CN110207688A - 一种基于特征矢量的磁信标快速定向方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于特征矢量的磁信标快速定向方法与系统，涉及定位定向技术领域，包括设定信号源产生两路信号的频率、幅值和相位，将信号输入至磁信标产生空间磁场；辨识待测磁场信号；连续采集磁场信号，并用带通滤波器进行滤波，分别得到两路信号的磁场矢量数据；将所述磁场矢量数据进行降噪处理；将降噪后的磁场矢量数据进行叉乘得到特征矢量；对特征矢量进行空间直线拟合，得到最优特征矢量；根据最优特征矢量计算得到相对磁信标的相对方位角和相对俯仰角。本发明利用空间直线拟合技术提高特征矢量的辨识精度。并在保证定向精度的同时，显著提高了系统进行相对方位计算的实时性。

Description

一种基于特征矢量的磁信标快速定向方法与系统

技术领域

本发明涉及定位定向技术领域，具体而言，涉及一种基于特征矢量的磁信标快速定向方法与系统。

背景技术

在现代生活的众多领域中，导航技术已经成为各个领域中不可或缺的部分。随着社会的发展，人类的活动场所越来越复杂，由此带来的是对导航系统的抗干扰性、实时性、导航精度等方面更高的要求。传统的导航方式例如GPS等由于使用微波信号，使得其在一些特殊环境(楼宇内或植被茂密的森林中)中无法提供精确的定位信息。利用其它信号源进行定位导航的相关研究应运而生。磁信标定位技术，其定位过程中不依靠定位系统外设备或条件，具有独立性强、穿透能力强、定位精度高、抗干扰能力强、实时性优良、定位过程中无积累误差等优良特点，已经成为特殊环境定位定向研究的热点。

当前磁信标定位技术一般基于旋转磁场技术进行定位定向，旋转磁场技术主要通过以下方式实现：通过锁相环、三角函数拟合等辨识技术，利用至少一个旋转周期的磁场数据辨识提取特征矢量，通过特征矢量计算该点相对于磁信标的方位。采用此种方式的定位系统的实时性受旋转周期大小限制，而且定向精度与参与计算的采样数据的数量有关。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种基于特征矢量的磁信标快速定向方法与系统，解决现有的实时性和定向精度不高的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供一种基于特征矢量的磁信标快速定向方法，其包括：

设定信号源产生两路激励信号的频率、幅值和相位，将所述两路激励信号输入至磁信标产生空间磁场；

辨识所述空间磁场的磁场信号；

连续采集所述磁场信号，并用带通滤波器进行滤波，分别得到所述两路激励信号的第一磁场矢量数据和第二磁场矢量数据；

分别将所述第一磁场矢量数据和所述第二磁场矢量数据进行降噪处理，得到所述两路激励信号的第三磁场矢量数据和第四磁场矢量数据；

将所述第三磁场矢量数据和所述第四磁场矢量数据进行叉乘得到特征矢量；

对所述特征矢量进行空间直线拟合，得到最优特征矢量；

根据所述最优特征矢量计算得到相对所述磁信标的相对方位角和相对俯仰角。

本发明利用带通滤波器分离提取两个频率的磁场矢量信号，将提取出的两个磁场矢量信号进行阈值判断，并将判断后的磁场矢量进行叉乘求取特征矢量，并利用空间直线拟合技术提高特征矢量的辨识精度。在保证定向精度的同时，一定程度上降低了定向精度受到参与计算数据数量的限制。

