CN114234958A - 一种基于磁场特征值的磁信标定向方法、存储介质及设备 - Google Patents

一种基于磁场特征值的磁信标定向方法、存储介质及设备 Download PDF

Info

Publication number
CN114234958A
CN114234958A CN202111571175.4A CN202111571175A CN114234958A CN 114234958 A CN114234958 A CN 114234958A CN 202111571175 A CN202111571175 A CN 202111571175A CN 114234958 A CN114234958 A CN 114234958A
Authority
CN
China
Prior art keywords
wolf
magnetic field
magnetic
beacon
target point
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111571175.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114234958B (zh
Inventor
李清华
李新年
王常虹
王振桓
周子健
夏子权
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN202111571175.4A priority Critical patent/CN114234958B/zh
Publication of CN114234958A publication Critical patent/CN114234958A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114234958B publication Critical patent/CN114234958B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/20—Instruments for performing navigational calculations
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/30—Assessment of water resources

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

一种基于磁场特征值的磁信标定向方法、存储介质及设备，它属于导航、制导与控制技术领域。本发明解决了目前的基于低频磁场的人工磁信标定向方法的定向精度低的问题。本发明方法具体包括以下步骤：步骤1、利用三个频率不同、幅值相同且相位相差60°的正弦激励信号经功率放大器放大后分别激励磁信标的三个螺线管，产生时变磁场；步骤2、根据正弦激励信号的频率提取对应螺线管的磁场矢量；步骤3、分别令三组磁场矢量中任意一组磁场矢量的转置与另一组的磁场矢量相乘提取特征值；步骤4、构建用于定向解算的非线性方程组；步骤5、利用灰狼优化器对传感器与磁信标之间的相对方位进行最优估计。本发明方法可以应用于磁信标定向。

Description

一种基于磁场特征值的磁信标定向方法、存储介质及设备
技术领域
本发明属于导航、制导与控制技术领域，具体涉及一种基于磁场特征值的磁信标定向方法。
背景技术
社会飞速发展的今天，人类的生存空间也更加丰富多彩，复杂程度也远超之前，人们对高新技术也有了更大的需求，人类对特殊场景下的高精度定向技术也有了更高的需求。定向技术作为一种与人类生活密切相关的传统技术，在机器人技术、物联网技术、无人系统等领域同样扮演着不可或缺的角色，而由于室内、地下等复杂非视距场景的恶劣情况，传统的GNSS卫星导航系统、视觉导航系统在室内、地下等场景无法提供高精度的定向服务，而惯性导航系统存在积累误差，无法长时间提供高精度的定向服务。
基于低频磁场的人工磁信标定向技术是一种具备高穿透能力的定向技术，能够在GPS拒止的室内、地下等环境中提供高精度的定向服务，因此在非视距复杂场景定向技术领域具有十分巨大的研究价值。但是目前基于低频磁场的人工磁信标定向方法通常采用惯性测量元件所提供的传感器姿态信息来辅助人工磁信标系统实现复杂场景下的精确定向，这样不仅增大了系统成本，而且惯性单元解算的传感器姿态误差也进一步影响了人工磁信标系统的定向精度，导致人工磁信标系统的定向精度仍然较低。
发明内容
