CN112097775B - 一种基于电子罗盘航向角信息单步抗差滤波的定位方法 - Google Patents

一种基于电子罗盘航向角信息单步抗差滤波的定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及定位技术领域，公开了一种基于电子罗盘航向角信息单步抗差滤波的定位方法，包括设定步行者初始位置；根据步行者初始位置启动步行者航位推算系统；通过移动终端获取传感器数据，将罗盘传感器数据存入罗盘观测数据存储文件中；根据加速度计传感器数据进行步态识别；进行单步长电子罗盘数据序列抗差滤波处理；判断是否需要继续定位。本发明对电子罗盘航向角数据序列进行单步化滤波处理，削弱了磁场异常带来的观测粗差影响，降低了航向角观测数据中的噪声，提高了航向角滤波结果的稳健性，通过将更可靠稳定的航向角滤波值用于轨迹推算，从而大幅度减小推算误差，减弱了PDR轨迹的跳变现象，提高了PDR定位结果的精度和连续性。

Description

一种基于电子罗盘航向角信息单步抗差滤波的定位方法
技术领域
本发明涉及定位技术领域，具体地涉及一种基于电子罗盘航向角信息单步抗差滤波的定位方法。
背景技术
近几年来智能手机的大面积普及，越来越多的传感器被集成到手机中，手机可以获取环境中更多的数据，进一步推动了步行者航位推算(Pedestrian Dead Reckoning,PDR)技术的发展。2016年，王革超等人提出了加速度差分(AD-FSM)算法改进了有限状态机的方法，能在干扰状态下准确计步；2015年，Kang等人结合了陀螺仪和磁场传感器后提出了Smart PDR；但上述这些单纯依赖手机传感器数据进行定位会造成严重的累计误差问题，所以在2015年，上海交通大学的杨帆等人使用PDR和WiFi结果的定位方式，PDR数据可以为指纹法定位缩小指纹数据库匹配范围。
经典PDR方法根据罗盘观测的方位角，进行轨迹推算。由于罗盘数据噪声较大，航向角噪声高达0.1度以上。电子罗盘容易受到电磁环境异常带来的粗差影响，导致罗盘电子方位角数据出现高达0.5度左右的跳动。跳动的罗盘方位角数据，带来了轨迹推算的不确定性，导致了PDR结果出现较大偏差、跳变、甚至错误等问题。
发明内容
本发明提供一种基于电子罗盘航向角信息单步抗差滤波的定位方法，从而解决现有技术的上述问题。
一种基于电子罗盘航向角信息单步抗差滤波的定位方法，包括如下步骤：
S1)设定步行者的初始位置S0；
S2)根据步行者的初始位置S0启动步行者航位推算系统，利用步行者航位推算系统开始定位；
S3)通过移动终端获取传感器数据，传感器数据包括加速度计数据和电子罗盘数据，将电子罗盘数据存入罗盘观测数据存储文件中；
S4)利用加速度计数据进行步态探测，步行者航位推算系统根据加速度计数据进行步态识别，判断步行者是否行进了一步，若是，则进入步骤S5)；若否，则返回步骤S3)；
S5)进行单步长电子罗盘数据序列抗差滤波处理，获得抗差滤波处理后的方位角，根据用户身高获得步长，根据抗差滤波处理后的方位角和步长获得单步行进后的步行者坐标位移；
S6)将步骤S1)中步行者的初始位置S0累加步骤S5)中单步行进后的步行者坐标位移，获得累加后用户的坐标位置，将累加后用户的坐标位置作为用户行进后的当前定位位置，清空罗盘观测数据存储文件中的罗盘数据；
S7)判断是否需要继续定位，若是，则将步骤S6)中的用户行进后的当前定位位置作为新的初始位置并返回步骤S2)；若否，则结束定位。
进一步的，步骤S5)中，进行单步长电子罗盘数据序列抗差滤波处理，获得抗差滤波处理后的方位角，根据用户身高获得步长，根据抗差滤波处理后的方位角和步长获得单步行进后的步行者坐标位移，包括如下步骤：
S51)将电子罗盘测得的航向角转换成方位角，利用移动终端获取步行者从第i-1步行进至第i步过程中的罗盘方位角观测值序列a1、a2、…、aj、…、an，aj为单步时段内第j个罗盘方位角观测值，j取值范围为[1,n],n为从第i-1步行进至第i步过程中的罗盘方位角观测值采集的总个数；步行者从第i-1步行进至第i步的过程为单步时段，将单步时段内所有罗盘方位角观测值均记为时不变观测值；
