CN113124881A - 一种基于磁信标的同步定位与构图系统的故障恢复方法 - Google Patents

一种基于磁信标的同步定位与构图系统的故障恢复方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磁信标的同步定位与构图系统的故障恢复方法：（1）航行器在SLAM模式下运动，并建立磁场图和磁信标位置图；（2）航行器丢失自身位置后再次从一个未知位置开始继续工作，航行器利用接下来运动过程中测得的磁场信息，与（1）中建立的磁场图进行匹配，估计航行器的大致位置；（3）航行器利用观测的磁场信息进行磁信标反演定位，并对反演所得信标组合与（1）中得到的磁信标位置图进行匹配，以修正航行器位置；（4）将修正结果作为航行器的初始位置，基于磁信标的SLAM系统继续工作。本发明能够有效应对SLAM系统的故障状况，准确初始化航行器位置，大大提高了实际应用中基于磁信标的同步定位与构图方法面对潜在故障的鲁棒性。

Description

一种基于磁信标的同步定位与构图系统的故障恢复方法
技术领域
本发明涉及同步定位与构图系统，特别涉及一种基于磁信标的同步定位与构图系统的故障恢复方法。
背景技术
导航技术是自主水下航行器实际应用中的一项关键技术。传统的导航方法有卫星导航、水声定位和惯性导航技术技术等，但水介质对无线电波有较强的吸收，水声定位需要在预定工作海域布设导航基阵，只适用于局部作业且成本较高，惯性导航误差随时间积累，无法保证结果的收敛。基于地球物理场的匹配导航技术稳定性强、自主性高，可以实现位置的收敛，但需要以高精度、高分辨率的先验地图为基础，受地球物理场空间特征的丰富性以及数据来源的限制。而同步定位与构图方法(simultaneous localization and mapping,SLAM)无需先验环境信息，在导航过程中，利用实时观测信息辅助导航定位，提高系统精度，是弥补地球物理场先验信息不足的有效手段。
基于磁信标的同步定位与构图技术是一种新型导航技术，它以导航环境中随机布置的磁信标为导航参照，通过在航行过程中实时测量磁场信息，准确反演自身与磁信标之间的相对位置并作为观测量，实现SLAM系统状态的解算。但是当航行器在此过程中由于软件、硬件等故障原因，或外界干扰下，临时丢失自己的位置，对磁信标的观测不再连续，导致SLAM系统中断后，导航系统需要具备在线重新获取自身位置的能力，并继续开展SLAM估计。但目前并没有相关研究成果解决此问题。
因此本发明提出一种基于磁信标的同步定位与构图系统的故障恢复方法，面向航行器临时丢失自身位置的场景，用匹配方法代替中断的SLAM模式以重新捕获自身位置，并通过对匹配定位结果进行校准，实现SLAM系统的恢复运行。该方法能够有效应对基于磁信标的SLAM系统的故障状况，在全局地图下准确初始化航行器位置，大大提高了基于磁信标的同步定位与构图方法在实际应用中针对潜在故障的鲁棒性。
发明内容
本发明的目的是面向基于磁信标的SLAM系统突然丢失自身位置的场景，提供一种基于磁信标的同步定位与构图系统的故障恢复方法。在航行器轨迹于SLAM模式下充分覆盖过工作区域后，对工作区域进行磁场建模，并用磁场匹配方法初始化航行器的位置，进而通过基于磁源反演的位置校准，实现SLAM系统故障恢复。
本发明所采用的技术方案是：一种基于磁信标的同步定位与构图系统的故障恢复方法，包括以下步骤：
步骤1，在随机分布了磁信标的工作区域内，航行器在SLAM模式下运动，并且，航行器的航行轨迹覆盖整个工作区域，利用航行器在SLAM模式下采集的数据集建立磁场图和磁信标位置图；
步骤2，由于SLAM系统故障或外界干扰，航行器丢失自身位置；而后系统从故障中恢复，需从一个未知位置开始继续工作；航行器利用接下来运动过程中测得的磁场信息，与步骤1中建立的磁场图进行匹配，估计航行器的大致位置；
步骤3，航行器利用观测的磁场信息进行磁信标反演定位，并使用迭代最近点方法对反演所得信标组合与步骤1中得到的磁信标位置图进行匹配，以修正航行器位置，完成对航行器位置的在线初始化；
步骤4，将迭代最近点方法的修正结果作为航行器的初始位置，基于磁信标的SLAM系统继续工作。
其中，步骤1进一步包括：
航行器在工作区域内运动，导航系统工作在SLAM模式，如下：
选取航行轨迹上的
Figure 460317DEST_PATH_IMAGE001
个航迹点作为测点序列
Figure 628124DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 265648DEST_PATH_IMAGE003
，其中，
Figure 632038DEST_PATH_IMAGE004
表示第i个测点，
Figure 8834DEST_PATH_IMAGE001
表示测点序列中包含的航迹点总数，
Figure 991834DEST_PATH_IMAGE005
；基于测量得到的测点序列上的磁场序列，利用非线性最小二乘方实时解算磁信标的相对位置；设磁信标置于笛卡儿坐标系的原点，则该磁信标在任一测点
Figure 652622DEST_PATH_IMAGE006
处产生的磁场强度为
Figure 404678DEST_PATH_IMAGE007
，数学模型如式（1）所示：
Figure 633665DEST_PATH_IMAGE008
（1）
式中，
Figure 336917DEST_PATH_IMAGE009
为测点
Figure 473500DEST_PATH_IMAGE004
与该磁信标的距离，
Figure 80062DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure 276688DEST_PATH_IMAGE011
,
Figure 139339DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 814034DEST_PATH_IMAGE013
分别为该磁信标在第
Figure 275103DEST_PATH_IMAGE014
个测点处产生的磁场强度在
Figure 141165DEST_PATH_IMAGE015
、y、z方向的分量；
Figure 648370DEST_PATH_IMAGE016
为磁信标的三维磁矩，
Figure 392335DEST_PATH_IMAGE017
为介质磁导率；如果一个区域内存在
Figure 911172DEST_PATH_IMAGE018
个磁信标，则某一测点测得的磁场矢量
Figure 43076DEST_PATH_IMAGE019
即为所有单个磁信标在该测点产生的磁场信息之和，即