本发明的目的是为解决目前的基于低频磁场的人工磁信标定向方法的定向精度低的问题，而提出了一种基于磁场特征值的磁信标定向方法。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：
一种基于磁场特征值的磁信标定向方法，所述方法具体包括以下步骤：
步骤1、产生三路频率不同、幅值相同且相位依次相差60°的正弦激励信号，再分别对三路正弦激励信号进行放大，获得放大后的三路正弦激励信号；
利用放大后的三路正弦激励信号分别激励磁信标的三个通电螺线管，其中，第一个通电螺线管与全局坐标系的x轴重合，第二个通电螺线管与全局坐标系的y轴重合，第三个通电螺线管与全局坐标系的z轴重合，各个通电螺线管在空间中分别产生对应的时变磁场；
步骤2、将传感器放置在目标点处采集磁场数据，从采集的磁场数据中分别提取出各个通电螺线管的磁场矢量；
步骤3、根据提取出的各个通电螺线管的磁场矢量，提取出磁场矢量的特征值；
步骤4、根据提取出的磁场矢量特征值，构建用于磁信标定向的非线性方程组；
步骤5、基于步骤4构建的非线性方程组，对传感器与磁信标之间的相对方位进行最优估计。
进一步地，所述分别对三路正弦激励信号进行放大，所采用的是线性功率放大器；
所述传感器为三轴磁强计。
进一步地，所述各个通电螺线管的磁场矢量为：
Figure BDA0003423381410000021
Figure BDA0003423381410000022
Figure BDA0003423381410000023
其中，Bx(t)为第一个通电螺线管在目标点处产生的磁场，By(t)为第二个通电螺线管在目标点处产生的磁场，Bz(t)为第三个通电螺线管在目标点处产生的磁场，t为时间，M1为第一个通电螺线管的磁矩，M2为第二个通电螺线管的磁矩，M3为第三个通电螺线管的磁矩，μ0为磁场传播介质因子，r为目标点位置与磁信标之间的距离，ω1为第一个通电螺线管激励电流的频率，ω2为第二个通电螺线管激励电流的频率，ω3为第三个通电螺线管激励电流的频率，θ1为磁信标与目标点之间相对于x轴的偏航角，θ2为磁信标与目标点之间相对于y轴的偏航角，θ0为磁信标与目标点之间相对于z轴的偏航角，
Figure BDA0003423381410000025
为磁信标与目标点之间相对于x轴的俯仰角，
Figure BDA0003423381410000027
为磁信标与目标点之间相对于y轴的俯仰角，
Figure BDA0003423381410000026
为磁信标与目标点之间相对于z轴的俯仰角；
相对方位之间的角度关系为：
Figure BDA0003423381410000024
根据上述角度关系，将式(1)、式(2)和式(3)表示为：
Figure BDA0003423381410000031
Figure BDA0003423381410000032
Figure BDA0003423381410000033
传感器存在姿态变换时，磁场矢量表示为：
Figure BDA0003423381410000034
其中，C表示方向余弦阵，B'x(t)为传感器存在姿态变换时第一个通电螺线管在目标点处产生的磁场，B'y(t)为传感器存在姿态变换时第二个通电螺线管在目标点处产生的磁场，B'z(t)为传感器存在姿态变换时第三个通电螺线管在目标点处产生的磁场；
Figure BDA0003423381410000035
其中，α为传感器坐标系绕人工磁信标坐标系的x(o)轴旋转的角度，传感器坐标系绕人工磁信标坐标系的x(o)轴旋转后，将旋转后的坐标系的三个坐标轴分别记为
Figure BDA0003423381410000036
轴、
Figure BDA0003423381410000037
轴和
Figure BDA0003423381410000038
轴；β为绕x(o)轴旋转角度α的基础上，继续绕y(o)轴旋转的角度，再将绕y(o)轴旋转后的传感器坐标系的三个坐标轴分别记为
Figure BDA0003423381410000039
轴、
Figure BDA00034233814100000310
轴和
Figure BDA00034233814100000311
轴；γ为绕y(o)轴旋转角度β的基础上，继续绕z(o)轴旋转的角度，再将绕z(o)轴旋转后的传感器坐标系的三个坐标轴分别记为
Figure BDA00034233814100000312
轴、
Figure BDA00034233814100000313
轴和
Figure BDA00034233814100000314
轴。
进一步地，所述步骤3的具体过程为：
Figure BDA0003423381410000041
