CN106248107A

CN106248107A - 一种基于室内地磁轨迹匹配的航迹推断校准方法和装置

Info

Publication number: CN106248107A
Application number: CN201610842323.4A
Authority: CN
Inventors: 孙中森; 罗海勇; 唐怀玉; 王曲; 赵方; 邵文华; 叶朗朗
Original assignee: Local First Science And Technology Ltd In Sky Beijing; China Research Institute of Radio Wave Propagation CRIRP
Current assignee: Local First Science And Technology Ltd In Sky Beijing; China Research Institute of Radio Wave Propagation CRIRP
Priority date: 2016-09-22
Filing date: 2016-09-22
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2036-09-22
Also published as: CN106248107B

Abstract

本发明公开了一种基于室内地磁轨迹匹配的航迹推断校准方法，所述的方法包括如下步骤：（1）正反向地磁轨迹匹配；（2）三维地磁指纹：把载体坐标系下地磁传感器读出的具有姿态特征的三维原始地磁数据映射到导航坐标系下统一的三维地磁指纹；（3）反向地磁指纹：根据正向地磁轨迹生成反向地磁轨迹；（4）基于室内外场景检测的地磁校准触发机制；（5）基于FastDTW算法的室内地磁路径匹配算法。本发明所公开的基于室内地磁轨迹匹配的航迹推断校准方法和装置，不需要前期训练工作，使用成本低廉的惯性传感器以及一些辅助的传感器，利用室内不同路径地磁序列的差异性来消除惯性测量技术的累计误差，从而达到不依赖于外部环境部署以及在紧急情况下，人员的精确定位和导航。

Description

一种基于室内地磁轨迹匹配的航迹推断校准方法和装置

技术领域

本发明涉及无线定位、上下文感知技术领域，尤其涉及一种基于室内地磁轨迹匹配的航迹推断校准方法和装置。

背景技术

我国30多年的城市化进程催生了数以万计的大型建筑，例如大型购物中心、会展中心、交通枢纽、停车场、候机楼、火车站等等。以购物中心为例，截止2015年底，全国已开业的购物中心超过6000家，以每年800家的速度增长，日均客流量超过 50万人/次功能。而我国现有的大型室内停车场就超万个，大中型会展中心超过2000 家，每年举办各种综合、专项会展项目超过8000个，参展企业总数在1000万家以上。这些大型场馆规模庞大，内部布局复杂，公共安全管理问题突出，人们在里面从事各项活动时往往容易迷失方向，难以定位自己并快速准确地找到目的地，存在较强的定位导航需求。此外，商场业主则为了增加收入，提高客户体验及客户数量，往往需要从实时监测统计的场馆内人员位置及驻足时间等数据中，挖掘获取潜在的商业参考信息，用于构建基于位置的信息化管理、数据分析和产品广告及销售平台，从而提升企业智能化经营水平，降低企业运营成本，提高经济效益。

现有数量众多的特殊人群对全时空定位跟踪同样提出了迫切需求。据统计，我国现有中小学生2.2亿，空巢老人6200万，煤矿工人150万，应急救援人员50余万，监狱犯人164万，对这些人群的安全管理不仅需要实现室内外全空间定位跟踪，对移动空间定位覆盖度要求较高，而且部分人群甚至需要24小时不间断的定位跟踪，对定位覆盖度、定位实时性和功耗提出了挑战。

在室外空旷环境，卫星定位系统（北斗、GPS、格鲁纳斯）定位精度可达10米级左右，能满足车辆导航等应用需求。然而，在室内大多数区域，由于建筑物遮挡，定位设备不能接收到GPS卫星信号。技术人员尝试各种室内定位技术，以满足日益增长的室内定位应用需求。

