CN107543541B - 一种适合室内自由运动载体的地磁定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适合室内自由运动载体的地磁定位方法，在室内定位终端自由运动的情况下进行搜索定位；增加对测量轨迹进行变尺度搜索方法，地磁定位性能得到了有效提升；增加地磁匹配结果可靠性评估后，可有效剔除错误的匹配结果，确保了定位系统的可靠性。

Description

一种适合室内自由运动载体的地磁定位方法

技术领域

本发明涉及定位技术领域，尤其是一种适合室内自由运动载体的地磁定位方法。

背景技术

地磁场、人工建筑产生的磁场，统称为环境磁场。这部分环境磁场随时间较为稳定，其强度(大小)和方向随空间位置的变化而变化。为位置信息的测量提供了一个天然的坐标系。利用环境磁场随位置相关和变化的特性就可以实现对移动体位置的测量。

地磁定位技术作为一种有效的辅助定位手段，其基本原理是，把飞行器工作区域的地磁参考图(基准图)预先存储在计算机中，由飞行器携带的地磁传感器对飞行器飞行路线上的地磁场进行实时测量，构成实时图，并在计算机中与参考图进行相关匹配，计算出飞行器的即时位置，供飞行器修正惯导累积的误差，以应对卫星导航系统被干扰或战时被破坏的极端情况，提高导航系统的可靠性和完备性，该技术也同样可以应用于水下航行器。

近几年，也有专家、学者把飞行器用地磁定位技术拓展应用到室内领域，但相对于飞行器用地磁定位技术，主要有以下几点不同：

第一，由于室内领域采用的MemsIMU受制于成本的约束，性能较差，误差发散很快，导致行走(行驶)距离，影响地磁定位结果；同时，室内定位主要用于人员、机器人或车辆等资产的位置测量，而人和这些设备在室内的运动状态较为复杂，比如走走停停，甚至有时候会倒着行走和行驶。

第二，由于室内磁场环境更为复杂，而室内领域采用的磁传感器性能较差，地磁匹配的的可靠性差。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种适合室内自由运动载体的地磁定位方法，解决由于载体的运动形式和运动规律不同导致搜索定位方法不同，系统成本要求不同导致室内应用的惯导和磁传感器测量精度和可靠性难以满足室内要求的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种适合室内自由运动载体的地磁定位方法，包括以下步骤：

步骤S1、建立区域地磁基准图数据库，所述区域基准图数据库的数据来源于事先对现场区域的实际测量，以网格Grid为标准间距存储区域内点的基准磁场特征矩阵，构建地磁基准图；

步骤S2、设置距离缩放比例因子变化范围，所述距离缩放比例因子包括缩放因子A和调整因子B；

步骤S3、设置在地磁基准图内的搜索范围，所述搜索范围大于MemsIMU的定位误差特性；

步骤S4、获取自由运动的载体内的磁传感器实时测量的地磁特征值构成地磁实时图；

步骤S5、按照设置距离缩放比例因子变化范围将所述地磁实时图进行点间距的变尺度缩放，按照设置地磁基准图的搜索范围，对缩放后地磁实时图的进行位置搜索和地磁相关匹配，对匹配结果的可靠性进行评估后，选择最优的匹配结果进行输出。

进一步地，所述网格Grid的设置为0.1m。

进一步地，所述缩放因子A由Ami、AStep和Ama组成，所述Ami和Ama是缩放因子的最小值和最大值，AStep是缩放变化的步长；所述调整因子B由Bmi、BStep和Bma组成，所述Bmi和Bma是调整因子的最小和最大值，BStep是调整变化的步长，所述变尺度缩放因子A和B的调整范围以能够覆盖由于惯导误差引起的推算距离误差范围为准。

进一步地，所述搜索以MemsIMU给出的位置为中心，设置搜索范围M，所述M是一个正整数，表示在基准图内沿X方向和Y方向搜索的网格数所述搜索；所述M的取值以2M*Grid大于MemsIMU的定位误差为准。

