CN103499351A - 一种基于磁地标和磁传感器的车辆辅助定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于磁地标和磁传感器的车辆辅助定位方法，属于车辆辅助导航定位系统领域。该定位方法利用车载磁传感器装置检测沿路面宽度方向等间距排列的一组磁地标的磁场信号判断出车辆的相对位置；磁传感器装置由多个磁传感器组成，磁传感器等间距布置，多个磁传感器的总宽度和磁地标的间距相等；磁地标的极性不重复，每个磁地标代表一个横坐标x；当磁地标位于不同的磁传感器之间时，车体相对于磁地标有不同的横向偏移距离Δx；当磁场强度B大于阀值

时，由

求车体的纵坐标y；利用波形识别的方法确定磁地标的极性和横坐标x；磁地标的横坐标x与横向偏移距离Δx之和即为车体的横坐标x。本发明的定位方法抗干扰能力强，具有完全自主性，定位精度较高。

Description

一种基于磁地标和磁传感器的车辆辅助定位方法

技术领域

本发明是有关于车辆辅助导航定位系统，尤其是有关于在不同环境下提高车辆的定位精准度的定位方法。

背景技术

在军、民领域中的各类行动装置上，惯导系统作为一种现代化导航设备已被广泛应用，尤其在现代军事领域中发挥着举足轻重的作用。由于陀螺漂移和加速度计的误差随时间逐渐积累（这也是纯惯导系统的主要误差源之一，它对位置误差增长的影响是时间的三次方函数），惯导系统长时间运行必将导致客观的积累误差，因此，目前人们在不断探索提高自主式惯导系统的精度外，还在寻求引入外部信息，形成组合式导航系统，这是弥补惯导系统不足的一个重要措施。组合导航系统通常以惯导系统作为主导航系统，而将其他导航定位误差不随时间积累的导航系统如无线电导航、天文导航、地形匹配导航、GPS等作为辅助导航系统，应用卡尔曼滤波技术，将辅助信息作为观测量，对组合系统的状态变量进行最优估计，以获得高精度的导航信号。然而以上这些辅助导航定位系统或受制于电磁场干扰、或受制于天气、或受制于地形、或受制于他国等因素，因此本发明提出了一种基于磁地标和磁传感器的车辆辅助定位方法。该方法基本不受以上因素影响，抗干扰能力强，具有完全自主性。

发明内容

本发明提出一种定位方法，可利用车载磁传感器装置检测沿路面宽度方向等间距排列的一组磁地标的磁场信号判断出车辆的相对位置。其中磁传感器装置由多个磁传感器组成，磁传感器也是等间距排列布置，多个磁传感器的总宽度和磁地标的间距相等；磁地标把路面宽度均等分；沿路面宽度x方向上布设的磁地标的极性不重复（如NS、SN），当车载磁传感器装置经过不同的磁地标时测得不同的磁场信号；在获得磁场信号的过程中通过低通滤波器进行滤波去噪；磁传感器距离磁地标有一定的垂直高度h，考虑到磁传感器的测量范围与成本的关系，h选取为0.3m～1m；

设磁传感器的数量为n，取n≥4，磁地标的数量为m，m=2，磁地标的间距为a，a选取为2m～3m，磁传感器的间距为a/(n-1)；每一个磁地标代表一个横坐标x；当磁地标位于不同的磁传感器之间时，车体相对于磁地标有不同的横向偏移距离Δx；