Figure 709681DEST_PATH_IMAGE020
，其中
Figure 490293DEST_PATH_IMAGE021
为第
Figure 925953DEST_PATH_IMAGE022
个磁信标在第
Figure 369704DEST_PATH_IMAGE014
个测点处产生的磁场强度，
Figure 726867DEST_PATH_IMAGE023
；
以航行器测得的磁场强度作为已知量，以式（2）为目标函数，采用非线性优化算法估计磁信标的相对位置：
Figure 842329DEST_PATH_IMAGE024
（2）
式中，
Figure 132496DEST_PATH_IMAGE025
为包含所有待解算参数的未知向量；
Figure 950410DEST_PATH_IMAGE026
为实测的磁场矢量数据序列，如式（3）所示；
Figure 326028DEST_PATH_IMAGE027
为由多项式计算而得的背景磁场矢量值，如式（4）所示；
Figure 714021DEST_PATH_IMAGE028
为根据磁信标参数算得的磁场矢量估计值，如式（5）所示；
Figure 858695DEST_PATH_IMAGE029
（3）
式中，
Figure 237724DEST_PATH_IMAGE030
为第
Figure 569479DEST_PATH_IMAGE014
个测点处实测的磁场矢量序列，且
Figure 997049DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 589705DEST_PATH_IMAGE003
，其中，
Figure 575853DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 129325DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 422903DEST_PATH_IMAGE034
分别为实测磁场在第
Figure 11011DEST_PATH_IMAGE014
个测点处
Figure 669525DEST_PATH_IMAGE015
、y、z方向的分量
Figure 100506DEST_PATH_IMAGE035
（4）
式中，
Figure 306098DEST_PATH_IMAGE036
为第
Figure 873345DEST_PATH_IMAGE014
个测点处估计的背景磁场矢量序列，且
Figure 702761DEST_PATH_IMAGE037
，其中，
Figure 230825DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 866206DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 225643DEST_PATH_IMAGE040
分别为第
Figure 662178DEST_PATH_IMAGE014
个测点处背景磁场在
Figure 802173DEST_PATH_IMAGE015
、y、z方向上的分量；
Figure 913348DEST_PATH_IMAGE041
（5）
式中，
Figure 64975DEST_PATH_IMAGE042
表示所有可能存在的磁信标磁源在第
Figure 236193DEST_PATH_IMAGE014
个测点上产生的磁场矢量，
Figure 863484DEST_PATH_IMAGE043
，其中，
Figure 214568DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure 876494DEST_PATH_IMAGE045
、
Figure 421876DEST_PATH_IMAGE046
分别表示第k个可能存在的磁信标磁源在第i个测点处
Figure 942987DEST_PATH_IMAGE015
、y、z方向上产生的磁场矢量，
Figure 989440DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure 115659DEST_PATH_IMAGE048
表示可能存在的磁信标磁源数量；
Figure 956576DEST_PATH_IMAGE049
为对应第k个可能存在的磁信标磁源的待定系数函数，
Figure 463519DEST_PATH_IMAGE049
的表达式如式（6）所示：
Figure 657871DEST_PATH_IMAGE050
（6）
式中，
Figure 28809DEST_PATH_IMAGE051
为有效性判定系数中的待定系数参数，为唯一变量，取值范围为
Figure 712732DEST_PATH_IMAGE052
；
Figure 677277DEST_PATH_IMAGE049
的函数值范围为
Figure 799953DEST_PATH_IMAGE053
；
如果
Figure 399300DEST_PATH_IMAGE027
可以预先测量或使用现有模型计算，则在优化时只需对磁信标进行估计，否则，将背景磁场视为未知，并与磁信标的位置一起估计，此时，用多项式对连续测点序列进行背景磁场建模，如式（7）所示：
Figure 254123DEST_PATH_IMAGE054
（7）
式中，
Figure 299440DEST_PATH_IMAGE055
表示背景磁场信息
Figure 897911DEST_PATH_IMAGE027
在第
Figure 853229DEST_PATH_IMAGE014
个测点处的某个分量；
Figure 206850DEST_PATH_IMAGE056
是多项式的阶数，
Figure 175681DEST_PATH_IMAGE057
；
Figure 515526DEST_PATH_IMAGE058
至
Figure 387667DEST_PATH_IMAGE059
为多项式中待求的未知系数；
基于建立的目标函数，进行磁信标反演的初始化，初始向量为：
Figure 646610DEST_PATH_IMAGE060
（8）
式中，
Figure 604202DEST_PATH_IMAGE061
为初始向量，其中，
Figure 246274DEST_PATH_IMAGE062
，（
Figure 972921DEST_PATH_IMAGE063
，
Figure 402766DEST_PATH_IMAGE064
，
