CN111307154A - 一种基于磁铁阵列扫描的室内行人追踪系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁铁阵列扫描的室内行人追踪系统及其工作方法；包括磁铁阵列、感知模块、信号解析模块及室内追踪模块；根据磁铁的物理性质排列出具备二进制编码属性的磁铁阵列，磁铁阵列用于标定室内各个关键节点，当用户携带感知模块扫描磁铁阵列时，得到对应的磁感应强度信号，并传输到信号解析模块；信号解析模块从磁感应强度信号中解析出对应的二进制编码序列；室内追踪模块利用室内磁铁阵列分布所具有的时空约束信息，引入隐马尔科夫模型，计算出用户在行走期间经过的不同磁铁阵列顺序，得到其经过的室内位置顺序，实现室内轨迹追踪。本发明解决了现有技术中受室内复杂环境影响下不能准确、鲁棒地实现行人追踪，及计算开销大的问题。
Description
技术领域
本发明属于磁铁阵列感知与室内行人追踪领域，具体是一种基于磁铁阵列扫描的室内行人追踪系统及其工作方法。
背景技术
现今室内定位与追踪已经成为提供室内位置服务的关键技术，各类物联网、感知技术得到了广泛应用。在不同的室内场景中，对行人的追踪精准性有不同要求，例如在医护场所（如医护中心、养老院等）中，对病人或老人的追踪定位往往只需确定当前所在房间，即米级的定位精度。在这些场景中，关注用户是否经过室内关键节点，如出入口、房间门及走廊等，便可以推测出用户当前所在位置。
目前的室内行人追踪方案包括：1、基于使用射频信号包括WiFi、GSM与FM等来对室内行人进行定位，但此类方法会受室内多径干扰，导致定位失准；2、使用基于计算机视觉（CV）技术的定位方法来进行行人追踪，但该方法中要实现复杂环境的覆盖，需要大量部署设备，同时计算资源的开销也相对较大；3、门禁系统也可为行人追踪提供进出的监控，但该方法中往往需要用户去主动的进行认证，如指纹采集或是面部识别，同时门禁系统还需要额外的电源设备进行供能。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于磁铁阵列扫描的室内行人追踪系统及其工作方法，以解决现有技术中受室内复杂环境影响下不能准确、鲁棒地实现行人追踪，及计算开销大的问题；本发明是一种无源的解决方案，磁铁阵列无需任何电源维护信号状态，无需额外供能。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种基于磁铁阵列扫描的室内行人追踪系统，包括：磁铁阵列、感知模块、信号解析模块及室内追踪模块，其中：
磁铁阵列，其根据磁铁单元的磁感应特征，排列出可供感知模块扫描的线性阵列；
感知模块，其用于扫描磁铁阵列，采集空间中的磁感应强度以及其自身惯性数据，并将采集的数据传输至信号解析模块；
信号解析模块，其用于从上述感知模块采集到的数据中解析出磁铁阵列对应的二进制编码；
室内追踪模块，其用于根据上述解析出的二进制编码的序列以及室内磁铁阵列分布情况，计算出行人的室内行走轨迹。
进一步地，所述感知模块包括：
磁力感知模块：实时采集空间中的磁感应强度数据；
惯性感知模块：实时采集其自身的惯性数据；
传输模块：将采集到的磁感应强度数据与惯性数据转换为对应信号传输到信号解析模块。
进一步地，所述信号解析模块包括：
数据预处理模块结合上述惯性数据对随时间维度变化的原始磁感应强度信号进行预处理，得到随空间维度变化的磁感应强度信号；
信号切分模块：根据磁铁阵列对应的编码长度，对随空间维度变化的磁感应强度信号做等距的切分，切分后的每段磁感应强度信号对应每个磁铁单元的扫描部分；