在应用前先利用磁传感器实测得到路面宽度范围内距磁地标高度h处的磁场强度B；设定磁场强度的阀值

为距磁地标高度h处的磁场强度B；当车载磁传感器装置经过磁地标时，一旦磁传感器测得的磁场信号大于该阀值

即认为车载磁传感器通过磁地标，并以此时为计时时刻，根据

即可求出车辆的纵坐标y，其中v为车速，t为时间；

当

时，其中为设定的固定值，

选取为1m～2m，截取以

范围内的采样磁场数据进行波形识别；波形识别采用模式相似性测度方法；

n个磁传感器分别编号为磁传感器1、磁传感器2、磁传感器3、…、磁传感器n，设它们在

范围内的采样磁场强度B的最大值分别为B_1m、B_2m、B_3m、…、B_nm；在磁场强度B较大的三个磁传感器中，找到磁场强度较大且磁传感器编号相邻的两个磁传感器，判定是这两个磁传感器通过的磁地标；又通过比较这两个磁传感器的磁场强度B的大小确定该磁地标距离哪个磁传感器更近，这时赋予系统一个车体相对于该磁地标的横向偏移距离Δx；然后再根据这两个磁传感器测得的磁场波形进行波形特征判断，从而确定该磁地标的极性以及横坐标x；

该磁地标的横坐标x与车体相对于该磁地标的横向偏移距离Δx之和即为车体的横坐标x；车辆的理论横向定位精度为磁传感器间距的1/2；

所述的设定磁场强度的阀值

用来判断车载磁传感器通过磁地标的方法可采用峰值检测的方法进行判断来替换，以检测到峰值的时刻为计时时刻。

所述的波形识别方法采用模式相似性测度方法可替换为采用局部特征识别方法或相位识别方法对磁场波形特征进行识别。

相较于先前技术，本发明的定位方法简单易行，抗干扰能力强，具有完全自主性，定位精度较高。

附图说明

图1：本发明实施例中的磁地标路面布置和磁传感器装置示意图；

图2：本发明实施例之一的定位方法流程图。

具体实施方式：

在图1中，沿路面等间距布置2个磁地标，磁地标为圆柱形永磁体，为了减少磁地标之间的磁场互相影响，间距选取2.25m，磁地标极性组合为NS，每一个磁地标代表一个横坐标x，磁传感器装置由4个磁传感器组成。磁传感器的间距为0.75m。4个磁传感器的总宽度等于磁地标的间距。磁传感器检测x，y，z三个方向上的磁场信号，分别记为B_x、B_y、B_z，

4个磁传感器依次编号为：传感器1、传感器2、传感器3、传感器4。当磁地标位于不同的磁传感器之间时，车体相对于磁地标有不同的横向偏移距离Δx。磁传感器距离磁地标的高度h为0.8m。

在应用前先利用磁传感器实测得到路面宽度范围内距磁地标高度h处的磁场强度B，设定磁场强度的阀值

为距磁地标高度h处的磁场强度B。当车载磁传感器装置经过磁地标时，一旦磁传感器测得的磁场信号大于该阀值

即认为车载磁传感器通过磁地标，并以此时为计时时刻，根据

即可求出车辆的纵坐标y，其中v为车速，t为时间。

通过实验采样获得磁场波形特征，设定采样磁场数据的参考模型。在这里仅对z方向上的采样磁场信号进行波形识别，z方向上的采样磁场波形因磁地标极性的不同存在两种形状特征，因此z方向上的采样磁场波形设定两种参考模型。圆柱形永磁体近似为磁偶极子模型，磁地标为N极时的参考模型磁地标为S极时的参考模型2： $B_{\mathrm{Sz}}=-\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}m}{4{\mathrm{\πr}}^5}(2z^2-x^2-y^2),$ 其中z=h,x=0, $r=\sqrt{x^2+y^2+z^2},y=0:\stackrel{\‾}{y}/n:\stackrel{\‾}{y},$ μ₀为真空中的磁导率，m为磁偶极矩大小，

选取为2m，n为选取的采样点数200。

波形识别采用模式相似性测度方法。设参考模型特征向量为X_i=(x_i0x_i1x_i2…x_in)^T、采样磁场波形特征向量为X_j=(x_j0x_j1x_j2…x_jn)^T。采用欧式距离来计算两类数据的相似程度。D_ij越小表示两类数据之间的波形越相似。

欧氏距离 $D:D={\left|\right|X_i-X_j\left|\right|}^2=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_{\mathrm{ik}}-x_{\mathrm{jk}})}^2---\left(1\right)$