其中，Hxy表示B'x(t)与B'y(t)之间的特征值，Hxz表示B'x(t)与B'z(t)之间的特征值，Hyz表示B'y(t)与B'z(t)之间的特征值，上角标T代表转置；
将式(10)展开为：
Figure BDA0003423381410000042
进一步地，所述步骤4的具体过程为：
Figure BDA0003423381410000043
其中，|B'x(t)|为传感器存在姿态变换时第一个通电螺线管在目标点处产生的磁场的磁感应强度，|B'y(t)|为传感器存在姿态变换时第二个通电螺线管在目标点处产生的磁场的磁感应强度，|B'z(t)|为传感器存在姿态变换时第三个通电螺线管在目标点处产生的磁场的磁感应强度；
将用于磁信标定向的非线性方程组表示为：
Figure BDA0003423381410000044
其中，
Figure BDA0003423381410000045
代表用于磁信标定向的非线性方程组。
进一步地，所述步骤5的具体过程为：
步骤51、初始化狼群的数量为N，随机生成每只狼的位置
Figure BDA0003423381410000051
步骤52、将每只狼的位置依次带入到根据非线性方程组(14)建立的适应度函数中，计算得到每只狼的适应度函数值；
步骤53、根据计算出的适应度函数值，从狼群中选择出J狼、K狼和L狼，其中，J狼为狼群中适应度函数值最大的狼，K狼为狼群中适应度函数值第二大的狼，L狼为狼群中适应度函数值第三大的狼，狼群中其余的狼为Q狼；
步骤54、分别计算狼群中个体与J狼、K狼、L狼之间的距离：
Figure BDA0003423381410000052
其中，i＝1,2,…,N，
Figure BDA0003423381410000053
为狼群中第i只狼与J狼之间的距离，vJ为J狼的位置，vi为狼群中第i只狼的位置，
Figure BDA0003423381410000054
为根据式(16)生成的随机向量；
Figure BDA0003423381410000055
为狼群中第i只狼与K狼之间的距离，vK为K狼的位置，
Figure BDA0003423381410000056
为根据式(16)生成的随机向量；
Figure BDA0003423381410000057
为狼群中第i只狼与L狼之间的距离，vL为L狼的位置，
Figure BDA0003423381410000058
为根据式(16)生成的随机向量；
Figure BDA0003423381410000059
其中，
Figure BDA00034233814100000510
和
Figure BDA00034233814100000511
均为[0,1]范围内的随机数向量；
步骤55、更新狼群中狼的位置：
Figure BDA00034233814100000512
Figure BDA00034233814100000513
其中，
Figure BDA00034233814100000514
为根据
Figure BDA00034233814100000515
和J狼位置vJ调整后狼群中第i只狼的位置，
Figure BDA00034233814100000516
为根据式(19)生成的随机向量；
Figure BDA00034233814100000517
为根据
Figure BDA00034233814100000518
和K狼位置vK调整后狼群中第i只狼的位置，
Figure BDA00034233814100000519
为根据式(19)生成的随机向量；
Figure BDA0003423381410000061
为根据
Figure BDA0003423381410000062
和L狼位置vL调整后狼群中第i只狼的位置，
Figure BDA0003423381410000063
为根据式(19)生成的随机向量；v′i为更新后的第i只狼位置；
Figure BDA0003423381410000064
其中，a为衰减因子；
步骤56、利用步骤55中更新后的狼位置来重复执行步骤51至步骤55的过程，直至达到最大迭代次数时停止，将最后一次迭代输出的J狼对应的更新后位置作为最优估计结果。
进一步地，所述适应度函数为：
Figure BDA0003423381410000065
其中，Δζ为适应度函数。
进一步地，所述衰减因子a＝2-2(j/max)，max为最大迭代次数，j为当前迭代次数。
一种存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现所述的基于磁场特征值的磁信标定向方法。
一种设备，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现所述的基于磁场特征值的磁信标定向方法。
