CN105547301B

CN105547301B - 基于地磁的室内地图构建方法与装置

Info

Publication number: CN105547301B
Application number: CN201610102297.1A
Authority: CN
Inventors: 朱金辉; 林政树; 闵华清; 梁富云; 殷士龙; 庄壮伟; 张梅
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2016-02-25
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2018-09-14
Anticipated expiration: 2036-02-25
Also published as: CN105547301A

Abstract

本发明公开基于地磁的室内地图构建方法与装置。本发明包括可移动载体、人机交互模块、室内空间位置指纹信息获取模块、机器人方位角的获取模块、运动控制及速度获取模块和主控模块。本发明的方法克服了在室内地图构建过程中，需要事先获取室内平面图，然后在将其矢量化后上传，再进行室内位置指纹信息的采集、绑定和路径信息的生成等缺点。同时采用序列化的数据采集方式生成地磁数据序列，克服了传统网格地图数据采集代价大及单点采集后进行插值产生的额外计算量和数据丢失部分真实性等问题。本发明在对室内空间基准地图构建过程中不需要提前获取并载入室内平面图，只需确定目标的室内空间需要构建地图的起点、终点、节点位置，以及地图构建通道。

Description

基于地磁的室内地图构建方法与装置

技术领域

本发明属于室内地磁定位与导航领域，特别涉及室内空间地磁数据的采集与室内定位及导航地图的构建方法与装置。

背景技术

目前,在位置服务领域，室外的定位导航技术已经相当成熟，主流的GPS及我国自主研发的北斗系统在室外定位精度可达亚米级。相对地，在购物商场、会展中心、航空港、高铁站、停车场等大型的建筑空间内，由于卫星信号被建筑物所遮挡，导致卫星定位技术无法为复杂室内空间提供准确的位置服务。在生活中，人们大部分的活动时间在室内，并且随着社会发展，室内空间越来越庞大和复杂，所以对于精确的室内定位技术的需求愈发的迫切。

地球磁场是一个矢量场，每个位置的地磁场都有特定的方向和强度大小。在大自然中，迁徙的鸟类通过感知地球磁场来实现定位导航并到达目的地，海龟依靠地磁信息标识回到它们出生的地点并在那里筑巢。受此启发后，人们开始探索利用地磁场空间分布实现定位导航。研究发现，由于现代建筑大部分都是由钢筋混泥土组成，室内空间的地磁场受到钢筋等磁性物质的干扰发生了一定程度的扭曲。且由于建筑结构的独特性，使得地球磁场在室内空间不同位置会受到稳定的干扰，从而在室内呈现出多样和独特的地磁场特征。此特性为利用地磁场实现室内定位和导航提供强有力的理论依据。

近年来，室内定位技术一直是炙手可热的研究热点，而且不断涌现出了WiFi、RFID、蓝牙、超声等领域的技术成果。但是对于室内定位领域来说，无论定位技术发展的再好，没有准确的室内平面地图，任何定位服务都形同GPS没有地图，只是个摆设而已。在国际上，谷歌、微软、诺基亚、苹果等科技巨头在室内定位研究中一直走在世界前列，而且谷歌领跑这一新兴领域，在谷歌地图的基础上加入室内定位功能，最早推出室内定位技术商用系统，打通了室外定位和室内定位衔接瓶颈。在室内地图的获取方面，谷歌的做法是由合作商家提供平面图，通过谷歌的审核后给予发布。此外，谷歌还发布相应的地图构建应用，商家只需要利用该应用在室内采集GPS、Wi-Fi信号以及手机基站收集位置数据，然后上传至Google Maps的数据库，便可生成室内地图供室内定位导航使用。在国内，百度、阿里、腾讯等科技巨头也加快了室内定位技术研究的步伐，不断地进行技术积累，但仍处在试验阶段。同时，该领域也涌现一大批创业公司，例如北京点道互联科技有限公司和上海图聚信息技术有限公司在地图数据上投入较大，成为国内领先的定位室内地图服务商，目前已经覆盖了国内上万建筑物，并为百度、高德等提供数据支持。但是在室内地图和数据获取方面，就点道而言，20-30%是商城主动提供的，而70%是通过人工线下采集的，完成获取工作后再对室内地图进行数字化和标准化。由此看出，室内定位服务商目前获取平面地图的主要途径是通过和商家合作及自主采集，但是对于大规模推广并不现实。所以，未来通过众包的模式筹集室内地图是大势所趋，目的在于鼓励用户在使用位置服务时上传建筑平面图至服务器来完善地图数据库。但在用户习惯还未形成之前，众包的模式很难有效的推广。获取室内地图后，要实现室内定位导航，还要进行平面地图的处理及数据的绑定。目前普遍的方案是首先获取到室内平面地图，再进行地图的指纹录制和绑定，完成后才是完整的室内空间基准地图，最后将该室内空间基准地图发送到服务器进行存储。显然，如果没有事先提供室内地图，室内定位的实现无从谈起。所以我们需要需求一种更为简单、快捷的地图构建方法，加速简化室内地图数字化过程。

