CN104897154A - 基于手机的室内地磁导航方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及室内地磁场导航领域，公开了一种基于手机的室内地磁导航方法及装置，通过获取实时地磁场数值、行进方向和行进距离，根据所述行进方向和所述行进距离，在与所述行进方向一致的地磁数据中分段对所述实时地磁场数值进行波形匹配，以进行地磁定位，根据地磁定位的位置和目的地，使用路径计算对象进行计算，确定导航路径，提升了地磁定位的准确性，提高了地磁导航的精度。

Description

基于手机的室内地磁导航方法及装置

技术领域

本发明涉及室内地磁场导航领域，尤其涉及一种基于手机的室内地磁导航方法及装置。

背景技术

GPS、北斗等卫星导航装置在社会各个方面得到了很广泛的应用，其定位精度也得到了人们的认可，但是卫星信号很容易被树木、建筑物等物体遮蔽，导致设备找不到卫星信号而无法实现导航。

随着半导体技术及微芯片技术的成熟，手机上集成的传感器也越来越多，包括陀螺仪、磁场传感器、加速度计、蓝牙、无线网卡等，这些传感器的功能也渐渐的被利用了起来，从网络下载，到数据传输，到基于多个传感器的手机游戏，再到新兴的室内导航。基于手机不同的传感器出现了不同的室内导航技术，这包括WIFI热点室内导航，蓝牙网络室内导航，ZIGBEE室内导航等，但这些室内导航都需要在建筑物里增设设备，如WIFI固定节点，固定蓝牙发射接收模块等，这无疑增加了室内导航的成本，限制了该导航方式的推广，而一些常用的蓝牙设备，wifi设备还会对导航造成干扰，从而影响导航精度。

地磁场室内导航是一种以局部地磁场特征为匹配点的室内导航技术。地磁场作为地球固有的天然物理特征，地磁场值与地理坐标有一定的对应关系，这使地磁场导航成为了可能。建筑物的钢筋结构，超市购物架，室内通电线路等磁性物件，虽然会对室内的地磁场产生影响，改变临近地磁场的形态，但因为这些结构设备的位置具有短期不变性，使得室内存在一个比较稳定的磁场，该磁场在室内不同位置具有不同的方向和大小，因此可以利用室内的地磁场来完成室内导航。该方法不需要额外的在建筑物内增加设备，降低了实现成本，也具有通用性，只要手机具备相关的传感器就可以完成导航，更容易推广应用。现有技术中，不同品牌不同型号的手机，其磁场传感器的标定也就不同，在导航中极易产生数值不匹配的情况，影响导航精度。

发明内容

本发明提供一种基于手机的室内地磁导航方法，解决现有技术中不同品牌不同型号的手机，在导航中极易产生数值不匹配的情况，影响导航精度的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于手机的室内地磁导航方法，包括：

获取实时地磁场数值、行进方向和行进距离；

根据所述行进方向和所述行进距离，在与所述行进方向一致的地磁数据中分段对所述实时地磁场数值进行波形匹配，以进行地磁定位；

根据地磁定位的位置和目的地，使用路径计算对象进行计算，确定导航路径，其中，所述路径计算对象L'＝(w₁*σ+1)*L，w₁为地磁适配性的权值，σ路径地磁标准差，L为路径段的实际距离。

一种基于手机的室内地磁导航装置，包括：

获取模块，用于获取实时地磁场数值、行进方向和行进距离；

定位模块，用于根据所述行进方向和所述行进距离，在与所述行进方向一致的地磁数据中分段对所述实时地磁场数值进行波形匹配，以进行地磁定位；

导航模块，用于根据地磁定位的位置和目的地，使用路径计算对象进行计算，确定导航路径，其中，所述路径计算对象L'＝(w₁*σ+1)*L，w₁为地磁适配性的权值，σ路径地磁标准差，L为路径段的实际距离。

通过本发明提供的一种基于手机的室内地磁导航方法及装置，通过获取实时地磁场数值、行进方向和行进距离，根据所述行进方向和所述行进距离，在与所述行进方向一致的地磁数据中分段对所述实时地磁场数值进行波形匹配，以进行地磁定位，根据地磁定位的位置和目的地，使用路径计算对象进行计算，确定导航路径，提升了地磁定位的准确性，提高了地磁导航的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于手机的室内地磁导航方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种基于手机的室内地磁导航方法的结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1为本发明实施例中提供一种基于手机的室内地磁导航方法的流程图，包括：

步骤101、获取实时地磁场数值、行进方向和行进距离；

其中，用户步行一定距离，采集一定量的地磁传感器数据、加速度计数据和陀螺仪数据。对以上传感器数据进行处理和改正后，得到一个多要素矢量，包括地磁总场(F)，地磁三分量(X,Y,Z)、行进方向(A)和行进距离(L1)，这些数据由加速度计传感器、陀螺仪传感器和磁场传感器综合计算得到。