本发明的有益效果是：
本发明基于任意两组存在姿态变换的磁场矢量之间姿态矩阵相互抵消的思路，即任意两组磁场矢量可以通过相乘的方式得到一个不受姿态影响的特征值，使该特征值不受到传感器姿态影响，定向结果不存在累计误差，本发明的定向方法仅需要一个三轴传感器和一套三轴人工磁信标，在提高定向精度的同时，减少了定向系统的复杂度，降低了定向系统成本，极大地提高了磁信标定向系统在在工业生产、洞穴探索领域的适用性。
附图说明
图1为本发明的一种基于磁场特征值的磁信标定向方法的流程图；
图2为三轴人工磁信标磁场激励图；
图3为人工磁信标与磁传感器之间相对方位关系图；
图中，P(x,y,z)为目标点位置，O是全局坐标系的原点，Mx表示人工磁信标中x轴向螺线管的磁矩指向，My表示人工磁信标中y轴向螺线管的磁矩指向，Mz表示人工磁信标中z轴向螺线管的磁矩指向；
图4为人工磁信标所在坐标系与传感器坐标系之间的转换关系的示意图；
默认条件下，传感器坐标系、全局坐标系和人工磁信标坐标系一致；
人工磁信标坐标系：以人工磁信标的几何中心为原点，三个坐标轴与全局坐标系的三轴指向一致，分别记为x(o)轴、y(o)轴和z(o)轴；
传感器坐标系：以传感器的几何中心为原点，三个坐标轴与全局坐标系的三轴指向一致，分别记为x(m)轴、y(m)轴和z(m)轴。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于磁场特征值的磁信标定向方法，所述方法具体包括以下步骤：
步骤1、信号激励装置产生三路频率不同、幅值相同且相位依次相差60°的正弦激励信号，再分别对三路正弦激励信号进行放大，获得放大后的三路正弦激励信号；
比如，第二路正弦激励信号比第一路正弦激励信号的相位提前60°，第三路正弦激励信号再比第二路正弦激励信号的相位提前60°。
利用放大后的三路正弦激励信号分别激励磁信标的三个通电螺线管，其中，第一个通电螺线管与全局坐标系的x轴重合，第二个通电螺线管与全局坐标系的y轴重合，第三个通电螺线管与全局坐标系的z轴重合，各个通电螺线管在空间中分别产生对应的时变磁场；
步骤2、将传感器放置在目标点处采集磁场数据，从采集的磁场数据中分别提取出各个通电螺线管的磁场矢量；
步骤3、根据提取出的各个通电螺线管的磁场矢量，提取出磁场矢量的特征值；
步骤4、根据提取出的磁场矢量特征值，构建用于磁信标定向的非线性方程组；
步骤5、基于步骤4构建的非线性方程组，对传感器与磁信标之间的相对方位进行最优估计。
本发明是一种基于磁场特征值的人工磁信标定向方法，该方法由比奥萨法尔定理和磁偶极子模型分析出通电螺线管的磁场分布规律，由此推导出正交三轴人工磁信标在任意一测量点处的磁场表达式，进一步分析出磁场传感器存在姿态时磁场表达式，并据此获得任意两个轴之间磁场特征值与相对方位之间的关系，该特征值不受传感器姿态影响，由上述关系构建出非线性方程组，最后利用灰狼优化器获取最优相对方位估计。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述分别对三路正弦激励信号进行放大，所采用的是线性功率放大器；
所述传感器为三轴磁强计。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述各个通电螺线管的磁场矢量为：
根据比奥萨法尔定理和磁偶极模型，三轴人工磁信标的磁场矢量可以表示为：
Figure BDA0003423381410000081
Figure BDA0003423381410000082
Figure BDA0003423381410000083
其中，Bx(t)为第一个通电螺线管在目标点处产生的磁场，By(t)为第二个通电螺线管在目标点处产生的磁场，Bz(t)为第三个通电螺线管在目标点处产生的磁场，t为时间，M1为第一个通电螺线管的磁矩，M2为第二个通电螺线管的磁矩，M3为第三个通电螺线管的磁矩，μ0为磁场传播介质因子，r为目标点位置与磁信标之间的距离，ω1为第一个通电螺线管激励电流的频率，ω2为第二个通电螺线管激励电流的频率，ω3为第三个通电螺线管激励电流的频率，θ1为磁信标与目标点之间相对于x轴的偏航角，θ2为磁信标与目标点之间相对于y轴的偏航角，θ0为磁信标与目标点之间相对于z轴的偏航角，
Figure BDA0003423381410000084
为磁信标与目标点之间相对于x轴的俯仰角，
Figure BDA0003423381410000098
为磁信标与目标点之间相对于y轴的俯仰角，
Figure BDA0003423381410000097
为磁信标与目标点之间相对于z轴的俯仰角，如图3所示；
根据图3可以分析出相对方位之间的角度关系为：