Figure 50916DEST_PATH_IMAGE065
）表示第k个可能存在的磁信标的位置，（
Figure 794881DEST_PATH_IMAGE066
，
Figure 703931DEST_PATH_IMAGE067
，
Figure 944157DEST_PATH_IMAGE068
）表示第k个可能存在的磁信标的三维磁矩，
Figure 610762DEST_PATH_IMAGE069
表示第k个可能存在的磁信标对应的待定系数参数，并且，
Figure 220735DEST_PATH_IMAGE063
、
Figure 656395DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 568988DEST_PATH_IMAGE065
、
Figure 50785DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure 658525DEST_PATH_IMAGE067
和
Figure 417534DEST_PATH_IMAGE068
在设定范围内随机取值；
Figure 625661DEST_PATH_IMAGE069
取值为10，即认为所有磁信标在初始时刻默认都存在；
Figure 204541DEST_PATH_IMAGE070
表示该段航行轨迹对应的背景场多项式系数，
Figure 795797DEST_PATH_IMAGE058
至
Figure 268367DEST_PATH_IMAGE059
的初始值随机赋值；
利用非线性最小二乘方法对所建立的目标函数
Figure 585079DEST_PATH_IMAGE025
进行反演解算，对优化结果当中对应判定系数值大于有效阈值的磁信标认为是真实存在的磁信标，也就是SLAM工作过程中观测到的路标，将这些磁信标相对于航行器的位置作为观测量，进行SLAM解算；
随着航行器的运动，航行器的航行轨迹实现了对整个工作区域的覆盖，所有磁信标均被观测到，制作并保存包含所有磁信标的磁信标位置图
Figure 916834DEST_PATH_IMAGE071
，如式（9）所示：
Figure 406721DEST_PATH_IMAGE072
（9）
式中，
Figure 140322DEST_PATH_IMAGE073
表示第
Figure 860891DEST_PATH_IMAGE074
个被探测到的磁信标的三维位置信息，
Figure 804576DEST_PATH_IMAGE075
为航行器工作区域内被探测到的磁信标总数；
根据航行器在每个航迹点出测得的磁场信息，结合对应的航行器位置，利用改进谢别德法构建工作区域的磁场图
Figure 973521DEST_PATH_IMAGE076
。
其中，步骤2进一步包括：
航行器在外力作用下突然移动到另一个位置，或SLAM从系统临时故障中恢复，航行器SLAM系统必须在一个未知的点重新启动；
首先，航行器从一个未知的点开始以纯推位模式运行，在
Figure 686262DEST_PATH_IMAGE077
个连续测点上收集一组磁场矢量数据集
Figure 79197DEST_PATH_IMAGE078
，如式（10）所示：
Figure 651124DEST_PATH_IMAGE079
（10）
式中，
Figure 122294DEST_PATH_IMAGE080
为SLAM系统重新启动后第
Figure 627225DEST_PATH_IMAGE081
个测点处实测的磁场矢量序列，且
Figure 518957DEST_PATH_IMAGE082
，其中，
Figure 47022DEST_PATH_IMAGE083
、
Figure 620085DEST_PATH_IMAGE084
、
Figure 41840DEST_PATH_IMAGE085
分别为SLAM系统重新启动后实测磁场在第
Figure 540692DEST_PATH_IMAGE081
个测点处
Figure 556052DEST_PATH_IMAGE015
、y、z方向的分量；
执行磁场轮廓匹配算法，将对
Figure 995124DEST_PATH_IMAGE078
在
Figure 146751DEST_PATH_IMAGE076
上进行匹配，得到该段纯推位航迹在工作区域全局地图上的大致位置，将最后一个航迹点作为匹配结果，即为航行器当前的估计位置
Figure 645865DEST_PATH_IMAGE086
。
其中，步骤3进一步包括：
为了避免错误的匹配结果，为航行器提供一个更为准确的初始化位置信息，令步骤2推位阶段中，每
Figure 926018DEST_PATH_IMAGE001
个点组成一个测点序列，并利用步骤1中所示的磁信标反演定位方法，得到该推位航迹周围的磁信标分布情况
Figure 339420DEST_PATH_IMAGE087
，如式（11）：
Figure 345553DEST_PATH_IMAGE088
，
Figure 687672DEST_PATH_IMAGE089
（11）
式中，
Figure 536680DEST_PATH_IMAGE090
表示该推位段上所探测到的第
Figure 255237DEST_PATH_IMAGE056
个磁信标的三维坐标，
Figure 879991DEST_PATH_IMAGE091
为该推位段上所探测到的所有磁信标的数量；
使用迭代最近点方法对
Figure 455329DEST_PATH_IMAGE087
与
Figure 729316DEST_PATH_IMAGE071
进行匹配，利用迭代最近点方法匹配结果中的旋转矩阵和平移向量对航位推算路径进行修正，将修正后的航行器位置记为
Figure 923668DEST_PATH_IMAGE092
，作为航行器恢复SLAM系统时的初始位置。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于磁信标的同步定位与构图系统的故障恢复方法。面对SLAM系统的临时失效或由于外界因素导致航行器位置突然丢失的情况，本方法提出工作区域被航行器在SLAM模式下实现航迹覆盖的情形下，利用匹配定位方法快速实现位置初始化，并结合磁信标反演定位，利用ICP方法实现初始位置校准，进而实现SLAM系统恢复。该方法能够有效应对SLAM系统的故障状况，准确初始化航行器位置，大大提高了实际应用中基于磁信标的同步定位与构图方法面对潜在故障的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明一种基于磁信标的同步定位与构图系统的故障恢复方法流程图；