S52)根据步行者从第i-1步行进至第i步过程中的罗盘方位角观测值序列获得第i步方位角序列均值m0，
Figure BDA0002695155250000031
将第i步方位角序列均值m0作为第i步抗差估计初始值；
S53)计算步行者从第i-1步行进至第i步时的单步时段内第j个方位角残差vj以及方位角方差
Figure BDA0002695155250000035
vj＝aj-m0，
Figure BDA0002695155250000032
δ0为方位角中误差；
S54)根据步行者从第i-1步行进至第i步时的单步时段内的第j个方位角残差vj设置第j个方位角的权值pj,判断单步时段内的第j个方位角残差vj的绝对值|vi|是否小于3δ0，若是，则设置第j个方位角的权值
Figure BDA0002695155250000033
若否，则设置第j个方位角的权值pj＝0；依次获得步行者从第i-1步行进至第i步时所有方位角的权值；
S55)根据步行者从第i-1步行进至第i步时所有方位角的权值计算步行者从第i-1步行进至第i步时的方位角滤波值
Figure BDA0002695155250000034
S56)判断|mi-m0|<0.1是否成立，若是，则表明滤波收敛，输出步行者从第i-1步行进至第i步时的方位角滤波值mi，进入步骤S57)；若否，则将第i步方位角序列均值m0更新为方位角滤波值mi，返回步骤S53)；
S57)根据方位角滤波值mi以及步长获得单步行进后的步行者的坐标位移。
进一步的，步骤S57)中，根据方位角滤波值mi以及步长获得单步行进后的步行者的坐标位移，所述单步行进前的步行者的初始坐标为Si-1(Ei-1，Ni-1),步行者从第i-1步行进到第i步时的东向的坐标值Ei＝Ei-1+disinmi，步行者从第i-1步行进到第i步时的北向的坐标值Ni＝Ni-1+dicosmi，步行者的初始位置S0(E0，N0)，di为根据用户身高得到的步长，步长di表示步行者在第i步时行走的位移。
本发明的有益效果是：本发明对电子罗盘航向角数据序列进行单步化滤波处理。在单步处理中应用抗差滤波算法，削弱电磁环境异常带来的观测粗差影响，降低航向角观测数据中的噪声，提高航向角滤波结果的稳健性。当单步时段内的罗盘航向角数据被抗差滤波后，将更可靠稳定的航向角滤波值用于轨迹推算，从而大幅度地减小推算误差，减弱了PDR轨迹的跳变现象，提高了PDR定位结果的精度和连续性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例一提供的基于电子罗盘航向角信息单步抗差滤波的定位方法流程示意图。
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，以下结合附图，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方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一，一种基于电子罗盘航向角信息单步抗差滤波的定位方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1)设定步行者的初始位置S0；
S2)根据步行者的初始位置S0启动步行者航位推算系统，利用步行者航位推算系统开始定位；
S3)通过移动终端获取传感器数据，传感器数据包括加速度计数据和电子罗盘数据，将电子罗盘数据存入罗盘观测数据存储文件中；
S4)利用加速度计数据进行步态探测，步行者航位推算系统根据加速度计数据进行步态识别，判断步行者是否行进了一步，若是，则进入步骤S5)；若否，则返回步骤S3)；
S5)进行单步长电子罗盘数据序列抗差滤波处理，获得抗差滤波处理后的方位角，根据用户身高获得步长，根据抗差滤波处理后的方位角和步长获得单步行进后的步行者坐标位移；包括如下步骤：