Figure BDA0003423381410000091
根据上述角度关系，将式(1)、式(2)和式(3)表示为：
Figure BDA0003423381410000092
Figure BDA0003423381410000093
Figure BDA0003423381410000094
传感器坐标系与人工磁信标坐标系不一致时，即传感器存在姿态变换时，磁场矢量表示为：
Figure BDA0003423381410000095
其中，C表示方向余弦阵，B'x(t)为传感器存在姿态变换时第一个通电螺线管在目标点处产生的磁场，B'y(t)为传感器存在姿态变换时第二个通电螺线管在目标点处产生的磁场，B'z(t)为传感器存在姿态变换时第三个通电螺线管在目标点处产生的磁场；
Figure BDA0003423381410000096
其中，α为传感器坐标系绕人工磁信标坐标系的x(o)轴旋转的角度，传感器坐标系绕人工磁信标坐标系的x(o)轴旋转后，将旋转后的坐标系的三个坐标轴分别记为
Figure BDA0003423381410000099
轴、
Figure BDA00034233814100000910
轴和
Figure BDA00034233814100000911
轴；β为绕x(o)轴旋转角度α的基础上，继续绕y(o)轴旋转的角度，再将绕y(o)轴旋转后的传感器坐标系的三个坐标轴分别记为
Figure BDA0003423381410000104
轴、
Figure BDA0003423381410000105
轴和
Figure BDA0003423381410000106
轴；γ为绕y(o)轴旋转角度β的基础上，继续绕z(o)轴旋转的角度，再将绕z(o)轴旋转后的传感器坐标系的三个坐标轴分别记为
Figure BDA0003423381410000107
轴、
Figure BDA0003423381410000108
轴和
Figure BDA0003423381410000109
轴，即获得传感器真实坐标系的三个坐标轴x(M)、y(M)和z(M)，具体过程如图4所示。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤3的具体过程为：
Figure BDA0003423381410000101
其中，Hxy表示B'x(t)与B'y(t)之间的特征值，Hxz表示B'x(t)与B'z(t)之间的特征值，Hyz表示B'y(t)与B'z(t)之间的特征值，上角标T代表转置；
将式(10)展开为：
Figure BDA0003423381410000102
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述步骤4的具体过程为：
Figure BDA0003423381410000103
其中，|B'x(t)|为传感器存在姿态变换时第一个通电螺线管在目标点处产生的磁场的磁感应强度，|B'y(t)|为传感器存在姿态变换时第二个通电螺线管在目标点处产生的磁场的磁感应强度，|B'z(t)|为传感器存在姿态变换时第三个通电螺线管在目标点处产生的磁场的磁感应强度；
磁场矢量的特征值去除磁场强度影响因素的过程可以表示为：
Figure BDA0003423381410000111
将用于磁信标定向的非线性方程组表示为：
Figure BDA0003423381410000112
其中，
Figure BDA0003423381410000113
代表用于磁信标定向的非线性方程组。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤5的具体过程为：
步骤51、初始化狼群的数量为N，再根据定义的搜索空间随机生成每只狼的位置
Figure BDA0003423381410000114
且每只狼的分数为1/N；
步骤52、将每只狼的位置依次带入到根据非线性方程组(14)建立的适应度函数中，计算得到每只狼的适应度函数值；
步骤53、根据计算出的适应度函数值，从狼群中选择出J狼、K狼和L狼，其中，J狼为狼群中适应度函数值最大的狼，K狼为狼群中适应度函数值第二大的狼，L狼为狼群中适应度函数值第三大的狼，狼群中其余的狼为Q狼；
步骤54、分别计算狼群中个体(即狼群中的狼)与J狼、K狼、L狼之间的距离：
Figure BDA0003423381410000121
其中，i＝1,2,…,N，
Figure BDA0003423381410000122
为狼群中第i只狼与J狼之间的距离，vJ为J狼的位置，vi为狼群中第i只狼的位置，
Figure BDA0003423381410000123