在计算之前首先对各样本数据进行归一化。采用极值归一化公式：

x=(x’-x’_min)/(x’_max-x’_min)    (2)

其中x’是进行归一化的样本数据，x’_min和x’_max分别是进行归一化样本数据的最小值和最大值。

4个磁传感器截取以

范围内的z方向上的200个采样磁场数据，运用公式（1）和公式（2）与这两种参考模型分别计算欧氏距离值，根据欧式距离值的大小判断出4个磁传感器检测到的z方向上的磁场波形。磁场波形识别出来后，在磁场强度B较大的三个磁传感器中，找出磁场强度较大且磁传感器编号相邻的两个磁传感器，判定是这两个磁传感器通过的磁地标；如图1情况磁场强度B从大到小排序为：B_2m、B_3m、B_1m、B_4m，则磁地标位于磁传感器2和磁传感器3之间，并且磁地标更靠近磁传感器2；这时赋予系统一个车体相对于该磁地标的横向偏移距离Δx。然后再判断这两个磁传感器测得的z方向上的磁场波形特征；根据磁场波形特征判断该磁地标的极性，赋予磁地标横坐标x。磁地标的横坐标x与横向偏移距离Δx之和即为车体的横坐标x。

以上为本发明的一个优选实施例，但是本发明的内容不仅仅局限于此。

Claims (3)

1.一种基于磁地标和磁传感器的车辆辅助定位方法，其特征在于：磁传感器装置由多个磁传感器组成，磁传感器也是等间距排列布置，多个磁传感器的总宽度和磁地标的间距相等；磁地标把路面宽度均等分；沿路面宽度x方向上布设的磁地标的极性不重复，当车载磁传感器装置经过不同的磁地标时测得不同的磁场信号；在获得磁场信号的过程中通过低通滤波器进行滤波去噪；磁传感器距离磁地标有一定的垂直高度h，h为0.3m～1m；

设磁传感器的数量为n，取n≥4，磁地标的数量为m，m=2，磁地标的间距为a，a选取为2m～3m，磁传感器的间距为a/(n-1)；每一个磁地标代表一个横坐标x；当磁地标位于不同的磁传感器之间时，车体相对于磁地标有不同的横向偏移距离Δx；

在应用前先利用磁传感器实测得到路面宽度范围内距磁地标高度h处的磁场强度B；设定磁场强度的阀值

为距磁地标高度h处的磁场强度B；当车载磁传感器装置经过磁地标时，一旦磁传感器测得的磁场信号大于该阀值

，即认为车载磁传感器通过磁地标，并以此时为计时时刻，根据

即可求出车辆的纵坐标y，其中v为车速，t为时间；

选取为1m～2m，截取以

范围内的采样磁场数据进行波形识别；波形识别采用模式相似性测度方法；根据波形的特征确定磁地标的极性，从而确定该磁地标的横坐标x；

n个磁传感器分别编号为磁传感器1、磁传感器2、磁传感器3、…、磁传感器n，设它们在

范围内的采样磁场强度B的最大值分别为B_1m、B_2m、B_3m、…、B_nm；在磁场强度B较大的三个磁传感器中，找到磁场强度较大且磁传感器编号相邻的两个磁传感器，判定是这两个磁传感器通过的磁地标；又通过比较这两个磁传感器的磁场强度B的大小确定该磁地标距离哪个磁传感器更近，这时赋予系统一个车体相对于该磁地标的横向偏移距离Δx；

该磁地标的横坐标x与车体相对于该磁地标的横向偏移距离Δx之和即为车体的横坐标x；车辆的理论横向定位精度为磁传感器间距的1/2。

2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：所述的设定磁场强度的阀值

用来判断车载磁传感器通过磁地标的方法采用峰值检测的方法进行判断来替换，以检测到峰值的时刻为计时时刻。

3.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：所述的波形识别方法采用模式相似性测度方法替换为采用局部特征识别方法或相位识别方法对磁场波形特征进行识别。

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