进一步地，所述步骤4包括如下子步骤：

步骤S401、提取地磁定位终端运动起始位置点的MemsIMU位置和磁场数据，作为地磁实时图起始点；

步骤S402、按地磁定位终端提取数据的时间间隔，依次提取地磁定位终端的MemsIMU位置和磁场数据，并计算当前提取时间间隔内，两个提取点载体位置的距离；

步骤S403、统计地磁实时图数据记录的长度是否超过预定的地磁实时图的长度BeSsLength，否，则更新提取时刻，重复步骤S202；是，则完成地磁实时图的获取。

进一步地，所述步骤5包括如下子步骤：

步骤S501、按照距离缩放比例因子给定的范围对地磁实时图进行变尺度缩放；

步骤S502、把变尺度缩放以后的地磁实时图的点间距进行标准化；

步骤S503、依据设置的搜索范围建立地磁基准子图，进行基准子图与实时图的匹配相关算法，得到相似面；

步骤504、根据相似面的主峰位置确定位置匹配结果，根据相似面的主次峰值比对匹配结果的可靠性进行评估，剔除错误匹配结果；

步骤S505、对变尺度缩放以后的地磁匹配结果进行相关性判决，输出最终的匹配位置。

进一步地，所述地磁实时图标准化是将地磁实时图的点的位置对应到地磁基准图的网格Grid上，标准化后的地磁实时图的轨迹变化特征Kx和Ky的表达式所述SsNum为地磁实时图的点数，所述Ss_AX和Ss_AY是变尺度缩放以后每个点的坐标。

进一步地，所述相关面上的局部最大值区域称为相关峰，其中最高的一个称为最高峰，即主峰，以下依次称为次高峰；所述主次峰值比为相关面上主峰的峰值与次高局部峰的峰值的比值，所述V_max为主峰的峰值，所述V_submax为局部次高峰的峰值，如果计算得到的主次峰值比超过预先设定的主次峰值比阈值SMR，认为匹配结果可靠；如果计算得到的主次峰值比小于预先设定的主次峰值比阈值SMR，则认为匹配结果不可靠，舍弃地磁定位结果。

进一步地，所述相关性判决以最短的地磁实时图作为基准，将其它的地磁实时图均调整到基准大小，然后和其对应匹配位置处的基准子图重新计算相似度，在采用绝对平均差匹配方法进行匹配时，选择相似度值的最小值所对应的基准子图的位置为最终的匹配位置；采用积相关匹配方法进行匹配时，选择相似度值的最大值所对应的基准子图的位置为最终的匹配位置。

本发明有益效果如下：

本发明提出的一种适合室内自由运动载体的地磁定位方法，在室内定位终端自由运动的情况下进行搜索定位；增加对测量轨迹进行变尺度搜索方法，地磁定位性能得到了有效提升；增加地磁匹配结果可靠性评估后，可有效剔除错误的匹配结果，确保了定位系统的可靠性。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为适合自由运动载体的地磁定位方法的总体流程图；

图2为地磁实时图变尺度搜索与匹配方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明的一个具体实施例，公开了一种适合室内自由运动载体的地磁定位方法。

所示地磁定位方法的流程图如图1所示。包括以下步骤：

步骤S1、建立区域地磁基准图数据库

所述区域基准图数据库的数据来源于事先对现场区域的实际测量，以网格Grid为标准间距存储区域内点的基准磁场特征矩阵，构建地磁基准图。本实施例的Grid＝0.1m。

步骤S2、设置距离缩放比例因子变化范围

所述距离缩放比例因子包括缩放因子A和调整因子B，所述缩放因子A由Ami、AStep和Ama组成，所述Ami和Ama是缩放因子的最小值和最大值，AStep是缩放变化的步长；所述调整因子B由Bmi、BStep和Bma组成，所述Bmi和Bma是调整因子的最小和最大值，BStep是调整变化的步长。上述参数范围不大于Mems加速度计的最大误差值。

步骤S3、设置在地磁基准图内的搜索范围

根据MemsIMU定位误差特性，设置搜索范围M。所述M是一个正整数，表示在基准图内沿X方向和Y方向搜索的网格数，所述2M*Grid大于MemsIMU定位误差。所述搜索以MemsIMU给出的位置(u0,v0)为中心，X方向搜索范围为(u0-M,u0+M)，Y方向搜索范围为(v0-M,v0+M)。

步骤S4、按照长度BeSsLength获取由运动的载体内磁传感器实时测量的若干个点的地磁特征值构成地磁实时图。所构成的地磁实时图的长度为BeSsLength。

所述地磁实时图的数据内容包括：(Ss_X,Ss_Y,Ss_F)。Ss_X,Ss_Y是测量点的坐标值，所述测量点的坐标值由MemsIMU给出，Ss_F是所述地磁定位终端在测量点测量的地磁场总场强度。