示例性地，所述两路信号为正弦激励信号。

本发明在空间中某点直接构建两条方向不随时间变化，大小随时间变化的磁场矢量，不受周期性限制，可提高系统的实时性。

示例性地，所述两路信号的频率不同。

本发明相对方位计算速度与最高频率的激励信号有关，提高了相对方位计算的实时性。

示例性地，所述辨识所述空间磁场的磁场信号包括：采集第一时间间隔的所述磁场信号，采用最小二乘法辨识所述磁场信号。

本发明基于最小二乘技术辨识磁场信号，可保证较快的计算速度和准确度。

示例性地，根据激励信号的所述频率设定所述带通滤波器的带宽。

本发明利用带通滤波器对采集信号进行滤波处理，可提高定向计算的精度。

示例性地，所述带通滤波器的通带频率为[f-0.05，f+0.05]，阻带频率为[f-0.5，f+0.5]，f表示所述激励信号的所述频率。

本发明根据信号的频率进行滤波，提高了计算的精度。

示例性地，所述降噪处理包括分别将所述第一磁场矢量数据和所述第二磁场矢量数据的绝对值与第一数值进行比较，去除小于所述第一数值的磁场矢量数据。

本发明通过不同数值判断处理数据，可保证较高的定向精度。

示例性地，所述第一数值根据所述激励信号的所述幅值进行设定。

本发明根据激励信号设置阈值来排除噪声干扰，保证信号准确度。

示例性地，所述对所述特征矢量进行空间直线拟合，得到最优特征矢量包括：采用最小二乘方法进行空间直线拟合，得到所述最优特征矢量。

本发明基于计算得到的最优特征矢量进行定向计算，保证了定向精度。

示例性地，所述根据所述最优特征矢量计算得到相对所述磁信标的相对方位角和相对俯仰角包括：按照以下公式计算所述相对方位角θ和所述相对俯仰角

其中，α为最优特征矢量与z轴的夹角，分别为所述最优特征矢量在x、y方向的分量。

本发明根据不变特征矢量与相对方位的关系进行定向计算，提高了定向的准确度，且所需计算参数较少，减少了定向计算受数据数量的限制。

第二方面，本发明提供一种基于特征矢量的磁信标快速定向系统，其包括：

系统初始化模块，用于设定信号源产生两路信号的频率、幅值和相位，并在所述两路信号输入至磁信标产生空间磁场后，辨识所述空间磁场的磁场信号；

信号获取模块，用于连续采集所述磁场信号，并用带通滤波器进行滤波，分别得到所述两路信号的第一磁场矢量数据和第二磁场矢量数据；还用于分别将所述第一磁场矢量数据和所述第二磁场矢量数据进行降噪处理，得到所述两路激励信号的第三磁场矢量数据和第四磁场矢量数据；

定向计算模块，用于将所述第三磁场矢量数据和所述第四磁场矢量数据进行叉乘得到特征矢量，对所述特征矢量进行空间直线拟合，得到最优特征矢量，并根据所述最优特征矢量计算得到相对所述磁信标的相对方位角和相对俯仰角。

本发明在空间中某点分别形成两个方向不变，大小随时间变化的磁场矢量信号，根据磁场矢量信号求取特征矢量，并利用空间直线拟合技术提高特征矢量的辨识精度。在保证定向精度的同时，一定程度上降低了定向精度受到参与计算数据数量的限制，且显著提高了系统进行相对方位计算的实时性。

第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其包括所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器读取并运行时，实现如上所述的基于特征矢量的磁信标快速定向方法。

附图说明

图1所示为本发明实施例基于特征矢量的双频率正弦激励源磁信标的结构示意图；

图2所示为本发明实施例基于特征矢量的磁信标快速定向方法的原理示意图；

图3所示为本发明实施例基于特征矢量的磁信标快速定向方法的流程示意图；

图4所示为本发明实施例方向不变特征矢量的示意图；

图5所示为本发明实施例磁信标相对角度的几何关系示意图；

图6所示为本发明实施例基于特征矢量的磁信标快速定向系统的示意性框图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。

磁信标定位技术主要以低频交变磁场作为信号源，而低频交变磁场穿透力较强，在一些特殊环境例如地下、水下等环境也能保持稳定的定位工作状态。而且在室内存在墙壁、土层等障碍物的隔离环境下，其他例如WiFi、超声等信号会快速衰减，而低频交变信号仍可实现稳定的定位。

图1所示为本发明实施例基于特征矢量的双频率正弦激励源磁信标的结构示意图，磁信标由两根密绕螺线管正交构成，将其水平放置，则两个正交螺线管分别为坐标系的x、y轴，垂直方向为z轴。采用两种不同频率的正弦激励源分别输入至两个螺线管，例如将20Hz的正弦激励信号输入至磁信标正交螺线管中的一个，将40Hz的正弦激励信号输入至正交螺线管中的另一个，由此在空间中直接构建两条方向不随时间变化，大小随时间变化的磁场矢量。