S51)将电子罗盘测得的航向角转换成方位角，利用移动终端获取步行者从第i-1步行进至第i步过程中的罗盘方位角观测值序列a1、a2、…、aj、…、an，aj为单步时段内第j个罗盘方位角观测值，j取值范围为[1,n],n为从第i-1步行进至第i步过程中的罗盘方位角观测值采集的总个数；步行者从第i-1步行进至第i步的过程为单步时段，将单步时段内所有罗盘方位角观测值均记为时不变观测值；
S52)根据步行者从第i-1步行进至第i步过程中的罗盘方位角观测值序列获得第i步方位角序列均值m0，
Figure BDA0002695155250000051
将第i步方位角序列均值m0作为第i步抗差估计初始值；
S53)计算步行者从第i-1步行进至第i步时的单步时段内第j个方位角残差vj以及方位角方差
Figure BDA0002695155250000055
vj＝aj-m0，
Figure BDA0002695155250000052
δ0为方位角中误差；
S54)根据步行者从第i-1步行进至第i步时的单步时段内的第j个方位角残差vj设置第j个方位角的权值pj,判断单步时段内的第j个方位角残差vj的绝对值|vi|是否小于3δ0，若是，则设置第j个方位角的权值
Figure BDA0002695155250000053
若否，则设置第j个方位角的权值pj＝0；依次获得步行者从第i-1步行进至第i步时所有方位角的权值；
S55)根据步行者从第i-1步行进至第i步时所有方位角的权值计算步行者从第i-1步行进至第i步时的方位角滤波值
Figure BDA0002695155250000054
S56)判断|mi-m0|<0.1是否成立，若是，则表明滤波收敛，输出步行者从第i-1步行进至第i步时的方位角滤波值mi，进入步骤S57)；若否，则将第i步方位角序列均值m0更新为方位角滤波值mi，返回步骤S53)；
S57)根据方位角滤波值mi以及步长获得单步行进后的步行者的坐标位移，单步行进前的步行者的初始坐标为Si-1(Ei-1，Ni-1),步行者从第i-1步行进到第i步时的东向的坐标值Ei＝Ei-1+disinmi，步行者从第i-1步行进到第i步时的北向的坐标值Ni＝Ni-1+dicosmi，步行者的初始位置S0(E0，N0)，di为根据用户身高得到的步长，步长di表示步行者在第i步时行走的位移。
S6)将步骤S1)中步行者的初始位置S0累加步骤S5)中单步行进后的步行者坐标位移，获得累加后用户的坐标位置，将累加后用户的坐标位置作为用户行进后的当前定位位置，清空罗盘观测数据存储文件中的罗盘数据；
S7)判断是否需要继续定位，若是，则将步骤S6)中的用户行进后的当前定位位置作为新的初始位置并返回步骤S2)；若否，则结束定位。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明克服了直接法存在的推算误差较大问题。PDR定位直接法是根据当前罗盘输出方位角直接进行坐标位移推算，由于罗盘观测数据噪声较大，导致方位角观测精度较低。较低精度的方位角，将大幅降低坐标位移推算精度，导致较大的推算误差。本发明经过单步时段内方位角数据序列滤波后，其滤波值精度大幅提高，从而保证了推算精度。
本发明克服了PDR定位直接法存在的轨迹跳动问题。本发明利用罗盘输出方位角进行PDR推算，如果出现磁场环境异常等现象，罗盘观测受到粗差影响，将导致方位角数据错误。另外，方位角存在严重粗差，粗差带了坐标位移推算的大幅跳动，导致PDR结果错误，出现轨迹跳动问题。本发明采用了单步抗差滤波法，对每步的方位角序列进行抗差处理后，其方位角中的粗差影响已被削弱，排除了大幅抖动，从而避免了PDR错误和轨迹调动问题。
本发明提升了PDR结果精度和可靠性。本发明取单步行进过程中方位角序列进行抗差滤波，得到滤波平滑值。通过观测序列滤波降低其噪声水平，从而提升了方位角的精度和稳定性。另外，本发明利用单步抗差法处理罗盘观测数据中的粗差，克服了方位角观测异常导致的PDR轨迹跳动现象，提升了PDR结果的可靠性。