当前，室内定位技术分为基于基础设施和基于原有设备或无需基础设施两部分。基于基础设施定位技术能够达到很高的定位精度，有的定位系统甚至可以精确到厘米级别，主要包括超声波（Ultrasound）、超带宽（Ultra Wide Band，UWB）信号、红外（Infrared）信号和无线射频（Radio Frequency Identification，RFID）定位系统。然后他们基本上都需要部署额外的设备或者对原网络进行相应改造，需要前期的信号通信测试，部署成本过高，而且对于现有手持设备也没有很好的传感器集成，难以实现大规模推广。另一种基于Wi-Fi（802.11/g/n协议）室内定位技术得到快速普及和发展。一方面由于各类智能终端——手机、平板和笔记本已将Wi-Fi 作为标准配置；另一方面Wi-Fi技术已经发展多年，协议相对稳定、成熟和完善，并且是由标准委员会制定，不存在协议分类，具有统一标准；其次， Wi-Fi 具有高速通信、部署方便的特点，各大商场、写字楼、图书馆等场所已经配置很多Wi-Fi设备，基本已经实现全时空覆盖。基于以上优势，在过去几年，室内Wi-Fi定位的研究和应用得到了飞速发展。但由于Wi-Fi信号是基于波进行传输，其传输距离限制以及容易受到室内环境多径效应的影响，并具有时变特性，在定位鲁棒性和实时性方面仍然面临很大挑战。而在室内应急救援场景下，这些技术却并不能很好的发挥作用。这是因为应急救援面对的场所往往均已经遭到了严重破坏，基站无线通讯均属于瘫痪状态；而计算机视觉技术、无线定位等技术需要预先在环境中配置地标或者无线节点，或者进行提前训练，成本过高，且不适用于复杂多变的室内应急救援场景。

我们急需一种不需要前期布设基础设施，同时又不需要大量训练工作的定位方法以及一套行之有效可穿戴设备设计方案来满足室内应急救援定位工作的特殊需要。

一种可行的技术方案是使用惯性测量技术。惯性测量技术是一种重要的导航技术，在古代就已被用于航海事业。该技术通过一个已知点位置，以及前进方向、速度、时间，就能够算出当前的位置信息，从而对物体进行定位和导航。此方法无需任何额外的基础设施或网络环境，并且具有成本低、体积小、自主性强的优点。但现有的惯性测量技术在短距离定位上有较高的精度，但是具有累积误差的缺点。如何不依赖于其他条件、消除惯性测量技术的累计误差，是实现精准的室内定位的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种不依赖于外部环境部署的基于室内地磁轨迹匹配的航迹推断校准方法和装置。

本发明采用如下技术方案：

一种基于室内地磁轨迹匹配的航迹推断校准方法，其改进之处在于，所述的方法包括如下步骤：

（1）正反向地磁轨迹匹配

（11）在线采集和训练指纹：

当用户在执行任务的同时设备后台自动在线采集地磁指纹，地磁指纹的位置和航迹推断位置估计结果形成一种对应关系，在线采集的地磁指纹存储在设备中，并用于校准后续的航迹推断位置估计结果；

（12）根据正向地磁指纹生成反向地磁指纹，正向地磁指纹是指在线采集地磁指纹和用户行走方向相一致；

（13）同时使用正向地磁指纹、反向地磁指纹和后续的在线采集的地磁指纹进行匹配，提高用户出现在同一路径的机率，一旦出现好的地磁指纹匹配，当前航迹推断的位置将会被校准到用户第一次出现在该位置时候航迹推断的位置；

（2）三维地磁指纹：把载体坐标系下地磁传感器读出的具有姿态特征的三维原始地磁数据映射到导航坐标系下统一的三维地磁指纹；

（3）反向地磁指纹：根据正向地磁轨迹生成反向地磁轨迹；

（4）基于室内外场景检测的地磁校准触发机制：利用室内外可见卫星数量的差异进行室内外场景的识别；由于建筑物的遮挡，GPS模块在室内能够搜索到的卫星数量远小于室外能够搜索到的卫星数量；如果一段时间内的可见卫星数量的均值小于某个阈值认为用户在室内；否则认为用户在室外；

（5）基于FastDTW算法的室内地磁路径匹配算法：

（51）采集地磁数据构建采样样本S={D，M，C}，其中D当前瞬时方向，M={magx，magy，magz}为导航坐标系下三维地磁指纹，C={X，Y}为当前坐标；