所述步骤4包括如下子步骤：

步骤S401、提取地磁定位终端运动起始位置点的MemsIMU位置和磁场数据，作为地磁实时图起始点，将数据记录到数组(Ss_X,Ss_Y,Ss_F)中。

步骤S402、按地磁定位终端提取数据的时间间隔，依次提取地磁定位终端的MemsIMU位置和磁场数据，并计算当前提取时间间隔内，两个提取点载体位置的距离，当所述距离小于约定的地磁实时图的长度BeSsLength时，则把该点的MemsIMU位置和磁场数据作为实时图数据记录到数组(Ss_X,Ss_Y,Ss_F)中。

步骤S403、统计地磁实时图数据记录的长度是否超过预定的地磁实时图的长度BeSsLength，如果没有，则更新提取时刻，重复步骤S202；如果实时图的长度满足预定的地磁实时图的长度BeSsLength，则完成地磁实时图的获取，输出数组(Ss_X,Ss_Y,Ss_F)。

步骤S5、按照所述距离缩放比例因子，把所述地磁实时图进行点间距的变尺度缩放，点间距进行标准化之后进行位置搜索和地磁相关匹配，对匹配结果进行相关性判决，选择最优的匹配结果进行输出。如图2所示，包括如下子步骤：

步骤S501、按照距离缩放比例因子给定的范围对地磁实时图进行变尺度缩放。

缩放关系为式中，j代表地磁实时图中每一个数据的标号，j的最大值SsNum为地磁实时图的点数，Ss_AX和Ss_AY是变尺度缩放以后每个点的坐标，Ss_AF是变尺度缩放以后的每个点的地磁数据，所述缩放因子A和所述调整因子B以最小值Ami和Bmi为初始值进行变尺度缩放计算，之后按照步长AStep、BStep依次调整距离缩放比例，直到达到所述缩放因子A和所述调整因子B的最大值Ama和Bma为完成变尺度缩放计算。

步骤S502、把变尺度缩放以后的地磁实时图的点间距进行标准化。

按照地磁基准图的网格Grid对地磁实时图进行标准化，标准化后的地磁实时图的轨迹变化特征Kx和Ky的表达式为

步骤S503、依据设置的搜索范围建立地磁基准子图，进行基准子图与实时图的相似计算，得到相似面。

以MemsIMU指示位置(u0,v0)为中心，按照在步骤S3中设置的搜索范围建立地磁基准子图，遍历地磁基准子图的每一个位置，计算基准子图与标准化后的实时图的相似度。将得到的相似度值按地磁实时图在地磁基准子图中的扫描方式排列成一个二维平面，即得到相似面。

步骤504、根据相似面的主峰位置确定位置匹配结果，根据相似面的主次峰值比对匹配结果的可靠性进行评估，剔除错误匹配结果。

匹配相关算法将相关面的最大值对应的位置为匹配位置。把相关面上的局部最大值区域称为相关峰，其中最高的一个称为最高峰，以下依次称为次高峰等。若有多个次高峰与最高峰的差别较小，说明基准子图中存在多个区域与实时图很相似，从而影响匹配定位的可信度。特别在有测量误差的情况下，次高峰有可能转变为最高峰，导致匹配位置的漂移。此外，峰的尖锐度也影响到匹配的概率和精度。陡峭的峰意味着较高的定位精度，匹配也不容易漂移；而坡度平缓的峰则会影响匹配精度，甚至会导致失配。

主次峰值比SubMaxRatio为相关面上，主峰(最高局部峰)的峰值与次高局部峰的峰值的比值，可表示为所述V_max为主峰(最高局部峰)的峰值，所述V_submax为次高局部峰的峰值，判断过程中，如果计算得到的主次峰值比超过预先设定的主次峰值比阈值SMR，认为匹配结果可靠；如果计算得到的主次峰值比小于预先设定的主次峰值比阈值SMR，则认为匹配结果不可靠，舍弃地磁定位结果。

步骤S505、对变尺度缩放以后的地磁匹配结果进行相关性判决。

地磁实时图变尺度缩放后，其大小发生了变化，找到缩放后最短的地磁实时图，以最短的地磁实时图作为基准，把其它的地磁实时图都调整到这个大小，然后和其对应匹配位置处的基准子图重新计算相似度，在采用绝对平均差匹配方法进行匹配时，选择相似度值的最小值所对应的基准子图的位置为最终的匹配位置；采用积相关匹配方法进行匹配时，选择相似度值的最大值所对应的基准子图的位置为最终的匹配位置。

综上所述，本发明实施例提供了一种基于道路磁场特征的地磁定位方法，在室内定位终端自由运动的情况下进行搜索定位；增加对测量轨迹进行变尺度搜索方法，地磁定位性能得到了有效提升；增加地磁匹配结果可靠性评估后，有效剔除错误的匹配结果，确保了定位系统的可靠性。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例模块中的方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适合室内自由运动载体的地磁定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、建立区域地磁基准图数据库，所述区域地磁基准图数据库的数据来源于事先对现场区域的实际测量，以网格Grid为标准间距存储区域内点的基准磁场特征矩阵，构建地磁基准图；

