CN108827282A - 一种基于模拟退火算法旋转磁信标数字定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于模拟退火算法旋转磁信标数字定位方法，属于定位定向方法技术领域。本发明通过模拟退火算法求解目标函数的最小值，进而得到目标所在位置。实际应用时两个通入不同频率正弦电流的线圈产生磁场，通过目标物所放置的磁通门测量所得到的磁场强度信息，再将该磁场强度与标准磁场强度进行比较，得到物体所在的真实位置。本发明可以在一些特殊环境下，特别是在地下、水下、室内、城市或高山峡谷等地区，仍能保证稳定且高精度的定位定向服务，具有装置简单，算法高效合理，定位精度高、穿透性好、不受恶劣天气条件和昼夜变化的直接影响的特点。

Description

一种基于模拟退火算法旋转磁信标数字定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于模拟退火算法旋转磁信标数字定位方法，属于定位定向方法技术领域。

背景技术

随着科技的快速发展，人们对定位服务的需求日益增大。现有的几种主要的定位方法，如下：(1)GPS定位技术：需要终端内置卫星信号接收模块，定位精度受终端所处环境的影响较大。如果终端处于大型建筑物或者室内环境下，接收到的卫星信号太弱，定位精度将降低。(2)WiFi定位技术：能耗较大，而且受服务范围限制，没有方向、速度等数据，不能导航。(3)Zigbee定位技术：只能专网专用。数据率较低，不适用于传输速率高的应用。(4)蓝牙定位技术：复杂空间环境中，稳定性稍差，受噪声干扰大。(5)申请公布号为CN105928511A的发明专利公开了一种基于磁信标的定位定向方法，其技术方法方法较为复杂，且精度不高。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，例如在一些特殊环境下GPS信号容易受到干扰，特别是在地下、水下、室内、城市或高山峡谷等地区，GPS难以继续正常工作，进而提供一种基于模拟退火算法旋转磁信标数字定位方法，可以针对室内、地下等环境GPS信号不可用时，仍能保证稳定且高精度的定位定向服务。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于模拟退火算法旋转磁信标数字定位方法，包括：

步骤1、制作两个磁信标，采用面积A已知的正方形木质框架，绕制以匝数N已知的铜线圈，然后将两个磁信标安装在二维平面的已知位置作为信号源，并将电流大小I已知、频率不同的两组正弦信号加在磁信标的线圈上，并将定位目标处安装磁传感器，此时磁信标产生的磁力矩M为：

M＝A·N·I；

步骤2、设定两个磁信标在平面直角坐标系中的位置和输出频率，信标一放置在坐标原点，输入正弦电流信号的频率为f₁；信标二放置在(0,-R)处，输入正弦电流信号的频率为f₂；

步骤3、为了区分这两个具有单独频率的磁信标，需要附加使用锁相放大器；对于两个磁信标的情况，需要四个锁相放大器，将其中两个锁相放大器的频率调谐到f₁，其余两个锁相放大器的频率调谐到f₂；通过磁传感器接收到的磁感应信号，经过锁相放大器的处理，分别得到两个磁信标对应的磁感应强度分量，其中B_1x为信标一对应的磁感应强度x轴分量，B_1y为信标一对应的磁感应强度y轴分量，B_2x为信标二对应的磁感应强度x轴分量，B_2y为信标二对应的磁感应强度y轴分量；再将x轴分量结合得到总的x轴分量，同样的将y轴分量结合得到总的y轴分量；M₁为信标一对应的磁力矩，M₂为信标二对应的磁力矩；

步骤4、通过公式计算出标准的磁场强度，公式如下：

B＝μ₀/(4π)M[(3x²r^-5-r^-3)x+(3xr^-5)y]

通过上述公式将位置信息与磁场强度信息建立联系，即通过一个场强即可得到一个位置；

步骤5、算法详解：由于模拟退火算法是求解函数最小值的方法，故应用时首先建立目标函数，在磁定位中所建立目标函数如下：

将磁通门得到的测量信息与标准信息作比较，即可得到位置信息，具体应用的算法为模拟退火算法，通过做差求最小值的方式得到位置信息；首先建立一个存储位置的矩阵，在矩阵中每个元素存储了一个与下标相关的磁场信息，在此之前将每个下标与一个位置进行相关联，而磁场信息通过公式：