信号识别模块：对每段磁感应信号进行识别，识别出对应的二进制编码位，并整合为磁铁阵列对应的二进制编码。
进一步地，所述室内追踪模块包括：
时空约束构建模块：根据多个磁铁阵列在室内的部署情况，预先构建出具有时空约束性质的状态（二进制编码）转移矩阵，记为M T ；
全局协同追踪模块：引入隐马尔可夫模型（HMM），调用上述状态转移矩阵，使用维特比（Viterbi）算法，纠正可能的误判，预测出正确的二进制编码序列，形成全局协同的室内追踪。
一种基于磁铁阵列扫描的室内行人追踪系统的工作方法，基于上述系统，包括以下步骤：
1)在室内关键节点部署对应不同编码信息的磁铁阵列；
2)感知模块在行人行走过程中实时采集空间中的磁感应强度数据与自身的惯性数据，并传输给信号解析模块；
3)信号解析模块对接收到的磁感应强度信号进行预处理，将其转化为随空间维度变化的磁感应强度信号；
4)根据磁铁阵列对应的编码长度，将磁感应强度信号切分为等量的信号段，每段信号对应了每个磁铁单元的扫描部分；
5)识别出每个磁感应强度信号段对应的二进制编码位，并拼接整合出对应磁铁阵列的二进制编码；
6)室内追踪模块根据室内部署的磁铁阵列各自的二进制编码信息，构建出状态转移矩阵M T ；
具体构建如下：部署阵列的室内连接节点共m个，则M T 为m行m列的矩阵，不失一般性，考虑第i个节点，假设在实际环境中，行人经过该节点后下一次经过的节点必然为第i+1，i+2和i+3个中的一个，则M T 内的第i行，第i+1，i+2，i+3列的三个元素值都为1/3；
7)实时将上述步骤5）中得到的二进制编码进行拼接，得到当前的二进制编码序列，引入隐马尔可夫模型（HMM），调用状态转移矩阵M T ，对序列执行维特比算法，得出行人经过的磁铁阵列序列，从而进行室内追踪。
进一步的，所述步骤3）中的数据预处理具体方法为：
31）利用惯性感知数据，从设备局部坐标系三轴的磁感应强度信号中抽取出重力方向上的磁感应强度信号；
32）利用惯性感知数据，计算出磁感应强度信号对应的扫描速度；
33）进行速度自适应处理，将信号进行速度归一化，即根据单位时间内的扫描距离对信号进行重采样，从而得到随空间维度沿扫描方向变化的磁感应强度信号。
进一步的，所述步骤5）中的识别出每个磁感应强度信号段对应的二进制编码位，具体方法为：
51）对每段磁感应强度信号进行差分，滤除环境磁场对磁感应信号的影响；
52）将每段磁感应差分信号分别同N极、S极磁铁单元的磁感应强度分布差分模板进行滑动匹配（通过采集单个磁铁单元的磁感应强度分布，进行相邻采样点的差分计算，即可得出两种磁极的磁感应强度分布差分模板），计算出滑动过程对应的相关系数序列，分别记为C N 与C S ；最后将 C N 与C S 的均值、最大值、最小值及标准差作为特征，使用预训练的分类器进行二分类，识别出该段磁感应信号对应的二进制编码位，即0或1。
本发明首先根据磁铁的物理性质排列出具备二进制编码属性的磁铁阵列，不同编码的磁铁阵列用于标定室内各个关键节点，并且无需供能；然后用户携带感知模块扫描磁铁阵列，从而得到对应的磁感应强度信号，并传输到系统后端；后端的信号解析模块从磁感应强度信号中解析出对应的二进制编码序列；最后室内行人追踪模块利用室内磁铁阵列分布所具有的时空约束信息，引入隐马尔科夫模型，计算出用户在行走期间经过的不同磁铁阵列顺序，从而得到其经过的室内位置顺序，实现室内轨迹追踪。
本发明的有益效果：
1、准确、鲁棒的室内行人追踪：本发明通过扫描具有二进制编码信息的磁铁阵列，解析对应的磁感应强度信号，判断用户当前经过的位置，并结合磁铁阵列的部署位置，进行全局协同追踪，故具有高准确性与鲁棒性。