图2所示为本发明实施例基于特征矢量的磁信标快速定向方法的原理示意图，由信号发生器根据设定的信号频率、幅值和相位产生两路频率不同的正弦激励信号；激励信号经功率放大器后进入由两根密绕螺线管正交构成的磁信标产生空间磁场；由磁通门传感器采集目标位置的磁信标所产生的磁场数据；根据采集的磁场数据计算出磁信标的相对方位。本发明实施例中假定磁通门传感器和磁信标处于同一个坐标系下，如果不在同一个坐标系，也可以通过倾斜计计算姿态转移矩阵进行转化统一。

图3所示为本发明实施例基于特征矢量的磁信标快速定向方法的流程示意图，包括步骤S1～S7。

在步骤S1中，根据磁信标定向的要求，设定信号源(包括信号发生装置和功率放大器)需要产生的两路信号的频率f_i1、f_i2、幅值A_i和相位其中i表示第i个磁信标。磁信标的个数可根据实际需要导航范围和单个信标的有效导航范围确定，例如假设实际需要导航范围为1000平方米，单个信标的有效导航范围为5平方米，则i的取值范围为i≥200。信号源的频率f_i1、f_i2由磁通门传感器的采样频率和每周期的需要采样点的个数确定，例如假设磁通门传感器采样频率为2000Hz，每个周期需要采样点个数为10，则：

由此得到频率f_i1、f_i2≤200。

幅值A_i和功率放大器的性能有关，幅值A_i<功率放大器驱动磁信标的最大电流；相位没有具体约束条件。在本发明实施例中，两路激励信号的幅值可以相同。在本发明其他实施例中，两路激励信号的幅值可以不相同。

将信号源产生的两路信号分别输入由两根密绕螺线管正交构成的磁信标产生空间磁场。在本发明实施例中，对多个不同的磁信标可设置不同的频率组合，则磁通门传感器端可以根据两个频率组合判定所采集的磁场数据来自于哪个磁信标。其中，两路信号均为正弦激励信号。

在步骤S2中，在正式定向之前先采集例如1秒的磁场数据作为测量数据，基于最小二乘技术辨识待测磁场的两个按正弦规律变化的磁场信号。在本发明其他实施例中，对正弦信号参数辨识除最小二乘方法外，还可以采用遗传算法参数辨识方法、改进Prony方法的参数辨识、基于神经网络的模态参数识别方法研究等多种方法。

在步骤S3中，连续采集磁场数据，根据两个磁场信号的频率f_i1、f_i2分别设计带通滤波器，并根据频率f_i1、f_i2设定带通滤波器的阈值(即带宽)。在本发明实施例中，带通滤波器的通带频率为[f-0.05，f+0.05]，阻带频率为[f-0.5，f+0.5]，f表示激励信号的频率。

用上述带通滤波器进行滤波，分别提取两个频率的磁场数据： 得到两组一一对应的磁场数据。

在步骤S4中，将步骤3中得到两组数据再进行降噪处理：将步骤3中得到两组数据的绝对值与第一数值作比较，去除掉小于所述第一数值的磁场数据，得到两组全新的磁场数据： 在本发明实施例中，将两个磁场信号幅值的80％设定为第一数值，这里两个磁场信号的幅值由步骤2辨识后得到。

在步骤S5中，将步骤S4中得到的两组磁场数据进行叉乘，令得到一组方向不变特征矢量

图4所示为本发明实施例方向不变特征矢量的示意图，X、Y轴在p点处产生的磁场分别为：

X轴线圈产生磁场为：

Y轴线圈产生磁场为：

M＝IS＝Iπa²

其中，M₁、M₂分别表示x、y轴产生的磁偶极矩，I表示通入磁信标电流，a表示磁信标圆环半径。

三角函数关系为：

X轴Y轴磁场数据矢量叉乘：

得方向不变特征矢量：

其中，为空间直线与y轴正方向的夹角，θ₀为空间直线在xoz面上的投影与z轴正方向的夹角；为空间直线与z轴正方向的夹角，θ₁为空间直线在xoy面上的投影与x轴正方向的夹角；为空间直线与x轴正方向的夹角，θ₂为空间直线在yoz面上的投影与y轴正方向的夹角。

在步骤S6中，对步骤S5中得到的一组特征矢量采用最小二乘方法进行空间直线拟合，求出最优特征矢量提高辨识精度。在本发明其他实施例中，还可采用加权极坐标法、基于PEIV模型的总体最小二乘空间直线拟合算法、投影法等方法进行空间直线拟合。