本发明采用室内地磁场作为室内定位导航的坐标系，通过采集基于地磁环境特征的室内空间位置指纹信息及构建室内空间平面地图，建立基于地磁的室内空间基准地图，为实现室内定位与导航提供基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种更为简单、便捷的基于地磁的室内地图构建方法与装置，通过该方法将生成的室内平面地图和对应的基于地磁的室内空间位置指纹信息及室内空间采集通道的拓扑信息，将其上传至远程服务器端作为室内定位实施的室内空间基准地图。

本发明的采用如下技术方案实现。

本发明的基于地磁的室内地图构建方法，其包括如下步骤：

获取室内空间的地磁场数据；地球磁场是一个三维矢量场，由采集终端采集到的是地磁数值三分量；在同一位置，采用地磁数值三轴合成量作为室内空间位置指纹信息；采集方式是通过选择采集通道，设置起始点以及节点位置，然后使采集终端在室内待采集通道上匀速前行并以固定的频率采集地磁场数据，同时通过改变采样频率或者采集终端的移动速度来改变地磁场数据序列的样本密度，采集终端到达节点或者终点后，设置节点或终点，暂停或者结束采集，同时将所采集的地磁场数据序列以及相关节点信息以文件保存于本地；

获取采集通道方向以及距离；在采集终端移动过程中通过电子指南针及陀螺仪记录采集终端实时方向信息，再通过低通滤波去噪后，采用均值滤波平滑数据作为该采集通道最终的方向；采集通道的距离通过获取采集终端的移动的速度，再结合获取所用的时长，算出采集通道的距离；

人机交互模块实时动态地显示地磁场数据和采集终端所处的位置、方向，同时实时地绘制出采集终端所移动过的路径并生成采集通道与关键节点的几何拓扑图；几何拓扑图包括点集和边集，其中点集又包含着采集的起始点和室内通道的拐点或者岔路口，边集包含的边代表着室内空间的采集通道，采集通道即室内空间的可达区域；

完成室内几何拓扑图的绘制及相应的基于地磁环境特征的室内空间位置指纹信息的录制后，在几何拓扑图上进行图形化标注；

室内空间拓扑地图的图形化标注后，在图形化的室内空间拓扑图上关键位置进行语义标签的添加；

完善室内空间基准地图可视化界面信息；完成可视化表达的室内空间基准地图以图的形式存储在本地文件中，其中，图的节点对应采集通道的起始点以及拐点，图的边代表着某个通道采集的地磁序列，图形化标注及语义标签作为边的属性，并采取有向图形式存储；

完善室内空间基准地图的信息后，采集终端对接远程服务端，将所构建的室内空间基准地图上传至远程服务器端进行分类、筛选、存储；

针对单条采集通道所获取到的多条地磁数据序列即地磁数据曲线，服务器端通过聚类算法，对同一采集通道所获取的多条地磁数据曲线进行聚类处理，得到若干组最具有代表性的地磁数据曲线作为该通道的地磁基准曲线。

进一步实施地，所述在几何拓扑图上进行图形化标注具体是：采用点、线段及常见的二维几何图形在几何拓扑图相应的位置进行标注，标注的方法是根据点到直线的距离的原理，在几何拓扑图边的周围适当地位置选取放置点，选择点、线或者几何平面图代表了室内空间结构实际的位置信息，利用矩形代表房间，再找出该位置的最近邻的路径，将该位置信息绑定到该路径上。