步骤102、根据所述行进方向和所述行进距离，在与所述行进方向一致的地磁数据中分段对所述实时地磁场数值进行波形匹配，以进行地磁定位；

其中，步骤102具体可以包括：

步骤102-1、根据所述行进方向和所述行进距离，确定方位属性与所述行进方向一致的地磁数据；

步骤102-2、在与所述行进方向一致的地磁数据中分段对所述实时地磁场数值进行波形匹配，以进行地磁定位。

分段对所述实时地磁场数值进行波形匹配的具体操作为：从与所述行进方向一致的地磁数据库中编号较小的数据开始，以ΔL为距离增量依次选取长度为L1的地磁数据与用户测得的地磁数据段做波形匹配。综合数据的平均值、方差和Hausdorff距离来计算数据的匹配度。Hausdorff距离表示两个有限点集之间的距离，两个点集分别记为X和Y,那么Hausdorff距离为：

H(X,Y)＝Max(h(X,Y),h(Y,X))

其中， $h(X,Y)=\underset{x\∈X}{\max }\underset{y\∈Y}{\min }\left|\right|x-y\left|\right|,h(Y,X)=\underset{y\∈Y}{\max }\underset{x\∈X}{\min }\left|\right|x-y\left|\right|,$ ||·||表示距离范数。

对地磁场总场值和地磁场三分量场值分别作适配性分析，使用场值的标准差作为地磁特征性参数，标准差越大说明地磁场起伏越剧烈，越有利于匹配，标准差的计算公式如下：

$E=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i$

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(M_i-E)}$

其中E为地磁场值的平均值，σ为地磁场值的标准差。通过对地磁总场值和地磁三分量场值做适配性分析，比较总场值和各个分场值的标准差大小，依据标准差的大小分别对其设置优先级，标准差大的优先级别高，反之，优先级低。按优先级从高到低的顺序分别进行匹配，以优先级别从高到低顺序依次为：总场值-X分量-Y分量-Z分量为例进行说明。

先以总场作为匹配变量，设置匹配阈值，对匹配度达到预期的数据段进行标记。再以地磁场X分量进行匹配，匹配数据库选用总场标记过的数据段，对匹配度达到预期的再次进行标记。如果不能确定唯一的数据段，再分别依次使用Y分量和Z分量进行匹配，最后根据匹配程度，确定唯一的地磁数据段。如果找不到符合预期匹配程度的唯一的地磁数据段，需要用户再行进一段距离L2，对两次采集的地磁数据作为一个整体，选取L1+L2距离的地磁数据使用上述方法继续进行匹配。最后通过匹配到的地磁数据段编号索引确定用户在室内的位置。

步骤103、根据地磁定位的位置和目的地，使用路径计算对象进行计算，确定导航路径。

其中，所述路径计算对象L'＝(w₁*σ+1)*L，w₁为地磁适配性的权值，σ路径地磁标准差，L为路径段的实际距离，L'为路径计算对象，如果该路径地磁标准差σ大，那么w₁增加，反之，w₁减少。

步骤103具体可以包括：

步骤103-1、计算不同导航路径的地磁场三分量及地磁场总量的标准差σ，选取标准差σ最大的一个分量作为不同导航路径的地磁匹配变量；

其中，如果地磁总场F在各个路线上的标准差没有很大区别，可以对地磁三分量X/Y/Z进行计算，最后取地磁特征比较明显的一个分量作为不同路径段的地磁匹配变量，并以标准差σ作为该匹配量的匹配值。

步骤103-2、将不同导航路径的距离与对应的地磁匹配变量做加权，计算路径计算对象；

步骤103-3、根据地磁定位位置和目的地，使用所述路径计算对象进行计算，以确定导航路径。

通过本发明提供的一种基于手机的室内地磁导航方法，通过获取实时地磁场数值、行进方向和行进距离，根据所述行进方向和所述行进距离，在与所述行进方向一致的地磁数据中分段对所述实时地磁场数值进行波形匹配，以进行地磁定位，根据地磁定位的位置和目的地，使用路径计算对象进行计算，确定导航路径，提升了地磁定位的准确性，提高了地磁导航的精度。

本发明实施例在进行地磁定位之前，需要获取地磁数据库，因此，步骤101之前，包括如下步骤：

步骤100-1、通过三点定位的方法，建立建筑物平面图与地理坐标系的映射；

其中，根据建筑物的实际情况，建立建筑物的平面图，具体包括建筑物的走廊通道、房间、楼梯、电梯及门的位置等，如图1所示。使用三点定位的方法将建筑物平面图映射到地理坐标系下，建立两者的空间关系，使背景图指示的方向和距离与建筑物实际情况相符合。