图2为应用本发明的航行器故障恢复中的初始位置校正示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
本发明为基于磁信标探测的SLAM系统提供了一种有效的系统故障恢复方法。通过测量航行器航迹点上的磁场信息，利用多项式对背景磁场建模，并进行联合估计，可以实现对未知背景磁场下的磁信标的精确检测，以及对整个工作区域内磁场分布情况的准确建模。该方法主要应用于航行器的工作区域被SLAM路径基本覆盖后，SLAM系统失效或航行器丢失自身位置信息的情况。根据航行器测得的磁场信息，可以用匹配方法代替SLAM系统或匹配得到准确的航行器初始位置，以重新启动SLAM工作模式。
如图1所示，一种基于磁信标的同步定位与构图系统的故障恢复方法，包括以下步骤：
步骤1，在随机分布了磁信标的工作区域内，航行器在SLAM模式下运动，并且，航行器的航行轨迹覆盖整个工作区域，利用航行器在SLAM模式下采集的数据集建立磁场图和路标（磁信标）位置图。具体包括：
航行器在工作区域内运动，导航系统工作在SLAM模式，如下：
选取航行轨迹上的个航迹点作为测点序列
Figure 966710DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 712949DEST_PATH_IMAGE003
，其中，
Figure 972767DEST_PATH_IMAGE004
表示第i个测点，
Figure 705231DEST_PATH_IMAGE001
表示测点序列中包含的航迹点总数，
Figure 602780DEST_PATH_IMAGE005
；基于测量得到的测点序列上的磁场序列，利用非线性最小二乘方实时解算磁信标的相对位置；设磁信标置于笛卡儿坐标系的原点，则该磁信标在任一测点
Figure 785499DEST_PATH_IMAGE006
处产生的磁场强度为
Figure 703252DEST_PATH_IMAGE007
，数学模型如式（1）所示：
Figure 239407DEST_PATH_IMAGE008
（1）
式中，
Figure 257041DEST_PATH_IMAGE009
为测点
Figure 610662DEST_PATH_IMAGE004
与该磁信标的距离，
Figure 18641DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure 942776DEST_PATH_IMAGE011
,
Figure 877234DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 277123DEST_PATH_IMAGE013
分别为磁场强度在
Figure 234714DEST_PATH_IMAGE015
、y、z方向的分量；
Figure 502885DEST_PATH_IMAGE016
为磁信标的三维磁矩，
Figure 167215DEST_PATH_IMAGE017
为介质磁导率；如果一个区域内存在
Figure 298857DEST_PATH_IMAGE093
个磁信标，则某一测点测得的磁场矢量
Figure 71641DEST_PATH_IMAGE019
即为所有单个磁信标在该测点产生的磁场信息之和，即
Figure 487710DEST_PATH_IMAGE020
，其中
Figure 334443DEST_PATH_IMAGE021
为第
Figure 935189DEST_PATH_IMAGE022
个磁信标在第
Figure 772433DEST_PATH_IMAGE014
个测点处产生的磁场强度。
以航行器测得的磁场强度作为已知量，以式（2）为目标函数，采用非线性优化算法估计磁信标的相对位置。
Figure 788930DEST_PATH_IMAGE024
（2）
式中，
Figure 552487DEST_PATH_IMAGE025
为包含所有待解算参数的未知向量；
Figure 527396DEST_PATH_IMAGE026
为实测的磁场矢量数据序列，如式（3）所示；
Figure 618980DEST_PATH_IMAGE027
为由多项式计算而得的背景磁场矢量值，如式（4）所示；
Figure 203283DEST_PATH_IMAGE028
为根据磁信标参数算得的磁场矢量估计值，如式（5）所示；
Figure 821346DEST_PATH_IMAGE029
（3）
式中，
Figure 967157DEST_PATH_IMAGE030
为第
Figure 342774DEST_PATH_IMAGE014
个测点处实测的磁场矢量序列，且
Figure 904337DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 813125DEST_PATH_IMAGE003
，其中，
Figure 457733DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 586226DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 951479DEST_PATH_IMAGE034
分别为实测磁场在第
Figure 216238DEST_PATH_IMAGE014
个测点处
Figure 31747DEST_PATH_IMAGE015
、y、z方向的分量；
Figure 83755DEST_PATH_IMAGE035
（4）
式中，
Figure 315016DEST_PATH_IMAGE036
为第
Figure 762178DEST_PATH_IMAGE014
个测点处估计的背景磁场矢量序列，且
Figure 155113DEST_PATH_IMAGE037
，其中，
Figure 195881DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 198210DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 703141DEST_PATH_IMAGE040
分别为第
Figure 329294DEST_PATH_IMAGE014
个测点处背景磁场在
Figure 919676DEST_PATH_IMAGE015
、y、z方向上的分量；
Figure 227160DEST_PATH_IMAGE041
（5）
式中，