本发明方法无需提前获取室内平面地图，可进行实时实地快速便捷地构建室内定位导航基准地图。不仅可以在移动机器人平台上实施，也可在任何配有相关传感器的移动终端上实施。人机协同构建室内地图的方法更加实用，贴近实际,可实现多人协同构建地图。室内地图的图形化标注和语义标签的添加使得室内地图的可视化界面更加人性化，地理位置更加精确化。

本发明的一种基于地磁的室内地图构建的装置，其包括：

可移动载体，用于搭载数据采集终端，遍历室内的可达区域进行室内空间位置指纹信息的录制；

人机交互模块，负责在室内基准地图构建的过程中实现人机交互及室内空间结构的可视化表达；

采集终端包括室内空间位置指纹信息获取模块和机器人方位角的获取模块；室内空间位置指纹信息获取模块包含地磁传感器；地磁传感器用于采集室内可达区域的地磁场三分量数值，并将其返回给主控模块；

机器人方位角的获取模块，采集航位角和方向信息，作为机器人运动的方位角；

主控模块，负责室内空间位置指纹信息获取模块、人机交互模块、运动控制及速度获取模块三个模块的协调工作，同时负责采集终端与远程服务器的通信；

运动控制及速度获取模块，用于控制可移动载体进而驱动采集终端运动，控制采集终端的前后左右运动状态切换，同时通过安装于运动控制及速度获取模块中电机部位的光电传感器获取并记录采集终端的移动速度大小。

进一步实施地，所述可移动载体采用移动机器人。

进一步实施地，所述人机交互模块通过液晶触控屏来实现人和移动机器人输入输出信息的交流，室内空间结构的可视化表达通过液晶触控屏将室内空间结构以二维的平面地图展现出来。

进一步实施地，所述机器人方位角的获取模块由陀螺仪和电子指南针组成；陀螺仪用来采集机器人运动过程中的航位角，电子指南针用来采集机器人运动过程中的方向信息。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明在完善室内空间地图数据获取技术的基础上，提出一种更为便捷、快速的室内地图设计和可视化表达的方法，该方法克服了在室内地图构建过程中，需要事先获取室内平面图，然后在将其矢量化后上传，再进行室内位置指纹信息的采集、绑定和路径信息的生成等缺点。同时采用序列化的数据采集方式生成地磁数据序列，克服了传统网格地图数据采集代价大及单点采集后进行插值产生的额外计算量和数据丢失部分真实性等问题。根据本发明提供的方法，在对室内空间基准地图构建过程中不需要提前获取并载入室内平面图，只需确定目标的室内空间需要构建地图的起点、终点、节点位置，以及地图构建通道，便可快速地构建出一张简易却实用的室内空间基准地图，该地图包括室内平面地图及与之相对应的基于地磁环境特征的位置指纹地图。本发明装置相对于与其他室内地图构建装置具有造价低，可操作性强，方便实用等优点。

附图说明

图1为本发明所述基于移动机器人构建室内地图实施例的采集终端的结构示意图；

图2为同一采集通道不同时段所采集地磁数据序列；

图3为基于移动机器人构建室内地图实施采集方法的流程图；

图4为基于智能手机构建室内地图实施例提供的基于地磁的室内地图构建方法的流程示意图；

图5为基于智能手机构建室内地图的实施例所构建的室内地图。

具体实施方式.

以下结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述说明，但本发明的实施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。具体的实施方式根据不同的条件以及需求可以不同，这也是本发明的最大特色之一。现选择两种实施方式进行说明，分别是基于移动机器人和智能移动终端两种室内地图构建实施例。

实施例一：基于移动机器人构建室内地图

图1是基于移动机器人构建室内地图实施例的采集终端结构示意图。由图知该装置主要由操作平台见a、连杆见b、移动机器人主体c三部分组成。

作为举例，该装置若按照结构可以划分为三部分，

1.操作平台,该部分由液晶触控屏、地磁传感器及相应的承载部件构成。该部分可以通过有线或者无线信号与主控器进行通信，操作平台和车体是可分离式的设计，若采用无线信号形式，则需要给该部分增加供电系统。地磁传感器之所以将其安装在该部位，主要是为了防止两轮移动机器人在运动过程中，电机的转动产生的磁感应强度干扰地磁场数据的采集。