步骤100-2、对智能手机内置的磁场传感器、陀螺仪、加速度计进行校准；

其中，去除手机外套上可能存在的磁性物件，根据手机具体的品牌和型号，使用相应的方法对手机内置的磁场传感器，陀螺仪，加速度计等传感器进行校准，校准环境内不能出现强磁干扰，应尽量选择“静”磁环境。

步骤100-3、根据所述建筑物平面图，规划地磁场数据采集路线，获取智能手机在机身坐标系下的三个方向的地磁数据分量，以完成建筑物地磁场数据的采样；

其中，根据步骤一中建立的建筑物平面图，设计规划地磁数据采集路线，力求采集的地磁数据能够覆盖室内所有的通道。使用研发的手机软件进行地磁场数据的采集，采集频率具体数值与手机的硬件有关。该软件可以在步行时实时显示和记录磁场传感器的三轴磁场分量值，记录加速度计传感器的三轴加速度分量值和陀螺仪的三轴角速度分量值，采样完成可以从手机导出数据。

步骤100-4、对所述地磁场数据进行修正和补偿；

其中，修正和补偿步骤三采集的地磁数据，包括磁场传感器自身误差修正和载体-地理坐标系转换。磁场传感器自身的误差主要包括零位误差、正交误差和标度因数误差。零位误差是指磁传感器的磁场输入为零时，磁传感器的输出量；正交误差是由于三个轴不能严格正交所引起的；标度因数误差是由于各轴上的度量长度不一致引起的误差。通过公式B＝A^-1H-A^-1C对地磁场数据进行修正和补偿，其中，B为地磁场真实值，C为三轴磁场传感器的零偏误差，A＝A_αA_βA_χ，A_α为三轴磁场传感器的标度误差，A_β为测量坐标系不正交以及载体与地理坐标系不一致引起的误差，A_χ代表由载体随外界磁场变化的感应磁场引起的误差；

通过测量得到的N组地磁数据，由最小二乘法计算获得系数矩阵A。

步骤100-5、建立所述地磁场数据与建筑物平面图的映射关系，生成地磁数据库；

其中，地磁数据库是以其对应的点位位置进行分类存储。以建筑物平面图中道路交点和拐点为分界点对地磁点位进行分组，两个分界点之间所有点位对应的地磁数据为一组。每组数据对应的该段道路的方向即为此组数据的方位属性。方位属性以角度来表示，正北为0°，角度沿顺时针方向增加。方位属性可取值的范围与道路的复杂程度有关，道路的方向越多，方位属性值越多，反之，方位属性值越少。每组数据中的每个采样点位对应以下5个要素：地磁总场值、地磁三分量场值(X,Y,Z)和方位属性。对于位置处在道路交点和拐点的地磁采样点，其对应的地磁数据同时存储在相交道路所对应的多组地磁数据中。地磁数据以方位属性为分类标准，进行分类存储，相同方位属性的地磁数据线性、连续存储，并编号，通过编号索引确定其对应于建筑物平面图上的位置，以正东西南北道路为例，数据存储格式见表1，其中方位属性0°为南北向道路，方位属性90°为东西向道路。

表1 地磁数据存储格式

本发明还提供了一种基于手机的室内地磁导航装置，如图2所示，包括：

获取模块210，用于获取实时地磁场数值、行进方向和行进距离；

定位模块220，用于根据所述行进方向和所述行进距离，在与所述行进方向一致的地磁数据中分段对所述实时地磁场数值进行波形匹配，以进行地磁定位；

导航模块230，用于根据地磁定位的位置和目的地，使用路径计算对象进行计算，确定导航路径，其中，所述路径计算对象L'＝(w₁*σ+1)*L，w₁为地磁适配性的权值，σ路径地磁标准差，L为路径段的实际距离。

其中，获取模块210，包括：

磁场获取模块211，用于获取实时地磁场数值；

加速计模块212，用于获取行进方向；

陀螺仪模块213，用于获取行进距离。

其中，所述定位模块220，包括：

数据查询单元221，用于根据所述行进方向和所述行进距离，确定方位属性与所述行进方向一致的地磁数据；

匹配定位单元222，用于在与所述行进方向一致的地磁数据中分段对所述实时地磁场数值进行波形匹配，以进行地磁定位。

其中，所述导航模块230，包括：

第一计算单元231，用于计算不同导航路径的地磁场三分量及地磁场总量的标准差σ，选取标准差σ最大的一个分量作为不同导航路径的地磁匹配变量；

第二计算单元232，用于将不同导航路径的距离与对应的地磁匹配变量做加权，计算路径计算对象；

第三计算单元233，用于根据地磁定位位置和目的地，使用所述路径计算对象进行计算，以确定导航路径。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的硬件平台的方式来实现，当然也可以全部通过硬件来实施，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案对背景技术做出贡献的全部或者部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于手机的室内地磁导航方法，其特征在于，包括：