Figure 757236DEST_PATH_IMAGE042
表示所有可能存在的磁信标磁源在第
Figure 757553DEST_PATH_IMAGE014
个测点上产生的磁场矢量，
Figure 304072DEST_PATH_IMAGE043
，其中，
Figure 743144DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure 957088DEST_PATH_IMAGE045
、
Figure 564524DEST_PATH_IMAGE046
分别表示第k个可能存在的磁信标磁源在第i个测点处
Figure 863919DEST_PATH_IMAGE015
、y、z方向上产生的磁场矢量，
Figure 841102DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure 909552DEST_PATH_IMAGE048
表示可能存在的磁信标磁源数量；
Figure 986092DEST_PATH_IMAGE049
为对应第k个可能存在的磁信标磁源的待定系数函数，
Figure 474580DEST_PATH_IMAGE049
的表达式如式（6）所示：
Figure 989875DEST_PATH_IMAGE050
（6）
式中，
Figure 178411DEST_PATH_IMAGE051
为有效性判定系数中的待定系数参数，为唯一变量，取值范围为
Figure 629115DEST_PATH_IMAGE052
；
Figure 637523DEST_PATH_IMAGE049
的函数值范围为
Figure 222088DEST_PATH_IMAGE053
。
如果
Figure 498086DEST_PATH_IMAGE027
可以预先测量或使用现有模型计算，则在优化时只需对磁信标进行估计，否则，将背景磁场视为未知，并与磁信标的位置一起估计，此时，用多项式对连续测点序列进行背景磁场建模，如式（7）所示：
Figure 385270DEST_PATH_IMAGE054
（7）
式中，
Figure 880974DEST_PATH_IMAGE055
表示背景磁场信息
Figure 269230DEST_PATH_IMAGE027
在第
Figure 901200DEST_PATH_IMAGE014
个测点处的某个分量；
Figure 457821DEST_PATH_IMAGE056
是多项式的阶数，
Figure 768716DEST_PATH_IMAGE057
；
Figure 367188DEST_PATH_IMAGE058
至
Figure 322505DEST_PATH_IMAGE059
为多项式中待求的未知系数，将在之后的优化过程中，与磁源信息被一同解算得到。
基于建立的目标函数，进行磁信标反演的初始化，初始向量为：
Figure 676126DEST_PATH_IMAGE060
（8）
式中，
Figure 349684DEST_PATH_IMAGE061
为初始向量，其中，
Figure 79743DEST_PATH_IMAGE062
，（
Figure 184840DEST_PATH_IMAGE063
，
Figure 584728DEST_PATH_IMAGE064
，
Figure 542320DEST_PATH_IMAGE065
）表示第k个可能存在的磁信标的位置，（
Figure 810490DEST_PATH_IMAGE066
，
Figure 474821DEST_PATH_IMAGE067
，
Figure 606463DEST_PATH_IMAGE068
）表示第k个可能存在的磁信标的三维磁矩，
Figure 113668DEST_PATH_IMAGE069
表示第k个可能存在的磁信标对应的待定系数参数，并且，
Figure 60895DEST_PATH_IMAGE063
、
Figure 969945DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 711636DEST_PATH_IMAGE065
、
Figure 971716DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure 253793DEST_PATH_IMAGE067
和
Figure 391251DEST_PATH_IMAGE068
在设定范围内随机取值；
Figure 428477DEST_PATH_IMAGE069
取值为10，即认为所有磁信标在初始时刻默认都存在；
Figure 51220DEST_PATH_IMAGE070
表示该段航行轨迹对应的背景场多项式系数，
Figure 136987DEST_PATH_IMAGE058
至
Figure 20630DEST_PATH_IMAGE059
的初始值随机赋值；
利用非线性最小二乘方法对所建立的目标函数
Figure 104123DEST_PATH_IMAGE025
进行反演解算，对优化结果当中对应判定系数值大于有效阈值（应设置为大于0.5，且，小于1）的磁信标认为是真实存在的磁信标，也就是SLAM工作过程中观测到的路标，将这些磁信标相对于航行器的位置作为观测量，进行SLAM解算。
随着航行器的运动，航行器的航行轨迹实现了对整个工作区域的覆盖，所有磁信标均被观测到，制作并保存包含所有磁信标的磁信标位置图
Figure 73216DEST_PATH_IMAGE071
，如式（9）所示：
Figure 195631DEST_PATH_IMAGE072
（9）
式中，
Figure 809146DEST_PATH_IMAGE073
表示第
Figure 188175DEST_PATH_IMAGE074
个被探测到的磁信标的三维位置信息，
Figure 723192DEST_PATH_IMAGE075
为航行器工作区域内被探测到的磁信标总数。
根据航行器在每个航迹点出测得的磁场信息，结合对应的航行器位置，利用改进谢别德法构建工作区域的磁场图
Figure 478659DEST_PATH_IMAGE076
。
步骤2，由于SLAM系统故障或外界干扰，航行器丢失自身位置；而后系统从故障中恢复，需从一个未知位置开始继续工作；航行器利用接下来运动过程中测得的磁场信息，与步骤1中建立的磁场图进行匹配，估计航行器的大致位置。具体包括：
航行器在外力作用下突然移动到另一个位置，或SLAM从系统临时故障中恢复，航行器SLAM系统必须在一个未知的点重新启动。
首先，航行器从一个未知的点开始以纯推位模式运行，在