（52）采样样本加入样本队列构成正向地磁轨迹，如果正向地磁轨迹长度小于阈值则继续采集数据；如果正向地磁轨迹长度大于阈值而且通过室内外检测算法判定用户在室内则触发正向地磁轨迹校准算法；

（53）为了缩短校准间隔，采用增量式处理，触发校准算法之后，删掉正向地磁轨迹的最前面一段样本序列，然后在正向地磁轨迹末尾加入新的采样样本构成新的正向地磁轨迹，当正向地磁轨迹长度达到阈值而且通过室内外检测算法判定用户在室内再次触发地磁轨迹校准算法。

进一步的，在步骤（52）中，所述的阈值为440。

进一步的，步骤（53）中，地磁轨迹校准算法包括如下步骤：

（531）根据正向地磁轨迹生成反向地磁轨迹；

（532）如果是第一次触发匹配，直接把正向地磁轨迹加入指纹库，算法结束；否则执行（533）；

（533）分别把正、反向地磁轨迹与指纹库进行DTW匹配，如果正、反向的DTW距离全都大于阈值，执行（534）；如果正向DTW距离小于阈值，执行（535）；如果反向DTW距离小于阈值，执行（536）；如果正、反向DTW距离全都小于阈值，正向DTW距离小于反向DTW距离，执行（535）；如果正、反向DTW距离全都小于阈值，正向DTW距离大于反向DTW距离，执行（536）；

（534）表示指纹库中没有与当前地磁轨迹相似的地磁轨迹，把当前正向地磁轨迹加入指纹库的末尾，算法结束；

（535）指纹库中存在与当前正向地磁轨迹相似的地磁轨迹，在这里可得到一条待匹配地磁轨迹，我们需要对待匹配地磁轨迹进一步的处理，执行（537）；

（536）指纹库中存在与当前反向地磁轨迹相似的地磁轨迹，在这里可得到一条待匹配地磁轨迹，我们需要对待匹配地磁轨迹进一步的处理，执行（538）；

（537）如果待匹配地磁轨迹与当前正向地磁轨迹的长度之差大于阈值或者起点距离大于阈值，则认为待匹配地磁轨迹与当前正向地磁轨迹不是同一条地磁轨迹，把当前正向地磁轨迹加入指纹库的末尾，执行（531）；如果待匹配地磁轨迹与当前正向地磁轨迹的长度之差小于阈值和起点距离小于阈值，则认为待匹配地磁轨迹与当前正向地磁轨迹是同一条地磁轨迹，把用户位置校准到待匹配地磁轨迹的终点位置，把待匹配地磁轨迹加入指纹库的末尾，执行（539）；

（538）如果待匹配地磁轨迹与当前反向地磁轨迹的长度之差大于阈值或者起点距离大于阈值，则认为待匹配地磁轨迹与当前反向地磁轨迹不是同一条地磁轨迹，执行（531）；如果待匹配地磁轨迹与当前反向地磁轨迹的长度之差小于阈值和起点距离小于阈值，则认为待匹配地磁轨迹与当前反向地磁轨迹是同一条地磁轨迹，把用户位置校准到待匹配地磁轨迹的起点位置，根据待匹配地磁轨迹生成反向待匹配地磁轨迹，反向待匹配地磁轨迹加入指纹库的末尾，执行（5310）；

（539）如果待匹配地磁轨迹和当前正向地磁轨迹的最大直线长度大于阈值，则计算待匹配地磁轨迹和当前地磁轨迹的最大直线方向差，根据这个方向差更新用户航向，否则不更新用户航向；

（5310）如果待匹配地磁轨迹和当前反向地磁轨迹的最大直线长度大于阈值，则计算待匹配地磁轨迹和当前地磁轨迹的最大直线方向差，根据这个方向差更新用户航向，否则不更新用户航向。

一种基于室内地磁轨迹匹配的航迹推断校准装置，其改进之处在于：所述的装置包括相互间通过无线网络进行通信的可穿戴航迹推断模块和处理平台，所述的可穿戴航迹推断模块包括数据处理模块和与之电连接的加速度传感器及陀螺仪传感器，所述的处理平台包括运算处理模块和与之电连接的地磁传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器和气压传感器；用户的位置坐标经上述的运算处理模块处理之后，在地图上显示用户的位置信息。