为根据式(16)生成的随机向量；
Figure BDA0003423381410000124
为狼群中第i只狼与K狼之间的距离，vK为K狼的位置，
Figure BDA0003423381410000125
为根据式(16)生成的随机向量；
Figure BDA0003423381410000126
为狼群中第i只狼与L狼之间的距离，vL为L狼的位置，
Figure BDA0003423381410000127
为根据式(16)生成的随机向量；
Figure BDA0003423381410000128
其中，
Figure BDA0003423381410000129
和
Figure BDA00034233814100001210
均为[0,1]范围内的随机数向量；
步骤55、更新狼群中狼的位置：
Figure BDA00034233814100001211
Figure BDA00034233814100001212
其中，
Figure BDA00034233814100001213
为根据
Figure BDA00034233814100001214
和J狼位置vJ调整后狼群中第i只狼的位置，
Figure BDA00034233814100001215
为根据式(19)生成的随机向量；
Figure BDA00034233814100001216
为根据
Figure BDA00034233814100001217
和K狼位置vK调整后狼群中第i只狼的位置，
Figure BDA00034233814100001218
为根据式(19)生成的随机向量；
Figure BDA00034233814100001219
为根据
Figure BDA00034233814100001220
和L狼位置vL调整后狼群中第i只狼的位置，
Figure BDA00034233814100001221
为根据式(19)生成的随机向量；v′i为更新后的第i只狼位置；
Figure BDA00034233814100001222
其中，a为衰减因子；
步骤56、利用步骤55中更新后的狼位置来重复执行步骤51至步骤55的过程，直至达到最大迭代次数时停止，将最后一次迭代输出的J狼对应的更新后位置作为最优估计结果。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述适应度函数为：
Figure BDA0003423381410000131
其中，Δζ为适应度函数。
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述衰减因子a＝2-2(j/max)，max为最大迭代次数，j为当前迭代次数。
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：
本实施方式为一种存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现所述的基于磁场特征值的磁信标定向方法。
具体实施方式十：
本实施方式为一种设备，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现所述的基于磁场特征值的磁信标定向方法。
仿真验证
对基于磁场特征值的磁信标定向技术进行仿真验证，将本发明方法与惯导单元辅助的磁信标定向技术进行比较。在仿真验证中，激励电流的幅值均为10A、频率分别为10Hz、20Hz、30Hz。环境中存在均值为40000nT的常值干扰磁场、幅度为10nT的白噪声。磁信标在整个坐标系中的初始位置为(0m 0m 0m)，目标所在位置如表1所示。
表1实验目标先验坐标
Figure BDA0003423381410000141
按照采样频率为1000Hz对叠加磁场进行采样，并按照上述实施方案中的步骤2和步骤4进行相对方位的解算，实验结果表明，同等仿真条件下，基于特征值的磁信标定向技术能够实现不受环境干扰的目标定向，定向精度与惯导辅助的基于特征矢量的磁信标定向方法的对比结果如表2所示，可以看出本发明方法的定向精度更优，本发明提出的基于磁场矢量特征值的定向技术能够解决传感器姿态影响下的定向精度受影响的问题，与惯导辅助的特征矢量方法相比，本发明方法在保证定向精度的同时，还有效降低了磁信标定向系统的成本与复杂度。
表2定向仿真结果对比
Figure BDA0003423381410000142
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种基于磁场特征值的磁信标定向方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