以上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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于电子罗盘航向角信息单步抗差滤波的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1)设定步行者的初始位置S0；
S2)根据步行者的初始位置S0启动步行者航位推算系统，利用步行者航位推算系统开始定位；
S3)通过移动终端获取传感器数据，所述传感器数据包括加速度计数据和电子罗盘数据，将所述电子罗盘数据存入罗盘观测数据存储文件中；
S4)利用所述加速度计数据进行步态探测，步行者航位推算系统根据所述加速度计数据进行步态识别，判断步行者是否行进了一步，若是，则进入步骤S5)；若否，则返回步骤S3)；
S5)进行单步长电子罗盘数据序列抗差滤波处理，获得抗差滤波处理后的方位角，根据用户身高获得步长，根据所述抗差滤波处理后的方位角和所述步长获得单步行进后的步行者坐标位移，包括如下步骤：
S51)将电子罗盘测得的航向角转换成方位角，利用移动终端获取步行者从第i-1步行进至第i步过程中的罗盘方位角观测值序列a1、a2、…、aj、…、an，aj为单步时段内第j个罗盘方位角观测值，j取值范围为[1,n],n为从第i-1步行进至第i步过程中的罗盘方位角观测值采集的总个数；步行者从第i-1步行进至第i步的过程为单步时段，将单步时段内所有罗盘方位角观测值均记为时不变观测值；
S52)根据步行者从第i-1步行进至第i步过程中的罗盘方位角观测值序列获得第i步方位角序列均值m0，
Figure FDA0002951476970000011
将第i步方位角序列均值m0作为第i步抗差估计初始值；
S53)计算步行者从第i-1步行进至第i步时的单步时段内第j个方位角残差vj以及方位角方差
Figure FDA0002951476970000021
vj＝aj-m0，
Figure FDA0002951476970000022
δ0为方位角中误差；
S54)根据步行者从第i-1步行进至第i步时的单步时段内的第j个方位角残差vj设置第j个方位角的权值pj,判断单步时段内的第j个方位角残差vj的绝对值|vj|是否小于3δ0，若是，则设置第j个方位角的权值
Figure FDA0002951476970000023
若否，则设置第j个方位角的权值pj＝0；依次获得步行者从第i-1步行进至第i步时所有方位角的权值；
S55)根据步行者从第i-1步行进至第i步时所有方位角的权值计算步行者从第i-1步行进至第i步时的方位角滤波值
Figure FDA0002951476970000024
S56)判断|mi-m0|＜0.1是否成立，若是，则表明滤波收敛，输出步行者从第i-1步行进至第i步时的方位角滤波值mi，进入步骤S57)；若否，则将第i步方位角序列均值m0更新为方位角滤波值mi，返回步骤S53)；
S57)根据方位角滤波值mi以及步长获得单步行进后的步行者的坐标位移；
S6)将步骤S1)中所述步行者的初始位置S0累加步骤S5)中单步行进后的步行者坐标位移，获得累加后用户的坐标位置，将所述累加后用户的坐标位置作为用户行进后的当前定位位置，清空罗盘观测数据存储文件中的罗盘数据；
S7)判断是否需要继续定位，若是，则将步骤S6)中的用户行进后的当前定位位置作为新的初始位置并返回步骤S2)；若否，则结束定位。
2.根据权利要求1所述的基于电子罗盘航向角信息单步抗差滤波的定位方法，其特征在于，步骤S57)中，根据方位角滤波值mi以及步长获得单步行进后的步行者的坐标位移，所述单步行进前的步行者的初始坐标为Si-1(Ei-1，Ni-1),步行者从第i-1步行进到第i步时的东向的坐标值Ei＝Ei-1+disinmi，步行者从第i-1步行进到第i步时的北向的坐标值Ni＝Ni-1+dicosmi，步行者的初始位置S0(E0，N0)，di为根据用户身高得到的步长，步长di表示步行者在第i步时行走的位移。
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