室内外无线定位与导航[D]．北京：北京邮电大学出版社，2013．

[4]常慧．基于惯性导航的室内定位研究[D]．北京：北方工业大学．2020．

[5]邸文华．基于iPhone的人员行走惯性导航系统的设计与实现[D]．天津：天津大学．2012．

[6]常梦阳．基于PDR和地磁的手机端室内定位系统研究[D]．徐州：中国矿业大学．2020．

[7]吴怡，李希胜．融合PDW地磁指纹的室内定位算法[J]．传感器与微系统，2022（3）：132-134．

[8]李远雷．基于Android平台蓝牙4.0技术的博物馆室内定位系统设计与实现[D]．西安：西安电子科技大学，2017．

[9]毕京学．智能手机Wi-Fi/PDR室内混合定位优化问题研究[J]．测绘学报，2021（ 10）：1416．

[10]季凌禹．基于iOS的WIFI室内定位技术研究[D]．成都：西南交通大学．2016．

[11]孙建强，尚俊娜，施浒立．PDR辅助UWB的室内非视距定位方法[J]．传感技术学报，2020（5）：711-717.

（编辑沈强）