步骤1、产生三路频率不同、幅值相同且相位依次相差60°的正弦激励信号，再分别对三路正弦激励信号进行放大，获得放大后的三路正弦激励信号；
利用放大后的三路正弦激励信号分别激励磁信标的三个通电螺线管，其中，第一个通电螺线管与全局坐标系的x轴重合，第二个通电螺线管与全局坐标系的y轴重合，第三个通电螺线管与全局坐标系的z轴重合，各个通电螺线管在空间中分别产生对应的时变磁场；
步骤2、将传感器放置在目标点处采集磁场数据，从采集的磁场数据中分别提取出各个通电螺线管的磁场矢量；
步骤3、根据提取出的各个通电螺线管的磁场矢量，提取出磁场矢量的特征值；
步骤4、根据提取出的磁场矢量特征值，构建用于磁信标定向的非线性方程组；
步骤5、基于步骤4构建的非线性方程组，对传感器与磁信标之间的相对方位进行最优估计。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁场特征值的磁信标定向方法，其特征在于，所述分别对三路正弦激励信号进行放大，所采用的是线性功率放大器；
所述传感器为三轴磁强计。
3.根据权利要求2所述的一种基于磁场特征值的磁信标定向方法，其特征在于，所述各个通电螺线管的磁场矢量为：
Figure FDA0003423381400000011
Figure FDA0003423381400000012
Figure FDA0003423381400000013
其中，Bx(t)为第一个通电螺线管在目标点处产生的磁场，By(t)为第二个通电螺线管在目标点处产生的磁场，Bz(t)为第三个通电螺线管在目标点处产生的磁场，t为时间，M1为第一个通电螺线管的磁矩，M2为第二个通电螺线管的磁矩，M3为第三个通电螺线管的磁矩，μ0为磁场传播介质因子，r为目标点位置与磁信标之间的距离，ω1为第一个通电螺线管激励电流的频率，ω2为第二个通电螺线管激励电流的频率，ω3为第三个通电螺线管激励电流的频率，θ1为磁信标与目标点之间相对于x轴的偏航角，θ2为磁信标与目标点之间相对于y轴的偏航角，θ0为磁信标与目标点之间相对于z轴的偏航角，
Figure FDA0003423381400000021
为磁信标与目标点之间相对于x轴的俯仰角，
Figure FDA0003423381400000022
为磁信标与目标点之间相对于y轴的俯仰角，
Figure FDA0003423381400000023
为磁信标与目标点之间相对于z轴的俯仰角；
相对方位之间的角度关系为：
Figure FDA0003423381400000024
根据上述角度关系，将式(1)、式(2)和式(3)表示为：
Figure FDA0003423381400000025
Figure FDA0003423381400000026
Figure FDA0003423381400000027
传感器存在姿态变换时，磁场矢量表示为：
Figure FDA0003423381400000028
其中，C表示方向余弦阵，B'x(t)为传感器存在姿态变换时第一个通电螺线管在目标点处产生的磁场，B'y(t)为传感器存在姿态变换时第二个通电螺线管在目标点处产生的磁场，B'z(t)为传感器存在姿态变换时第三个通电螺线管在目标点处产生的磁场；
Figure FDA0003423381400000029
其中，α为传感器坐标系绕人工磁信标坐标系的x(o)轴旋转的角度，传感器坐标系绕人工磁信标坐标系的x(o)轴旋转后，将旋转后的坐标系的三个坐标轴分别记为
Figure FDA0003423381400000031
轴、
Figure FDA0003423381400000032
轴和
Figure FDA0003423381400000033
轴；β为绕x(o)轴旋转角度α的基础上，继续绕y(o)轴旋转的角度，再将绕y(o)轴旋转后的传感器坐标系的三个坐标轴分别记为
Figure FDA0003423381400000034
轴、
Figure FDA0003423381400000035
轴和
Figure FDA0003423381400000036
轴；γ为绕y(o)轴旋转角度β的基础上，继续绕z(o)轴旋转的角度，再将绕z(o)轴旋转后的传感器坐标系的三个坐标轴分别记为
Figure FDA0003423381400000037
轴、
Figure FDA0003423381400000038
轴和
Figure FDA0003423381400000039
轴。
4.根据权利要求3所述的一种基于磁场特征值的磁信标定向方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：