B＝μ₀/(4π)M[(3x²r^-5-r^-3)x+(3xr^-5)y]

求解，然后通过公式：

将测试得到的磁场强度代入就可以得到误差信息，而e(i,j,k)在这里取得是分量的二范数的平方，得即对测量值与标定值作差得分别平方作和，通过模拟退火算法将该函数的最小值求出即可。

所述步骤一中的磁信标的木质框架用不含铁质的材料连接。

本发明的有益效果如下：

本发明可以在一些特殊环境下，特别是在地下、水下、室内、城市或高山峡谷等地区，GPS信号容易受到干扰、不可用或者难以继续正常工作时，仍能保证稳定且高精度的定位定向服务。

本发明具有装置简单，算法高效合理，定位精度高、穿透性好、不受恶劣天气条件和昼夜变化的直接影响的特点。

附图说明

图1为本发明一种基于模拟退火算法旋转磁信标数字定位方法的流程图。

图2为本发明一种基于模拟退火算法旋转磁信标数字定位方法的装置结构示意图。

图2中的附图标记，1为信标一，2为信标二，3为磁传感器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1和图2所示，本实施例所涉及的一种基于模拟退火算法旋转磁信标数字定位方法，包括：

步骤1、制作两个磁信标，采用面积A已知的正方形木质框架，绕制以匝数N已知的铜线圈，然后将两个磁信标安装在二维平面的已知位置作为信号源，并将电流大小I已知、频率不同的两组正弦信号加在磁信标的线圈上，并将定位目标处安装磁传感器3，此时磁信标产生的磁力矩M为：

M＝A·N·I；

步骤2、设定两个磁信标在平面直角坐标系中的位置和输出频率，信标一1放置在坐标原点，输入正弦电流信号的频率为f₁；信标二2放置在(0,-R)处，输入正弦电流信号的频率为f₂；

步骤3、为了区分这两个具有单独频率的磁信标，需要附加使用锁相放大器；对于两个磁信标的情况，需要四个锁相放大器，将其中两个锁相放大器的频率调谐到f₁，其余两个锁相放大器的频率调谐到f₂；通过磁传感器3接收到的磁感应信号，经过锁相放大器的处理，分别得到两个磁信标对应的磁感应强度分量，其中B_1x为信标一1对应的磁感应强度x轴分量，B_1y为信标一1对应的磁感应强度y轴分量，B_2x为信标二2对应的磁感应强度x轴分量，B_2y为信标二2对应的磁感应强度y轴分量；再将x轴分量结合得到总的x轴分量，同样的将y轴分量结合得到总的y轴分量；M₁为信标一1对应的磁力矩，M₂为信标二2对应的磁力矩；

步骤4、通过公式计算出标准的磁场强度，公式如下：

B＝μ₀/(4π)M[(3x²r^-5-r^-3)x+(3xr^-5)y]

通过上述公式将位置信息与磁场强度信息建立联系，即通过一个场强即可得到一个位置；

步骤5、算法详解：由于模拟退火算法是求解函数最小值的方法，故应用时首先建立目标函数，在磁定位中所建立目标函数如下：

将磁通门得到的测量信息与标准信息作比较，即可得到位置信息，具体应用的算法为模拟退火算法，通过做差求最小值的方式得到位置信息；首先建立一个存储位置的矩阵，在矩阵中每个元素存储了一个与下标相关的磁场信息，在此之前将每个下标与一个位置进行相关联，而磁场信息通过公式：

B＝μ₀/(4πDM[(3x²r^-5-r^-3)x+(3xr^-5)y]

求解，然后通过公式：

将测试得到的磁场强度代入就可以得到误差信息，而e(i,j,k)在这里取得是分量的二范数的平方，得即对测量值与标定值作差得分别平方作和，通过模拟退火算法将该函数的最小值求出即可。

所述步骤一中的磁信标的木质框架用不含铁质的材料连接。

实施例1

本实施例通过模拟退火算法求解目标函数的最小值，进而得到目标所在位置的方法。实际应用时两个通入不同频率正弦电流的线圈产生磁场，通过目标物所放置的磁通门测量所得到的磁场强度信息，再将该磁场强度与标准磁场强度进行比较，得到物体所在的真实位置。

如图1所示，系统整体的算法流程为：

(1)、输入已测量的磁场强度信息

(2)、选择初始区域(初始化某一点)