2、低计算开销：本发明只需在后端对相关信号进行简单的抽取，一维变换与模板匹配算法，计算复杂度低，在处理编码位判别阶段使用了预训练的分类器，故实时计算开销较低。
3、便捷安全：本发明部署的磁铁阵列可以根据需要，定制不同的二进制编码信息，更换配置较为便捷；同时部署后不会干扰室内用户正常活动，安全性高。
4、成本低廉：本发明只需使用廉价的磁铁单元构建线性的磁铁阵列，感知模块可直接使用商用惯性感知传感器，在现有的后段设备上安装本系统软件即可运行整套系统，成本很低。
附图说明
图1为本发明的系统架构图；
图2为本发明的磁铁阵列部署示意图；
图3为本发明示例中感知模块部署模式示意图；
图4为本发明的系统数据流图；
图5为数据预处理模块的工作方法流程图；
图6为信号识别模块的工作方法流程图；
图7为系统应用场景示例图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的一种基于磁铁阵列扫描的室内行人追踪系统，包括：磁铁阵列、感知模块、信号解析模块及室内追踪模块，其中：
磁铁阵列，其根据磁铁单元的磁感应特征，排列出的可供感知模块扫描的线性阵列，两种磁极的不同排列对应不同的二进制编码信息；
感知模块，其用于扫描磁铁阵列，采集空间中的磁感应强度以及其自身惯性数据，并将采集的数据传输至信号解析模块；
信号解析模块，其用于从上述感知模块采集到的数据中解析出磁铁阵列对应的二进制编码；
室内追踪模块，其用于根据上述解析出的二进制编码的序列以及室内磁铁阵列分布情况，计算出行人的室内行走轨迹。
其中，所述感知模块包括：
磁力感知模块：实时采集空间中的磁感应强度数据；
惯性感知模块：实时采集自身的惯性数据；
传输模块：将采集到的磁感应强度数据与惯性数据转换为对应信号传输到信号解析模块。
图2为本发明的磁铁阵列部署示意图，展示了一种应用场景的部署方式。在一个楼层平面内选定用户需要进出经过的地点，如楼层入口、房间门口或是走廊两端等，然后部署携带不同二进制编码信息的磁铁阵列在各个室内关键节点上。行人携带感知模块在经过这些节点时，便能自动地扫描对应磁铁阵列，生成磁感应强度信号，从中解析出对应二进制编码以用于追踪定位。
图3为本发明示例中感知模块部署模式示意图，不失一般性，感知模块可以部署在行人脚部，但不局限于此部署方式。图中感知模块部署于行人脚部，随着行人行走实时扫描磁铁阵列，不断采集空间中的磁感应强度数据和自身的惯性数据。图中同时给出了扫描轨迹的示例，感知模块生成的磁感应强度信号即对应了扫描轨迹。在由磁铁单元组成的磁铁阵列示意中，不同磁极朝上的磁铁单元可对应不同的二进制编码位（如N极朝上对应0，S极朝上对应1，但不局限于此对应方式）。
图4为本发明的系统数据流图，具体工作流程如下：
1)磁力感知模块在行人行走过程中实时采集空间中的磁感应强度数据，惯性感知模块则不断采集自身的惯性数据，包括加速度和角速度；并将采集到的数据通过传输模块传输给信号解析模块；
2)数据预处理模块结合惯性感知数据，对接收到的随时间维度变化的磁感应强度信号B t 进行预处理，将其转化为随空间维度变化的磁感应强度信号B x ；
3)信号切分模块根据磁铁阵列对应的编码长度，将磁感应强度信号切分为等量的信号段，如编码长度为n，则切分为n段信号，表示为B x1 , B x2 , ..., B xn ，每段信号对应每个磁铁单元的扫描部分；
4)信号识别模块，识别出每个磁感应强度信号段对应的二进制编码位，并拼接整合出对应磁铁阵列的二进制编码，最终将多个二进制编码序列传输给室内追踪模块；