获取实时地磁场数值、行进方向和行进距离；

根据所述行进方向和所述行进距离，在与所述行进方向一致的地磁数据中分段对所述实时地磁场数值进行波形匹配，以进行地磁定位；

根据地磁定位的位置和目的地，使用路径计算对象进行计算，确定导航路径，其中，所述路径计算对象L'＝(w₁*σ+1)*L，w₁为地磁适配性的权值，σ路径地磁标准差，L为路径段的实际距离。

2.根据权利要求1所述的基于手机的室内地磁导航方法，其特征在于，所述获取实时地磁场数值、行进方向和行进距离的步骤之前，包括：

通过三点定位的方法，建立建筑物平面图与地理坐标系的映射；

对智能手机内置的磁场传感器、陀螺仪、加速度计进行校准；

根据所述建筑物平面图，规划地磁场数据采集路线，获取智能手机在机身坐标系下的三个方向的地磁数据分量，以完成建筑物地磁场数据的采样；

对所述地磁场数据进行修正和补偿；

建立所述地磁场数据与建筑物平面图的映射关系，生成地磁数据库。

3.根据权利要求2所述的基于手机的室内地磁导航方法，其特征在于，所述对所述地磁场数据进行修正和补偿，包括：

通过公式B＝A^-1H-A^-1C对地磁场数据进行修正和补偿，其中，B为地磁场真实值，C为三轴磁场传感器的零偏误差，A＝A_αA_βA_χ，A_α为三轴磁场传感器的标度误差，A_β为测量坐标系不正交以及载体与地理坐标系不一致引起的误差，A_χ代表由载体随外界磁场变化的感应磁场引起的误差；

通过测量得到的N组地磁数据，由最小二乘法计算获得系数矩阵A。

4.根据权利要求2所述的基于手机的室内地磁导航方法，其特征在于，所述建立所述地磁场数据与建筑物平面图的映射关系，生成地磁数据库，包括：

建立所述地磁场数据与建筑物平面图的映射关系；

以方位属性为分类标准，对所述地磁数据进行分类存储。

5.根据权利要求1所述的基于手机的室内地磁导航方法，其特征在于，所述根据所述行进方向和所述行进距离，在与所述行进方向一致的地磁数据中分段对所述实时地磁场数值进行波形匹配，以进行地磁定位，包括：

根据所述行进方向和所述行进距离，确定方位属性与所述行进方向一致的地磁数据；

在与所述行进方向一致的地磁数据中分段对所述实时地磁场数值进行波形匹配，以进行地磁定位。

6.根据权利要求1所述的基于手机的室内地磁导航方法，其特征在于，所述根据地磁定位的位置和目的地，使用路径计算对象进行计算，确定导航路径，包括：

计算不同导航路径的地磁场三分量及地磁场总量的标准差σ，选取标准差σ最大的一个分量作为不同导航路径的地磁匹配变量；

将不同导航路径的距离与对应的地磁匹配变量做加权，计算路径计算对象；

根据地磁定位位置和目的地，使用所述路径计算对象进行计算，以确定导航路径。

7.一种基于手机的室内地磁导航装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取实时地磁场数值、行进方向和行进距离；

定位模块，用于根据所述行进方向和所述行进距离，在与所述行进方向一致的地磁数据中分段对所述实时地磁场数值进行波形匹配，以进行地磁定位；

导航模块，用于根据地磁定位的位置和目的地，使用路径计算对象进行计算，确定导航路径，其中，所述路径计算对象L'＝(w₁*σ+1)*L，w₁为地磁适配性的权值，σ路径地磁标准差，L为路径段的实际距离。

8.根据权利要求7所述的基于手机的室内地磁导航装置，其特征在于，获取模块，包括：

磁场获取模块，用于获取实时地磁场数值；

加速计模块，用于获取行进方向；

陀螺仪模块，用于获取行进距离。

9.根据权利要求7所述的基于手机的室内地磁导航装置，其特征在于，所述定位模块，包括：

数据查询单元，用于根据所述行进方向和所述行进距离，确定方位属性与所述行进方向一致的地磁数据；

匹配定位单元，用于在与所述行进方向一致的地磁数据中分段对所述实时地磁场数值进行波形匹配，以进行地磁定位。

10.根据权利要求7所述的基于手机的室内地磁导航装置，其特征在于，所述导航模块，包括：

第一计算单元，用于计算不同导航路径的地磁场三分量及地磁场总量的标准差σ，选取标准差σ最大的一个分量作为不同导航路径的地磁匹配变量；

第二计算单元，用于将不同导航路径的距离与对应的地磁匹配变量做加权，计算路径计算对象；

第三计算单元，用于根据地磁定位位置和目的地，使用所述路径计算对象进行计算，以确定导航路径。