Figure 281153DEST_PATH_IMAGE077
个连续测点上收集一组磁场矢量数据集
Figure 96662DEST_PATH_IMAGE078
，如式（10）所示：
Figure 712451DEST_PATH_IMAGE079
（10）
式中，
Figure 881396DEST_PATH_IMAGE080
为SLAM系统重新启动后第
Figure 594137DEST_PATH_IMAGE081
个测点处实测的磁场矢量序列，且
Figure 190334DEST_PATH_IMAGE082
，其中，
Figure 621316DEST_PATH_IMAGE083
、
Figure 889224DEST_PATH_IMAGE084
、
Figure 331837DEST_PATH_IMAGE085
分别为SLAM系统重新启动后实测磁场在第
Figure 895674DEST_PATH_IMAGE081
个测点处
Figure 813951DEST_PATH_IMAGE015
、y、z方向的分量；
执行磁场轮廓匹配算法（MAGCOM），将对
Figure 324698DEST_PATH_IMAGE078
在
Figure 12031DEST_PATH_IMAGE076
上进行匹配，得到该段纯推位航迹在工作区域全局地图上的大致位置，将最后一个航迹点作为匹配结果，即为航行器当前的估计位置
Figure 448567DEST_PATH_IMAGE086
。
步骤3，航行器利用观测的磁场信息进行磁信标反演定位，并使用迭代最近点方法对反演所得信标组合与步骤1中得到的磁信标位置图进行匹配，以修正航行器位置，完成对航行器位置的在线初始化。具体包括：
为了避免错误的匹配结果，为航行器提供一个更为准确的初始化位置信息，令步骤2推位阶段中，每
Figure 588561DEST_PATH_IMAGE001
个点组成一个测点序列，并利用步骤1中所示的磁信标反演定位方法，得到该推位航迹周围的磁信标分布情况
Figure 965316DEST_PATH_IMAGE087
，如式（11）：
Figure 382522DEST_PATH_IMAGE088
，
Figure 881636DEST_PATH_IMAGE089
（11）
式中，
Figure 118714DEST_PATH_IMAGE090
表示该推位段上所探测到的第
Figure 95897DEST_PATH_IMAGE056
个磁信标的三维坐标，
Figure 928461DEST_PATH_IMAGE091
为该推位段上所探测到的所有磁信标的数量；
使用迭代最近点（ICP）方法对
Figure 208264DEST_PATH_IMAGE087
与
Figure 994955DEST_PATH_IMAGE071
进行匹配，利用ICP匹配结果中的旋转矩阵和平移向量对航位推算路径进行修正，将修正后的航行器位置记为
Figure 775829DEST_PATH_IMAGE092
，作为航行器恢复SLAM系统时的初始位置。
步骤4，将ICP匹配结果作为航行器的初始位置，基于磁信标的SLAM系统继续工作。
图2为应用本发明的航行器初始位置校正示意图。当航行器通过磁场轮廓匹配算法（MAGCOM）在全局地图中找到自身的概略位置后，为了能够顺利重新启动SLAM系统，需要对其中包含的匹配误差进行精细校准。利用本发明介绍的磁信标探测方法，反演得到每段测点序列周围的磁信标分布情况，使用迭代最近点（ICP）方法对将其与地标图进行匹配，利用匹配结果中的旋转矩阵和平移向量，能够有效地将匹配位置中的误差进行修正，并作为航行器SLAM系统恢复后的初始坐标。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于磁信标的同步定位与构图系统的故障恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在随机分布了磁信标的工作区域内，航行器在SLAM模式下运动，并且，航行器的航行轨迹覆盖整个工作区域，利用航行器在SLAM模式下采集的数据集建立磁场图和磁信标位置图；
步骤2，由于SLAM系统故障或外界干扰，航行器丢失自身位置；而后系统从故障中恢复，需从一个未知位置开始继续工作；航行器利用接下来运动过程中测得的磁场信息，与步骤1中建立的磁场图进行匹配，估计航行器的大致位置；
步骤3，航行器利用观测的磁场信息进行磁信标反演定位，并使用迭代最近点方法对反演所得信标组合与步骤1中得到的磁信标位置图进行匹配，以修正航行器位置，完成对航行器位置的在线初始化；
步骤4，将迭代最近点方法的修正结果作为航行器的初始位置，基于磁信标的SLAM系统继续工作。
2.根据权利要求1所述的基于磁信标的同步定位与构图系统的故障恢复方法，其特征在于，步骤1进一步包括：
航行器在工作区域内运动，导航系统工作在SLAM模式，如下：
选取航行轨迹上的
Figure 1476DEST_PATH_IMAGE001
个航迹点作为测点序列
Figure 325142DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 308141DEST_PATH_IMAGE003
，其中，
Figure 968930DEST_PATH_IMAGE004
表示第i个测点，
Figure 688362DEST_PATH_IMAGE001
表示测点序列中包含的航迹点总数，
Figure 714086DEST_PATH_IMAGE005
；基于测量得到的测点序列上的磁场序列，利用非线性最小二乘方实时解算磁信标的相对位置；设磁信标置于笛卡儿坐标系的原点，则该磁信标在任一测点
Figure 918803DEST_PATH_IMAGE006
处产生的磁场强度为
Figure 383282DEST_PATH_IMAGE007
，数学模型如式（1）所示：
Figure 458686DEST_PATH_IMAGE008
（1）
式中，为测点
Figure 153847DEST_PATH_IMAGE004
与该磁信标的距离，
Figure 173755DEST_PATH_IMAGE009
；
Figure 114030DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure 778360DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 411467DEST_PATH_IMAGE012
分别为该磁信标在第