2.连杆,该部分主要是一个连杆，若操作平台与主控器的通信采用有线形式，则此部分还包括导线。若采用无线形式，则只要一个连轴。

3.移动机器人主体,该部分由机器人底座、车轮、电机、主控器、、光电传感器、红外传感器、电池及相应的外围电路组成。机器人底座承载了主控器、电池及相关电路几部分，车轮、电机及光电传感器共同组成了装置的运动控制及速度获取模块，光电传感器用于测量电机的转速，从而实现对机器人运动速度的获取。在机器人主体的前后及左右位置都安装了红外传感器，主要用于机器人避障及测距的作用，同时将红外传感器获取的传感器数据发送给主控器，融合至运动控制部分。

机器人主体及操作平台采用可分离设计，可方便安装和拆卸。机器人主体部分，采用两轮车作为可移动载体；主控模块4由STM32控制板及外围电路组成，负责地磁传感器采集、机器人运动控制和速度获取、室内地图的可视化表达、与远程服务器通信等任务协同控制；机器人运动控制及速度获取模块5，选用相应的相应的电机驱动模块用于驱动电机运转，实现机器人的运动控制。速度获取采用光电传感器来侦测电机的转动速度即机器人的移动速度。操作平台部分，人机交互模块1、选用液晶触控屏，可以实现在实施过程中的界面显示和操作。室内空间位置指纹信息获取模块2,选用地磁传感器用于获取室内空间位置指纹信息；地磁传感器放置于距运动控制和速度获取模块一定距离的操作平台上，，这样做除了方便人机交互过程的操作，最主要的原因是减小机器人运动过程中电机转动所引起的磁场干扰；机器人方位角的获取模块3采用陀螺仪和电子指南针结合的方式实现机器人方位角的确定；各个模块由主控模块驱动工作。当然，整个装置还有一个完整的供电系统。

该实施例下的装置工作流程如图3所示，至少包括以下步骤：

步骤1：选择待采集区域起始点的位置501，采集通道504，节点506位置及确定节点与通道的拓扑关系。放置移动机器人与采集通道的中线位置。

步骤2：地磁传感器的校准。校正的目的是排除地磁传感器受电子设备的干扰。本实施例在启动机器人后点击执行校准程序进行地磁场校准。

步骤3：地磁数据的采集。地磁传感器校准后按下开始采集开关，主控器给机器人发送指令，机器人从起点位置开始朝着采集通道方向开始匀速运动；同时，地磁传感器使能并开始采集室内空间地磁场数据。同时，同样进行数据处理得地磁传感数值的三轴合成量作为室内空间位置指纹信息。

步骤4：机器人运动速度的获取。机器人在匀速运动的过程中，主控器定时查询机器人移动的速度，速度的值通过光电传感器器获取传回，同时记录所用的时间，从而计算出在一段时间内机器人移动的距离。地磁传感器采集到地磁数据，通过均值滤波后以json的数据格式写到文件里。在此过程中，液晶触控屏上实时动态地绘制出机器人所走过的路径。

步骤4：机器人的方位角计算和判断。机器人在行进的过程中通过机器人方位角的获取模块获取陀螺仪测得的航向角及电子指南针所得到的方向信息。结合陀螺仪测得的航向角及电子指南针所得到的方向信息进行机器人方位角的计算，以此方位角判断机器人是否走偏，如果机器人在直线采集通道走偏，则进行纠偏，保证机器人的始终尽可能匀速直线运动。

步骤5：若待采集区域存在多条采集通道，则有节点存在，在机器人的运动过程中要判断是否到达节点，判断方法可人为干预，也可在节点位置设置路标,如果到达节点是，要切换采集通道继续进入位置指纹信息过程。同样地，也要判断是否到达终点，若到达终点，则停止采集。

步骤6:语义标签的添加与图形化的标注。初步采集完成后，液晶触控屏屏上显示只是机器人移动后生成的二维的室内几何拓扑图505，该平面几何拓扑图只是描述了室内空间的拐点位置和采集通道的拓扑关系。在该几何拓扑图上的相应的位置点击进行图形化标注502以及添加对应的语义标签503，用于对室内空间环境进行描述。完成添加，即绑定了语义标签于平面几何拓扑图。至此，生成室内空间基准地图。