5)时空约束构建模块根据室内部署的磁铁阵列各自的二进制编码信息，构建出状态转移矩阵M T ；
6)全局协同追踪模块实时将上述得到的二进制编码进行拼接，得到当前的二进制编码序列，引入隐马尔可夫模型（HMM），调用状态转移矩阵M T ，对序列执行维特比算法，得出行人经过的磁铁阵列序列，从而进行室内追踪。
图5为数据预处理模块的工作方法流程图，具体流程表述如下：
11）从惯性数据中的加速度数据中使用现有的滤波技术，抽取出重力成分；
12）将设备局部坐标系三轴的磁感应强度信号向重力方向投影（重力方向与磁铁阵列平面正交），得到重力方向上的磁感应强度信号Bt；
13）根据惯性感知数据，计算出磁感应强度信号对应的每个时刻的扫描速度；
14）速度自适应处理，将信号Bt进行速度归一化，即根据单位时间内扫描距离进行重采样，得到随空间维度沿扫描方向变化的磁感应强度信号Bx。
图6为信号识别模块的工作方法流程图，具体流程表述如下：
21）对每个磁感应强度信号段Bxi进行差分，以滤除环境磁场对磁感应信号的影响，得到差分信号段ΔBxi；
22）将ΔBxi与分别同预先计算的N极、S极磁铁单元的磁感应强度分布差分模板TN与TS进行滑动匹配，计算出滑动过程对应的相关系数序列，即CN与CS；
23）将CN与CS的均值、最大值、最小值及标准差作为特征，使用预训练的分类器进行二分类；
24）分类识别结果为每段磁感应信号对应的二进制编码位，即0或1，通过拼接n个信号段的编码位，得到所扫描磁铁阵列的二进制编码。
图7为系统应用场景示例图。用户1与用户2在系统场景中均携带了感知模块，在行走过程中可自动地扫描部署在室内各个关键节点位置的磁铁阵列。用户1的行走路线为经过该层入口后进入房间A，之后再离开房间A，在此期间也扫描了三次磁铁阵列，按照图中的磁铁单元编码对应示例，扫描出的正确二进制编码序列即为1010，1000，0001。系统将从磁感应强度信号中解析出这个二进制编码序列，从而计算出用户1行走路径，完成追踪。同理，用户2的行走路径为离开房间C进入走廊，经过内门，再进入房间D，实时的解析来自用户2的磁感应强度信号，得出对应的二进制编码序列0100，1100，0111，也即得到了经过磁铁阵列的顺序，完成追踪。
本发明与现有的室内行人追踪系统区别在于，利用磁极的二元性（N极与S极)，创新性地使用了具有二进制编码属性的磁铁阵列标定室内关键节点位置，同时使用磁力感知模块对磁铁阵列进行扫描，用以追踪。相比于基于射频信号的室内追踪定位技术，该系统无需预先采集空间的信号分布特征，且不会受到多径效应的干扰，鲁棒性高。相比于基于计算机视觉的室内追踪技术，部署成本低廉，计算开销小。相比于传统的基于惯性感知的室内追踪技术，不会存在过大的误差累积，且抛去了环境磁场特征，而使用定制的磁场特征辅助追踪。相比于基于门禁的室内追踪，则更大程度地减少了部署开销，且无需额外供能。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于磁铁阵列扫描的室内行人追踪系统，其特征在于，包括：磁铁阵列、感知模块、信号解析模块及室内追踪模块；
磁铁阵列，其根据磁铁单元的磁感应特征，排列出可供感知模块扫描的线性阵列；
感知模块，其用于扫描磁铁阵列，采集空间中的磁感应强度以及其自身惯性数据，并将采集的数据传输至信号解析模块；
信号解析模块，其用于从上述感知模块采集到的数据中解析出磁铁阵列对应的二进制编码；