进一步的，所述的无线网络为低功耗蓝牙。

进一步的，所述的可穿戴航迹推断模块为鞋载惯性传感器。

进一步的，所述的处理平台为智能手机。

本发明的有益效果在于：

本发明所公开的基于室内地磁轨迹匹配的航迹推断校准方法和装置，不需要前期训练工作，使用成本低廉的惯性传感器以及一些辅助的传感器，利用室内不同路径地磁序列的差异性来消除惯性测量技术的累计误差，从而达到不依赖于外部环境部署以及在紧急情况下，人员的精确定位和导航。

附图说明

图1是室内不同路径的地磁波形；

图2是同一路径不同时间的地磁波形；

图3是室内同一路径不同姿态采集的原始三维地磁轨迹；

图4是室内同一路径不同姿态采集的地磁指纹转换之后的三维地磁轨迹；

图5是室内同一路径不同姿态采集的二维地磁轨迹；

图6是本发明实施例1步骤（3）中正反向地磁采集路线；

图7是实际采集的正向三维地磁轨迹A；

图8是根据图7正向轨迹A构建的反向三维地磁轨迹与实际采集的反向三维地磁轨迹相似性比较示意图；

图9是在同一条路径上以不同速度行走时采集的地磁数据；

图10是DTW算法的原理示意图；

图11是对本发明实施例1所公开的校准方法进行试验的试验区域平面示意图；

图12是本发明实施例1所公开的校准方法的试验结果示意图1；

图13是本发明实施例1所公开的校准方法的试验结果示意图2；

图14是本发明实施例1所公开的校准方法的试验结果示意图3；

图15是本发明实施例1所公开的校准方法的定位累计误差分布图；

图16是本发明实施例1所公开的校准装置的组成框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，本实施例公开了一种基于室内地磁轨迹匹配的航迹推断校准方法，利用诸如地磁传感器、加速度传感器、气压传感器、陀螺仪传感器等轻量级传感器，通过数据采集、分析、建模、验证，挖掘出用户在室内不同位置表现出来的不同特征。

具体来说就是，地磁场会因为室内钢筋水泥结构和电子设备影响而发生不同程度的变化。根据室内不同特征准确修正用户航迹。在广阔的室外，由于磁体少，或者相互距离较远，对地磁产生的作用较小，地磁场强度的变化不大，但是在室内，尤其是钢筋混凝土结构建筑，会对地磁场产生较大的干扰，另外室内存在很多基础设施（楼梯、电梯，支撑柱）以及特殊场所（厕所，水房，机房）都会影响地磁，不同的室内场景会有不同的磁场表现，不同位置也会有不同的磁场特征。

图1为室内各不相同的3条路径的地磁波形，可以看出不同路径的地磁波形各不相同，每条路径具有多个波峰波谷，路径特征明显，具有很好的稳定性和差异性。地磁场的稳定性和差异性正好可以用于室内定位。如图2所示，同一路径不同时间的地磁观测值具有非常高的相似性，本实施例用在线采集的地磁指纹对后续航迹推断位置进行校准。

基于以上内容，本实施例公开的基于室内地磁轨迹匹配的航迹推断校准方法，包括如下步骤：

（1）正反向地磁轨迹匹配

（11）在线采集和训练指纹：

对应紧急救援，目标环境内不太可能会有事先采集好的地磁指纹，对整个建筑环境采集地磁指纹也是不现实的，毕竟工作量太大了。为了在不事先采集和训练地磁指纹的前提下，利用地磁指纹的优势校准航迹推断位置，当用户在执行任务的同时设备后台自动在线采集地磁指纹，地磁指纹的位置和航迹推断位置估计结果形成一种对应关系，在线采集的地磁指纹存储在设备中，并用于校准后续的航迹推断位置估计结果；