步骤7：地图上传数据库。完成图形化标注和语义标签后，即完成室内空间的位置指纹信息、室内环境信息及室内几何拓扑图等信息的绑定生成最终的地图文件，然后将完成的地图文件上传到远程服务器端。具体上传方式是通过在远程搭建HTTP服务器用于存储管理地图文件，智能手机端通过HTTP协议将地图文件上传至远程服务器端。

步骤8：数据的筛选，由采集终端获取到的同一条采集通道的多条地磁数据曲线，筛选方法为远程服务器端利用AP算法对其进行聚类处理，得到最具代表性的地磁数据曲线作为该采集通道的地磁基准曲线。

实施例二：基于智能手机构建室内地图

图4是基于智能移动终端实施例提供的基于地磁的室内地图构建方法的流程示意图。本实施例中面向智能移动终端，主要是指智能手机或者平板电脑等设备。随着智能硬件的发展，像手机、平板等这种移动终端都内置了多种传感器，传感器的技术的使用也使得移动终端更加的智能化、便捷化。在该实施例中发明人选用搭载Android系统的智能手机作为实施设备，主要工作是为设备端开发相关的应用程序，该应用程序集成了智能手机传感器的应用，图形化界面操作及网络通信等功能，将其安装于智能手机，每次实施开始启动该应用程序。该实施例主要运行和操作如图4所示，其中包括以下步骤：

步骤1：选择待采集区域起始点的位置，采集通道，节点位置及确定节点与通道的拓扑关系。

步骤2：校正地磁传感器，校正方法采用8字矫正法。校准的方法是将智能手机在空中做8字晃动，原则上尽量多的让智能手机法线方向指向空间的所有8个象限。校正结束后，在界面点击开始采集按钮开始录制基于地磁环境特征的室内空间位置指纹信息。

步骤3：传感器数据的采集，发明人手持智能手机沿着预定的路径匀速行走，传感器以5Hz的频率采集数据，其中数据包括地磁传感器采集的地磁场数值三分量以及加速度传感器采集的加速度数值。对于Android传感器应用程序接口而言，采用的是笛卡尔坐标系标记为xyz，其中，x指向手机屏幕右侧，y指向手机屏幕上侧，z则垂直于手机屏幕向外侧。当手机在空间中同一个位置处于不同的姿态和位置时，三轴的观测数据是不同，这里用分别代表地磁传感器三轴的观测量，但是地磁数值三轴合成量始终是恒定，因此采用地磁数值三轴合成量作为设备采集到某个位置的基于地磁环境特征的室内空间位置指纹信息。这样的室内空间位置指纹信息具有良好的稳定性。如图2所示，横坐标为距离，纵坐标为对应采集值，在同一条采集通道504不同时间多次采集地磁数据序列，图中还有通道边的钢筋混泥土柱子507，可以看出地磁数值会受到室内空间结构的干扰而表现出差异性，同时该图也体现出室内空间的地磁数据具有良好的稳定性。

加速传感器采集的加速度三分量这里用表示三轴加速度数值三分量。

步骤4：传感器数据的预处理，对采集到的地磁数据进行滤波，过滤掉单位时间内采集到的奇异点。具体采用算术平均滤波法，连续取N个采样值然后进行算术平均运算求得的均值作为本次的采样值（），本实施例N取值为5。

步骤5：智能手机的方位信息的计算，Android手机获取方位信息是利用采集到的地磁数据和加速度数据计算所得。，具体算法封装于Android SDK 中，本实例通过调用其提供的API 函数public static boolean getRotationMatrix (float[] R, float[] I,float[] gravity, float[] geomagnetic)来获取旋转矩阵R，其中，I表示将磁场数据转换进实际的重力坐标中一般默认情况下可以设置为null，gravity表示从加速度感应器获取的数据，geomagnetic表示从磁场感应器获取的数据。再通过调用函数public staticfloat[] getOrientation (float[] R, float[] values)来获取具体的方位角，其中，values[0]、values[1]、values[2]表示X、Y、Z轴的角度,用于判断东西南北方位主要用values[0]即可，得到的结果是0度表示正北方向，90度表示正东方向，正负180度表示正南方向，负90度表示正西方向。行进的方向可以根据获取的指南针方向进行判断发明人的行走方向。