空间直线方程可以写成：

空间直线的方程可以化简成：

写成矩阵的形式为：

当有N个点时，第i个点的方程为：

联立N个方程得到：

进行最小二乘拟合：

整理后得：

最后取z轴绝对值的算术平均值作为并带入(3)式求得令 得到最优特征矢量

在步骤S7中，如图5所示，设磁力门传感器到磁信标的相对方位角为θ，相对俯仰角为则：

令α为最优特征矢量与z轴的夹角，则有：

其中，k表示z方向的方向矢量。

考虑到：

则相对俯仰角为：

根据计算得到的相对方位角θ和相对俯仰角即可实现对磁信标的快速定向。

本发明实施例采用两个频率不同的低频正弦激励信号分别激励两根正交的密绕螺线管，在空间中某点分别形成两个方向不变，大小随时间变化的磁场矢量信号。本发明利用带通滤波器分离提取两个频率的磁场矢量信号，将提取出的两个磁场矢量信号进行阈值判断，并将判断后的磁场矢量进行叉乘求取特征矢量，并利用空间直线拟合技术提高特征矢量的辨识精度。在保证定向精度的同时，一定程度上降低了定向精度受到参与计算数据数量的限制。

下面给出一个仿真验证例以便更好的说明本发明的有益效果。

仿真验证例：对上述基于特征矢量的磁信标快速定向方法进行仿真验证。将本实施例与利用三角函数拟合算法辨识旋转磁场特征矢量的方法进行比较。

在旋转磁场仿真验证中，设磁信标通入的电流频率为80Hz，幅值4A，满足产生旋转磁场的条件；在本方法仿真验证中，设磁信标通入的电流频率分别为80Hz、100Hz，幅值均为4A。环境中存在均值为40000nT的常值干扰磁场、幅度为1000nT的白噪声。

磁信标在整个坐标系中的初始位置(p_x p_y p_z)＝(0 0 0)，目标所在位置分别为(1.35 1.35 1.35)、(1.75 1.55 1.15)和(1.85 1.65 1.35)，相对倾斜角和相对方位角分别为(58.94° 45.00°)、(63.81° 41.53°)和(61.43° 41.73°)。利用磁通门传感器在目标位置以1000Hz的采样频率从待定位目标位置采集磁场数据，按照上述实施方式中步骤4至步骤8进行定向计算，则可得到定向结果如下表1所示。

仿真验证例结果表明，保持同一定向精度的条件下，利用三角函数拟合辨识技术至少需对2个采样周期的磁场数据提取特征矢量，完成一次定向至少要求67ms，而本方法只需0.9ms，证明本方法能够提高磁信标定向的实时性。

表1定向仿真结果对比

在周围环境中干扰磁场一致及采样频率相同的条件下，本发明与利用锁相环、三角函数拟合等辨识技术来进行特征矢量提取的旋转磁场定位技术相比，在保证定向精度的前提下一定程度上降低了定向精度受到参与计算数据数量的限制，相对方位计算速度与最高频率的激励信号有关，显著提高了系统进行相对方位计算的实时性。

图6所示为本发明实施例基于特征矢量的磁信标快速定向系统的示意性框图，包括系统初始化模块、信号获取模块以及定向计算模块，其中，系统初始化模块用于设定信号源产生两路信号的频率、幅值和相位，并在所述两路信号输入至磁信标产生空间磁场后，辨识所述空间磁场的磁场信号；信号获取模块用于连续采集所述磁场信号，并用带通滤波器进行滤波，分别得到所述两路信号的第一磁场矢量数据和第二磁场矢量数据；还用于分别将所述第一磁场矢量数据和所述第二磁场矢量数据进行降噪处理，得到所述两路激励信号的第三磁场矢量数据和第四磁场矢量数据；以及定向计算模块用于将所述第三磁场矢量数据和所述第四磁场矢量数据进行叉乘得到特征矢量，对所述特征矢量进行空间直线拟合，得到最优特征矢量，并根据所述最优特征矢量计算得到相对所述磁信标的相对方位角和相对俯仰角。