（13）使用正向地磁轨迹校准只有当用户（救援人员）再次沿着同一路径（救援人员所行走的路径中重复的部分，不需要太长）并按照同一方向行走时才可以获得精确的位置校准。为了提高在线地磁指纹的校准机率，同时使用正向地磁指纹、反向地磁指纹和后续的在线采集的地磁指纹进行匹配，提高用户出现在同一路径的机率，一旦出现好的地磁指纹匹配，当前航迹推断的位置将会被校准到用户第一次出现在该位置时候航迹推断的位置；使用第一次航迹推断的位置估计作为校准位置是根据航迹推断系统累计误差越来越大，先前的位置估计比后续位置估计精确的事实。

（2）三维地磁指纹：

地磁传感器测量出来的地磁数据是一个三维向量。为了有效利用地磁信息，本实施例构建三维地磁指纹来代替传统的一维地磁幅值指纹。跟一维地磁幅值指纹相比，三维地磁指纹具有更高的空间分辨率。三维地磁指纹可以判定到球面上具体的某个点，而一维幅值指纹仅仅可以判断到球面。

为了消除设备姿态变化对三维地磁指纹的影响，把载体坐标系下地磁传感器读出的具有姿态特征的三维原始地磁数据映射到导航坐标系下统一的三维地磁指纹；

从图3和图4可以看出相比原始三维地磁观测(DTW 值=47595.5）本实施例构建的三维地磁轨迹具有更高的稳定性和相似性(DTW 值=11635.5）。

作为比较，本实施例通过把原始三维地磁观测数据投影到水平面和重力方向来构建二维地磁轨迹。如图5所示，同一路径两次采集的地磁指纹DTW相似度随着地磁指纹的维度增加而增大，二维地磁指纹的空间分辨率介于一维地磁幅值指纹和三维地磁指纹之间。

（3）反向地磁指纹：为了提高在线地磁指纹的校准机率，根据正向地磁轨迹生成反向地磁轨迹；按照图6所示，由西向东采集正向三维地磁轨迹A，如图7所示，根据正向三维地磁轨迹A构建反向三维地磁轨迹B，由东向西采集反向三维地磁轨迹C。如图8所示，本实施例根据正向三维轨迹A构建的反向三维地磁轨迹B跟实际采集的三维地磁轨迹C非常相似，由此可用构建的反向三维地磁轨迹B代替实际采集的反向三维地磁轨迹C，大大减小采集量的同时也提高校准机率。类似地，二维地磁轨迹也满足这种相似性。

GPGSV(GPS Satellites in View)，可见卫星信息，即当前GPS模块能够搜索到的所有卫星信息，它是NMEA-0183协议中兼容性比较广的一种语句，设备的GPS模块可以接收到这个信息。

利用GPGSV消息来计算当前可见的卫星数量，下面是GPS模块在室内实际接收到的一条GPGSV消息：

$GPGSV,3,1,12,01,73,078,,03,08,084,,04,03,217,,07,20,192,*79

根据NEMA Reference Manual我们可知消息的第4个字段指示了现在可见卫星数量为12，但在实际情况中，我们不能单纯地使用这个值作为当前可见的卫星数量，因为从消息的第8、12、16、20看出这些卫星信号的SNR为空，也就代表着这些卫星实际上并没有被追踪到，而其余的值只是GPS模块上次获取到卫星信息之后的缓存值。所以本实施例将GPGSV信息进行解析并获取每个可见卫星信号的SNR，当SNR不为空且SNR>0的时候才认为该卫星可见，这样便可以计算出当前可见卫星数量。

（5）基于FastDTW算法的室内地磁路径匹配算法：

在地磁序列的匹配过程中，需要注意到在相同的采样频率下，行走速度的快慢会导致同一条路径地磁样本密度有很大区别。图9为在同一条路径上以不同速度行走采集的地磁数据。从图中可以看出，若以地磁序列1为参考序列，则地磁序列2为地磁序列1的“拉伸”，而地磁序列3为地磁序列1的“压缩”。