Figure 184251DEST_PATH_IMAGE013
个测点处产生的磁场强度在
Figure 98855DEST_PATH_IMAGE014
、y、z方向的分量；
Figure 273484DEST_PATH_IMAGE015
为磁信标的三维磁矩，
Figure 811913DEST_PATH_IMAGE016
为介质磁导率；如果一个区域内存在
Figure 681780DEST_PATH_IMAGE017
个磁信标，则某一测点测得的磁场矢量
Figure 963857DEST_PATH_IMAGE018
即为所有单个磁信标在该测点产生的磁场信息之和，即，其中
Figure 727414DEST_PATH_IMAGE019
为第
Figure 404120DEST_PATH_IMAGE020
个磁信标在第
Figure 558021DEST_PATH_IMAGE013
个测点处产生的磁场强度，
Figure 706106DEST_PATH_IMAGE021
；
以航行器测得的磁场强度作为已知量，以式（2）为目标函数，采用非线性优化算法估计磁信标的相对位置：
Figure 261852DEST_PATH_IMAGE022
（2）
式中，
Figure 345346DEST_PATH_IMAGE023
为包含所有待解算参数的未知向量；
Figure 314439DEST_PATH_IMAGE024
为实测的磁场矢量数据序列，如式（3）所示；
Figure 436853DEST_PATH_IMAGE025
为由多项式计算而得的背景磁场矢量值，如式（4）所示；
Figure 315947DEST_PATH_IMAGE026
为根据磁信标参数算得的磁场矢量估计值，如式（5）所示；
Figure 694976DEST_PATH_IMAGE027
（3）
式中，
Figure 823469DEST_PATH_IMAGE028
为第
Figure 188723DEST_PATH_IMAGE013
个测点处实测的磁场矢量序列，且
Figure 952017DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 908472DEST_PATH_IMAGE003
，其中，
Figure 852157DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 83418DEST_PATH_IMAGE031
、
Figure 405946DEST_PATH_IMAGE032
分别为实测磁场在第
Figure 126778DEST_PATH_IMAGE013
个测点处
Figure 728398DEST_PATH_IMAGE014
、y、z方向的分量；
Figure 435454DEST_PATH_IMAGE033
（4）
式中，
Figure 940385DEST_PATH_IMAGE034
为第
Figure 566538DEST_PATH_IMAGE013
个测点处估计的背景磁场矢量序列，且
Figure 360182DEST_PATH_IMAGE035
，其中，
Figure 431781DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 587955DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure 588272DEST_PATH_IMAGE038
分别为第
Figure 603633DEST_PATH_IMAGE013
个测点处背景磁场在
Figure 42705DEST_PATH_IMAGE014
、y、z方向上的分量；
Figure 256648DEST_PATH_IMAGE039
（5）
式中，
Figure 129664DEST_PATH_IMAGE040
表示所有可能存在的磁信标磁源在第
Figure 491375DEST_PATH_IMAGE013
个测点上产生的磁场矢量，
Figure 406242DEST_PATH_IMAGE041
，其中，
Figure 412375DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 754495DEST_PATH_IMAGE043
、
Figure 869081DEST_PATH_IMAGE044
分别表示第k个可能存在的磁信标磁源在第i个测点处
Figure 781715DEST_PATH_IMAGE014
、y、z方向上产生的磁场矢量，
Figure 298147DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 811168DEST_PATH_IMAGE046
表示可能存在的磁信标磁源数量，
Figure 22837DEST_PATH_IMAGE047
为对应第k个可能存在的磁信标磁源的待定系数函数，
Figure 279506DEST_PATH_IMAGE047
的表达式如式（6）所示
Figure 384866DEST_PATH_IMAGE048
（6）
式中，
Figure 567323DEST_PATH_IMAGE049
为有效性判定系数中的待定系数参数，为唯一变量，取值范围为
Figure 266289DEST_PATH_IMAGE050
；
Figure 388966DEST_PATH_IMAGE047
的函数值范围为
Figure 286514DEST_PATH_IMAGE051
；
如果
Figure 79021DEST_PATH_IMAGE025
可以预先测量或使用现有模型计算，则在优化时只需对磁信标进行估计，否则，将背景磁场视为未知，并与磁信标的位置一起估计，此时，用多项式对连续测点序列进行背景磁场建模，如式（7）所示：
Figure 655496DEST_PATH_IMAGE052
（7）
式中，
Figure 752503DEST_PATH_IMAGE053
表示背景磁场信息
Figure 442241DEST_PATH_IMAGE025
在第
Figure 61441DEST_PATH_IMAGE013
个测点处的某个分量；
Figure 531737DEST_PATH_IMAGE054
是多项式的阶数，
Figure 871583DEST_PATH_IMAGE055
；
Figure 976680DEST_PATH_IMAGE056
至
Figure 766781DEST_PATH_IMAGE057
为多项式中待求的未知系数；
基于建立的目标函数，进行磁信标反演的初始化，初始向量为：