(3)、摸拟退火算法处理数据

(4)、输出位置信息

其中相关的参数需要设定，需要设定的参数如下：循环总数(马可夫链长)相邻检查单元、初始温度、冷却率(衰减参数)、单元边长(步长因子)和搜索域边长，需根据具体的应用情况去设定。

在以20m×20m的范围内，初始条件可以近似设定成如下大小：循环总数(马可夫链长)＝300，相邻检查单元＝10，初始温度＝1，冷却率(衰减参数)＝0.9，单元边长(步长因子)＝0.05m，搜索域边长＝20m，这里步长因子与算法的运行精度有关，要求的精度应该大于步长因子。

算法开始时随机产生一个初始解x₀，令x_best＝x₀，并计算目标函数值E(x₀)；设置初始温度T(0)＝T₀，外层迭代次数i＝1；当T(i)＝T_min，内层循环变量j循环k次；对当前最优解x_best按照某一邻域函数，产生一新的解x_new。计算新的目标函数值E(x_new)，并计算目标函数值的增量VE＝E(x_new)-E(x_best)。如果VE＜0，则把x_new的值赋予x_best；如果VE＞0，则计算p＝exp(-VE/T(i))；若p大于[0,1]区间内的随机数，则仍旧接受新状态x_new为当前状态；若不成立则保留x_best为当前状态。一次循环结束令i＝i+1；再次进入循环体直到循环结束，输出当前最优点，计算结束。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于模拟退火算法旋转磁信标数字定位方法，其特征在于，包括：

步骤1、制作两个磁信标，采用面积A已知的正方形木质框架，绕制以匝数N已知的铜线圈，然后将两个磁信标安装在二维平面的已知位置作为信号源，并将电流大小I已知、频率不同的两组正弦信号加在磁信标的线圈上，并将定位目标处安装磁传感器(3)，此时磁信标产生的磁力矩M为：

M＝A·N·I；

步骤2、设定两个磁信标在平面直角坐标系中的位置和输出频率，信标一(1)放置在坐标原点，输入正弦电流信号的频率为f₁；信标二(2)放置在(0,-R)处，输入正弦电流信号的频率为f₂；

步骤3、为了区分这两个具有单独频率的磁信标，需要附加使用锁相放大器；对于两个磁信标的情况，需要四个锁相放大器，将其中两个锁相放大器的频率调谐到f₁，其余两个锁相放大器的频率调谐到f₂；通过磁传感器(3)接收到的磁感应信号，经过锁相放大器的处理，分别得到两个磁信标对应的磁感应强度分量，其中B_1x为信标一(1)对应的磁感应强度x轴分量，B_1y为信标一(1)对应的磁感应强度y轴分量，B_2x为信标二(2)对应的磁感应强度x轴分量，B_2y为信标二(2)对应的磁感应强度y轴分量；再将x轴分量结合得到总的x轴分量，同样的将y轴分量结合得到总的y轴分量；M₁为信标一(1)对应的磁力矩，M₂为信标二(2)对应的磁力矩；

步骤4、通过公式计算出标准的磁场强度，公式如下：

B＝μ₀/(4π)M[(3x²r^-5-r^-3)x+(3xr^-5)y]

通过上述公式将位置信息与磁场强度信息建立联系，即通过一个场强即可得到一个位置；

步骤5、算法详解：由于模拟退火算法是求解函数最小值的方法，故应用时首先建立目标函数，在磁定位中所建立目标函数如下：

将磁通门得到的测量信息与标准信息作比较，即可得到位置信息，具体应用的算法为模拟退火算法，通过做差求最小值的方式得到位置信息；首先建立一个存储位置的矩阵，在矩阵中每个元素存储了一个与下标相关的磁场信息，在此之前将每个下标与一个位置进行相关联，而磁场信息通过公式：

B＝μ₀/(4π)M[(3x²r^-5-r^-3)x+(3xr^-5)y]

求解，然后通过公式：

将测试得到的磁场强度代入就可以得到误差信息，而e(i,j,k)在这里取得是分量的二范数的平方，得即对测量值与标定值作差得分别平方作和，通过模拟退火算法将该函数的最小值求出即可。

2.根据权利要求1所述的一种基于模拟退火算法旋转磁信标数字定位方法，其特征在于，所述步骤一中的磁信标的木质框架用不含铁质的材料连接。