为了解决“压缩”或“拉伸”问题，本实施例考虑了如今广泛应用于声音匹配、行为识别、信息检索的 DTW（Dynamic Time Wrapping, 动态时间规整）算法。DTW 通过计算两个时序序列中最佳的匹配点，获取整个序列的最佳匹配距离（最佳匹配路径）。如图 10 所示，该算法基于动态规划的思想，通过寻找两个不同长度序列中最佳的对应采样点来计算两个序列的DTW距离。但是注意到当前建筑物室内拓扑结构往往比较复杂，人行走的路径条数多、长度不同，而DTW算法复杂度接近O(n2)，这会使计算开销变大，在实时定位阶段势必会导致明显定位延迟。为了解决这个问题，本实施例使用Stan Salvador和Philip Chan提出的FastDTW（Fast Dynamic Time Warping,快速动态时间归准）算法通过减少搜索空间和数据抽象两种方法对DTW算法进行改进，算法的时间复杂度为O(n)，可以有效的减少计算开销。

在本实施例的步骤（52）中，所述的阈值为440。

在本实施例的步骤（53）中，地磁轨迹校准算法包括如下步骤：

（531）根据正向地磁轨迹生成反向地磁轨迹；

在中国科学院计算技术研究所七楼如图11所示室内区域（60米×40米），对本实施例所公开的校准方法进行大量试验。随机选取几次试验结果如图12、13、14所示。测试过程中用户从起点A出发严格沿着该路径行走，到达B点之后原路返回到终点（起点）A，未校准的轨迹是通过二重积分得到的用户位置估计，地磁校准之后的轨迹相比于未校准的轨迹定位精度有明显的提高，星形点为地磁校准点。通过大量测试得到定位累计误差分布图如图15所示。图中横坐标为定位误差，纵坐标为正确率。从定位累计误差分布图中可见，定位误差在2米以内的准确率从67%提升到87%，校准之后精度提升效果明显。

如图16所示，本实施例还公开了一种基于室内地磁轨迹匹配的航迹推断校准装置，所述的装置包括相互间通过无线网络进行通信的可穿戴航迹推断模块和处理平台，所述的可穿戴航迹推断模块包括数据处理模块和与之电连接的加速度传感器及陀螺仪传感器，所述的处理平台包括运算处理模块和与之电连接的地磁传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器和气压传感器；用户的位置坐标经上述的运算处理模块处理之后，在地图上显示用户的位置信息。

在本实施例中，所述的无线网络为低功耗蓝牙（蓝牙传输接口）。所述的可穿戴航迹推断模块为鞋载航迹推断模块，即鞋载惯性传感器。所述的处理平台为智能手机。

Claims

1.一种基于室内地磁轨迹匹配的航迹推断校准方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：

（1）正反向地磁轨迹匹配：

（11）在线采集和训练指纹：

（3）反向地磁指纹：根据正向地磁轨迹生成反向地磁轨迹；

（5）基于FastDTW算法的室内地磁路径匹配算法：

2.根据权利要求1所述的基于室内地磁轨迹匹配的航迹推断校准方法，其特征在于：在步骤（52）中，所述的阈值为440。

3.根据权利要求1所述的基于室内地磁轨迹匹配的航迹推断校准方法，其特征在于：步骤（53）中，地磁轨迹校准算法包括如下步骤：

（531）根据正向地磁轨迹生成反向地磁轨迹；

4.一种基于室内地磁轨迹匹配的航迹推断校准装置，其特征在于：所述的装置包括相互间通过无线网络进行通信的可穿戴航迹推断模块和处理平台，所述的可穿戴航迹推断模块包括数据处理模块和与之电连接的加速度传感器及陀螺仪传感器，所述的处理平台包括运算处理模块和与之电连接的地磁传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器和气压传感器；用户的位置坐标经上述的运算处理模块处理之后，在地图上显示用户的位置信息。

5.根据权利要求4所述的基于室内地磁轨迹匹配的航迹推断校准装置，其特征在于：所述的无线网络为低功耗蓝牙。

6.根据权利要求4所述的基于室内地磁轨迹匹配的航迹推断校准装置，其特征在于：所述的可穿戴航迹推断模块为鞋载惯性传感器。

7.根据权利要求4所述的基于室内地磁轨迹匹配的航迹推断校准装置，其特征在于：所述的处理平台为智能手机。