Figure 662056DEST_PATH_IMAGE058
（8）
式中，
Figure 602330DEST_PATH_IMAGE059
为初始向量，其中，
Figure 656874DEST_PATH_IMAGE060
，（
Figure 227663DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 639928DEST_PATH_IMAGE062
，
Figure 383893DEST_PATH_IMAGE063
）表示第k个可能存在的磁信标的位置，（
Figure 292943DEST_PATH_IMAGE064
，
Figure 831372DEST_PATH_IMAGE065
，
Figure 481665DEST_PATH_IMAGE066
）表示第k个可能存在的磁信标的三维磁矩，
Figure 262277DEST_PATH_IMAGE067
表示第k个可能存在的磁信标对应的待定系数参数，并且，
Figure 901200DEST_PATH_IMAGE061
、
Figure 610530DEST_PATH_IMAGE062
、
Figure 92327DEST_PATH_IMAGE063
、
Figure 178094DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 170059DEST_PATH_IMAGE065
和
Figure 315869DEST_PATH_IMAGE066
在设定范围内随机取值；
Figure 19383DEST_PATH_IMAGE067
取值为10，即认为所有磁信标在初始时刻默认都存在；
Figure 643263DEST_PATH_IMAGE068
表示该段航行轨迹对应的背景场多项式系数，
Figure 256778DEST_PATH_IMAGE056
至
Figure 806445DEST_PATH_IMAGE057
的初始值随机赋值；
利用非线性最小二乘方法对所建立的目标函数
Figure 997255DEST_PATH_IMAGE023
进行反演解算，对优化结果当中对应判定系数值大于有效阈值的磁信标认为是真实存在的磁信标，也就是SLAM工作过程中观测到的路标，将这些磁信标相对于航行器的位置作为观测量，进行SLAM解算；
随着航行器的运动，航行器的航行轨迹实现了对整个工作区域的覆盖，所有磁信标均被观测到，制作并保存包含所有磁信标的磁信标位置图
Figure 424826DEST_PATH_IMAGE069
，如式（9）所示：
Figure 892847DEST_PATH_IMAGE070
（9）
式中，
Figure 380460DEST_PATH_IMAGE071
表示第
Figure 58566DEST_PATH_IMAGE072
个被探测到的磁信标的三维位置信息，
Figure 522784DEST_PATH_IMAGE073
为航行器工作区域内被探测到的磁信标总数；
根据航行器在每个航迹点出测得的磁场信息，结合对应的航行器位置，利用改进谢别德法构建工作区域的磁场图
Figure 642049DEST_PATH_IMAGE074
。
3.根据权利要求1所述的基于磁信标的同步定位与构图系统的故障恢复方法，其特征在于，步骤2进一步包括：
航行器在外力作用下突然移动到另一个位置，或SLAM从系统临时故障中恢复，航行器SLAM系统必须在一个未知的点重新启动；
首先，航行器从一个未知的点开始以纯推位模式运行，在
Figure 238247DEST_PATH_IMAGE075
个连续测点上收集一组磁场矢量数据集
Figure 341332DEST_PATH_IMAGE076
，如式（10）所示：
Figure 173022DEST_PATH_IMAGE077
（10）
式中，
Figure 114171DEST_PATH_IMAGE078
为SLAM系统重新启动后第
Figure 943586DEST_PATH_IMAGE079
个测点处实测的磁场矢量序列，且
Figure 268389DEST_PATH_IMAGE080
，其中，
Figure 310294DEST_PATH_IMAGE081
、
Figure 732048DEST_PATH_IMAGE082
、
Figure 965321DEST_PATH_IMAGE083
分别为SLAM系统重新启动后实测磁场在第
Figure 777419DEST_PATH_IMAGE079
个测点处
Figure 91857DEST_PATH_IMAGE014
、y、z方向的分量；
执行磁场轮廓匹配算法，将对
Figure 40221DEST_PATH_IMAGE084
在
Figure 788603DEST_PATH_IMAGE074
上进行匹配，得到该段纯推位航迹在工作区域全局地图上的大致位置，将最后一个航迹点作为匹配结果，即为航行器当前的估计位置
Figure 586533DEST_PATH_IMAGE085
。
4.根据权利要求1所述的基于磁信标的同步定位与构图系统的故障恢复方法，其特征在于，步骤3进一步包括：
为了避免错误的匹配结果，为航行器提供一个更为准确的初始化位置信息，令步骤2推位阶段中，每
Figure 970241DEST_PATH_IMAGE001
个点组成一个测点序列，并利用步骤1中所示的磁信标反演定位方法，得到该推位航迹周围的磁信标分布情况
Figure 241953DEST_PATH_IMAGE086
，如式（11）：
Figure 318494DEST_PATH_IMAGE087
，
Figure 603719DEST_PATH_IMAGE088
（11）
式中，
Figure 119014DEST_PATH_IMAGE089
表示该推位段上所探测到的第
Figure 307550DEST_PATH_IMAGE054
个磁信标的三维坐标，
Figure 758254DEST_PATH_IMAGE090
为该推位段上所探测到的所有磁信标的数量；
使用迭代最近点方法对
Figure 32241DEST_PATH_IMAGE091
与
Figure 351227DEST_PATH_IMAGE092
进行匹配，利用迭代最近点方法匹配结果中的旋转矩阵和平移向量对航位推算路径进行修正，将修正后的航行器位置记为
Figure 96066DEST_PATH_IMAGE093
，作为航行器恢复SLAM系统时的初始位置。
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