本发明实施例在空间中某点分别形成两个方向不变，大小随时间变化的磁场矢量信号，根据磁场矢量信号求取特征矢量，并利用空间直线拟合技术提高特征矢量的辨识精度。在保证定向精度的同时，一定程度上降低了定向精度受到参与计算数据数量的限制，且显著提高了系统进行相对方位计算的实时性。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器读取并运行时，实现如上所述的基于特征矢量的磁信标快速定向方法。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，应当理解的是，上述实施例是示例性的，不能解释为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种基于特征矢量的磁信标快速定向方法，其特征在于，包括以下步骤：

设定信号源产生两路激励信号的频率、幅值和相位，将所述两路激励信号输入至磁信标产生空间磁场；

辨识所述空间磁场的磁场信号；

连续采集所述磁场信号，并用带通滤波器进行滤波，分别得到所述两路激励信号的第一磁场矢量数据和第二磁场矢量数据；

分别将所述第一磁场矢量数据和所述第二磁场矢量数据进行降噪处理，得到所述两路激励信号的第三磁场矢量数据和第四磁场矢量数据；

将所述第三磁场矢量数据和所述第四磁场矢量数据进行叉乘得到特征矢量；

对所述特征矢量进行空间直线拟合，得到最优特征矢量；

根据所述最优特征矢量计算得到相对所述磁信标的相对方位角和相对俯仰角。

2.根据权利要求1所述的基于特征矢量的磁信标快速定向方法，其特征在于，所述两路信号为正弦激励信号。

3.根据权利要求1所述的基于特征矢量的磁信标快速定向方法，其特征在于，所述两路信号的频率不同。

4.根据权利要求1所述的基于特征矢量的磁信标快速定向方法，其特征在于，所述辨识所述空间磁场的磁场信号包括：采集第一时间间隔的所述磁场信号，采用最小二乘法辨识所述磁场信号。

5.根据权利要求1所述的基于特征矢量的磁信标快速定向方法，其特征在于，根据激励信号的所述频率设定所述带通滤波器的带宽。

6.基于特征矢量的根据权利要求5所述的基于特征矢量的磁信标快速定向方法，其特征在于，所述带通滤波器的通带频率为[f-0.05，f+0.05]，阻带频率为[f-0.5，f+0.5]，f表示所述激励信号的所述频率。

7.基于特征矢量的根据权利要求1所述的基于特征矢量的磁信标快速定向方法，其特征在于，所述降噪处理包括分别将所述第一磁场矢量数据和所述第二磁场矢量数据的绝对值与第一数值进行比较，去除小于所述第一数值的磁场矢量数据。

8.根据权利要求7所述的基于特征矢量的磁信标快速定向方法，其特征在于，所述第一数值根据所述激励信号的所述幅值进行设定。

9.根据权利要求1所述的基于特征矢量的磁信标快速定向方法，其特征在于，所述对所述特征矢量进行空间直线拟合，得到最优特征矢量包括：采用最小二乘方法进行空间直线拟合，得到所述最优特征矢量。

10.根据权利要求1所述的基于特征矢量的磁信标快速定向方法，其特征在于，所述根据所述最优特征矢量计算得到相对所述磁信标的相对方位角和相对俯仰角包括：按照以下公式计算所述相对方位角θ和所述相对俯仰角

其中，α为最优特征矢量与z轴的夹角，分别为所述最优特征矢量在x、y方向的分量。

11.一种基于特征矢量的磁信标快速定向系统，其特征在于，包括：

系统初始化模块，用于设定信号源产生两路信号的频率、幅值和相位，并在所述两路信号输入至磁信标产生空间磁场后，辨识所述空间磁场的磁场信号；

信号获取模块，用于连续采集所述磁场信号，并用带通滤波器进行滤波，分别得到所述两路信号的第一磁场矢量数据和第二磁场矢量数据；还用于分别将所述第一磁场矢量数据和所述第二磁场矢量数据进行降噪处理，得到所述两路激励信号的第三磁场矢量数据和第四磁场矢量数据；

定向计算模块，用于将所述第三磁场矢量数据和所述第四磁场矢量数据进行叉乘得到特征矢量，对所述特征矢量进行空间直线拟合，得到最优特征矢量，并根据所述最优特征矢量计算得到相对所述磁信标的相对方位角和相对俯仰角。

12.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器读取并运行时，实现如权利要求1-10中任一项所述的基于特征矢量的磁信标快速定向方法。