步骤6：智能手机计步器的实现，利用采集到的加速度数据计算出发明人所走过的步数。一般地，人在行走中，加速度分垂直向加速度和前向加速度，会有类似于正弦波的周期性的变化，如图2所示。可以根据检测波峰波谷来实现计步。首先特征提取，考虑到手机在同一位置的摆放位置不同三轴的加速度分量会不尽相同，但是加速度三轴合成量A和是恒定的，而且波动较为明显，所以选择A作为加速度强度特征。加速度传感器以20HZ的频率采集数据同时取一个时间窗口做平滑即进行中值滤波。经过滤波处理后的加速度信息，通过判断波峰波谷是否满足设定的时间窗口和阈值条件来进行计步的，同时时间窗口的阈值是动态设定的。根据计算得到的步数，再结合统计学得到的步长计算出行人一段时间内所走过的路程。

步骤:7：人机交互界面实时地绘制室内空间几何拓扑图。绘制的方法直接调用Android SDK提供的2D 图形处理引擎，主要使用的是Canvas类提供的方法，再结合智能手机获取的移动方向和距离实时绘制出路径，在采集通道的拐弯处，发明人手动创建节点，保存节点并转换采集通道，到达终点后完成位置指纹信息的录制，最后形成节点与边的拓扑图。

步骤8：对空间几何拓扑图进行图形化标注及语义标签添加。完成位置指纹的录制后，应用程序交互界面已经绘制出代表室内空间结构的节点与边的几何拓扑图。在几何拓扑图上的边的关键位置或者节点位置进行图形化标注以及添加语义，注明室内空间不同的位置信息（如图中WC、301~310）。如图5所示，此为本实施例的实际生成的室内空间基准地图，该室内空间基准地图在以有向图的形式存储在本地文件。

步骤9：地图文件上传服务器。完成图形化标注和语义标签后，将完成的地图文件上传到远程服务器端。具体上传方式是通过在远程搭建HTTP服务器用于存储管理地图文件，智能手机端通过HTTP协议将地图文件上传至远程服务器端。

步骤10：地磁基准曲线的筛选，由采集终端获取到的同一条采集通道的多条地磁数据曲线，筛选方法同实施例1，远程服务器端利用AP算法对其进行聚类处理，得到最具代表性的地磁数据曲线作为该采集通道的地磁基准曲线。

Claims

1.基于地磁的室内地图构建方法，其特征在于包括如下步骤：

针对单条采集通道所获取到的多条地磁数据曲线，服务器端通过聚类算法，对同一采集通道所获取的多条地磁数据曲线进行聚类处理，得到若干组最具有代表性的地磁数据曲线作为该采集通道的地磁基准曲线。

2.根据权利要求1所述的基于地磁的室内地图构建方法，其特征在于

所述在几何拓扑图上进行图形化标注具体是：采用点、线段及常见的二维几何图形在几何拓扑图相应的位置进行标注，标注的方法是根据点到直线的距离的原理，在几何拓扑图边的周围适当地位置选取放置点，选择点、线或者几何平面图代表了室内空间结构实际的位置信息，利用矩形代表房间，再找出该位置的最近邻的路径，将该位置信息绑定到该路径上。

3.实现权利要求1所述方法的一种基于地磁的室内地图构建的装置，其特征在于包括：

可移动载体，采用移动机器人，用于搭载数据采集终端，遍历室内的可达区域进行室内空间位置指纹信息的录制；

4.根据权利要求3所述的一种基于地磁的室内地图构建的装置，其特征在于所述人机交互模块通过液晶触控屏来实现人和移动机器人输入输出信息的交流，室内空间结构的可视化表达通过液晶触控屏将室内空间结构以二维的平面地图展现出来。

5.根据权利要求3所述的一种基于地磁的室内地图构建的装置，其特征在于所述机器人方位角的获取模块由陀螺仪和电子指南针组成；陀螺仪用来采集机器人运动过程中的航位角，电子指南针用来采集机器人运动过程中的方向信息。