步骤S2、设置距离缩放比例因子变化范围；

所述距离缩放比例因子包括缩放因子A和调整因子B；所述缩放因子A由Ami、AStep和Ama组成，所述Ami和Ama是缩放因子的最小值和最大值，AStep是缩放变化的步长；所述调整因子B由Bmi、BStep和Bma组成，所述Bmi和Bma是调整因子的最小和最大值，BStep是调整变化的步长，所述缩放因子A和调整因子B的调整范围以能够覆盖由于惯导误差引起的推算距离误差范围为准；

步骤S3、设置在地磁基准图内的搜索范围；

步骤S4、获取自由运动的载体内的磁传感器实时测量的地磁特征值构成地磁实时图；

步骤S5、按照设置距离缩放比例因子变化范围将所述地磁实时图进行点间距的变尺度缩放，按照设置地磁基准图的搜索范围，对缩放后地磁实时图的进行位置搜索和地磁相关匹配，对匹配结果的可靠性进行评估后，选择最优的匹配结果进行输出。

2.根据权利要求1所述的地磁定位方法，其特征在于，所述网格Grid的设置为0.1m。

3.根据权利要求1所述的地磁定位方法，其特征在于，所述搜索以MemsIMU给出的位置为中心，设置搜索范围M，所述M是一个正整数，表示在基准图内沿X方向和Y方向搜索的网格数所述搜索；所述M的取值以2M*Grid大于MemsIMU的定位误差为准。

4.根据权利要求1-3之一所述的地磁定位方法，其特征在于，所述步骤S4包括如下子步骤：

步骤S401、提取地磁定位终端运动起始位置点的MemsIMU位置和磁场数据，作为地磁实时图起始点；

步骤S402、按地磁定位终端提取数据的时间间隔，依次提取地磁定位终端的MemsIMU位置和磁场数据，并计算当前提取时间间隔内，两个提取点载体位置的距离；

步骤S403、统计地磁实时图数据记录的长度是否超过预定的地磁实时图的长度BeSsLength，否，则更新提取时刻，重复步骤S402；是，则完成地磁实时图的获取。

5.根据权利要求1-3之一所述的地磁定位方法，其特征在于，所述步骤S5包括如下子步骤：

步骤S501、按照距离缩放比例因子给定的范围对地磁实时图进行变尺度缩放；

步骤S502、把变尺度缩放以后的地磁实时图的点间距进行标准化；

步骤S503、依据设置的搜索范围建立地磁基准子图，进行基准子图与实时图的匹配相关算法，得到相似面；

步骤504、根据相似面的主峰位置确定位置匹配结果，根据相似面的主次峰值比对匹配结果的可靠性进行评估，剔除错误匹配结果；

步骤S505、对变尺度缩放以后的地磁匹配结果进行相关性判决，输出最终的匹配位置。

6.根据权利要求5所述的地磁定位方法，其特征在于，

所述地磁实时图标准化是将地磁实时图的点的位置对应到地磁基准图的网格Grid上，标准化后的地磁实时图的轨迹变化特征Kx和Ky的表达式所述SsNum为地磁实时图的点数，Ss_AX和Ss_AY是变尺度缩放以后每个点的坐标。

7.根据权利要求6所述的地磁定位方法，其特征在于，

相关面上的局部最大值区域称为相关峰，其中最高的一个称为最高峰，即主峰，以下依次称为次高峰，即次峰；所述主次峰值比为相关面上主峰的峰值与次高峰的峰值的比值，所述V_max为主峰的峰值，所述V_submax为次高峰的峰值，如果计算得到的主次峰值比超过预先设定的主次峰值比阈值SMR，认为匹配结果可靠；如果计算得到的主次峰值比小于预先设定的主次峰值比阈值SMR，则认为匹配结果不可靠，舍弃地磁定位结果。

8.根据权利要求6所述的地磁定位方法，其特征在于，所述相关性判决以最短的地磁实时图作为基准，将其它的地磁实时图均调整到基准大小，然后和其对应匹配位置处的基准子图重新计算相似度，在采用绝对平均差匹配方法进行匹配时，选择相似度值的最小值所对应的基准子图的位置为最终的匹配位置；采用积相关匹配方法进行匹配时，选择相似度值的最大值所对应的基准子图的位置为最终的匹配位置。