室内追踪模块，其用于根据上述解析出的二进制编码的序列以及室内磁铁阵列分布情况，计算出行人的室内行走轨迹。
2.根据权利要求1所述的基于磁铁阵列扫描的室内行人追踪系统，其特征在于，所述感知模块包括：
磁力感知模块：实时采集空间中的磁感应强度数据；
惯性感知模块：实时采集其自身的惯性数据；
传输模块：将采集到的磁感应强度数据与惯性数据转换为对应信号传输到信号解析模块。
3.根据权利要求1所述的基于磁铁阵列扫描的室内行人追踪系统，其特征在于，所述信号解析模块包括：
数据预处理模块结合上述惯性数据对随时间维度变化的原始磁感应强度信号进行预处理，得到随空间维度变化的磁感应强度信号；
信号切分模块：根据磁铁阵列对应的编码长度，对随空间维度变化的磁感应强度信号做等距的切分，切分后的每段磁感应强度信号对应每个磁铁单元的扫描部分；
信号识别模块：对每段磁感应信号进行识别，识别出对应的二进制编码位，并整合为磁铁阵列对应的二进制编码。
4.根据权利要求3所述的基于磁铁阵列扫描的室内行人追踪系统，其特征在于，所述室内追踪模块包括：
时空约束构建模块：根据多个磁铁阵列在室内的部署情况，预先构建出具有时空约束性质的状态转移矩阵，记为M T ；
全局协同追踪模块：引入隐马尔可夫模型，调用上述状态转移矩阵，使用维特比算法，纠正可能的误判，预测出正确的二进制编码序列，形成全局协同的室内追踪。
5.一种基于磁铁阵列扫描的室内行人追踪系统的工作方法，基于上述权利要求1至4中任意一项系统，其特征在于，包括以下步骤：
1)在室内关键节点部署对应不同编码信息的磁铁阵列；
2)感知模块在行人行走过程中实时采集空间中的磁感应强度数据与自身的惯性数据，并传输给信号解析模块；
3)信号解析模块对接收到的磁感应强度信号进行预处理，将其转化为随空间维度变化的磁感应强度信号；
4)根据磁铁阵列对应的编码长度，将磁感应强度信号切分为等量的信号段，每段信号对应了每个磁铁单元的扫描部分；
5)识别出每个磁感应强度信号段对应的二进制编码位，并拼接整合出对应磁铁阵列的二进制编码；
6)室内追踪模块根据室内部署的磁铁阵列各自的二进制编码信息，构建出状态转移矩阵M T ；
7)实时将上述步骤5）中得到的二进制编码进行拼接，得到当前的二进制编码序列，引入隐马尔可夫模型，调用状态转移矩阵M T ，对序列执行维特比算法，得出行人经过的磁铁阵列序列，从而进行室内追踪。
6.根据权利要求5所述的基于磁铁阵列扫描的室内行人追踪系统的工作方法，其特征在于，所述步骤3）中的数据预处理具体方法为：
31）利用惯性感知数据，从设备局部坐标系三轴的磁感应强度信号中抽取出重力方向上的磁感应强度信号；
32）利用惯性感知数据，计算出磁感应强度信号对应的扫描速度；
33）进行速度自适应处理，将信号进行速度归一化，即根据单位时间内的扫描距离对信号进行重采样，从而得到随空间维度沿扫描方向变化的磁感应强度信号。
7.根据权利要求5所述的基于磁铁阵列扫描的室内行人追踪系统的工作方法，其特征在于，所述步骤5）中的识别出每个磁感应强度信号段对应的二进制编码位，具体方法为：
51）对每段磁感应强度信号进行差分，滤除环境磁场对磁感应信号的影响；
52）将每段磁感应差分信号分别同N极、S极磁铁单元的磁感应强度分布差分模板进行滑动匹配，计算出滑动过程对应的相关系数序列，分别记为C N 与C S ；最后将 C N 与C S 的均值、最大值、最小值及标准差作为特征，使用预训练的分类器进行二分类，识别出该段磁感应信号对应的二进制编码位，即0或1。
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