Figure FDA00034233814000000310
其中，Hxy表示B'x(t)与B'y(t)之间的特征值，Hxz表示B'x(t)与B'z(t)之间的特征值，Hyz表示B'y(t)与B'z(t)之间的特征值，上角标T代表转置；
将式(10)展开为：
Figure FDA00034233814000000311
5.根据权利要求4所述的一种基于磁场特征值的磁信标定向方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程为：
Figure FDA00034233814000000312
其中，|B'x(t)|为传感器存在姿态变换时第一个通电螺线管在目标点处产生的磁场的磁感应强度，|B'y(t)|为传感器存在姿态变换时第二个通电螺线管在目标点处产生的磁场的磁感应强度，|B'z(t)|为传感器存在姿态变换时第三个通电螺线管在目标点处产生的磁场的磁感应强度；
将用于磁信标定向的非线性方程组表示为：
Figure FDA0003423381400000041
其中，
Figure FDA0003423381400000042
代表用于磁信标定向的非线性方程组。
6.根据权利要求5所述的一种基于磁场特征值的磁信标定向方法，其特征在于，所述步骤5的具体过程为：
步骤51、初始化狼群的数量为N，随机生成每只狼的位置
Figure FDA0003423381400000043
步骤52、将每只狼的位置依次带入到根据非线性方程组(14)建立的适应度函数中，计算得到每只狼的适应度函数值；
步骤53、根据计算出的适应度函数值，从狼群中选择出J狼、K狼和L狼，其中，J狼为狼群中适应度函数值最大的狼，K狼为狼群中适应度函数值第二大的狼，L狼为狼群中适应度函数值第三大的狼，狼群中其余的狼为Q狼；
步骤54、分别计算狼群中个体与J狼、K狼、L狼之间的距离：
Figure FDA0003423381400000044
其中，i＝1,2,…,N，
Figure FDA0003423381400000045
为狼群中第i只狼与J狼之间的距离，vJ为J狼的位置，vi为狼群中第i只狼的位置，
Figure FDA0003423381400000046
为根据式(16)生成的随机向量；
Figure FDA0003423381400000047
为狼群中第i只狼与K狼之间的距离，vK为K狼的位置，
Figure FDA0003423381400000048
为根据式(16)生成的随机向量；
Figure FDA0003423381400000049
为狼群中第i只狼与L狼之间的距离，vL为L狼的位置，
Figure FDA00034233814000000410
为根据式(16)生成的随机向量；
Figure FDA0003423381400000051
其中，
Figure FDA0003423381400000052
和
Figure FDA0003423381400000053
均为[0,1]范围内的随机数向量；
步骤55、更新狼群中狼的位置：
Figure FDA0003423381400000054
Figure FDA0003423381400000055
其中，
Figure FDA0003423381400000056
为根据
Figure FDA0003423381400000057
和J狼位置vJ调整后狼群中第i只狼的位置，
Figure FDA0003423381400000058
为根据式(19)生成的随机向量；
Figure FDA0003423381400000059
为根据
Figure FDA00034233814000000510
和K狼位置vK调整后狼群中第i只狼的位置，
Figure FDA00034233814000000511
为根据式(19)生成的随机向量；
Figure FDA00034233814000000512
为根据
Figure FDA00034233814000000513
和L狼位置vL调整后狼群中第i只狼的位置，
Figure FDA00034233814000000514
为根据式(19)生成的随机向量；v′i为更新后的第i只狼位置；
Figure FDA00034233814000000515
其中，a为衰减因子；
步骤56、利用步骤55中更新后的狼位置来重复执行步骤51至步骤55的过程，直至达到最大迭代次数时停止，将最后一次迭代输出的J狼对应的更新后位置作为最优估计结果。
7.根据权利要求6所述的一种基于磁场特征值的磁信标定向方法，其特征在于，所述适应度函数为：
Figure FDA0003423381400000061
其中，Δζ为适应度函数。
8.根据权利要求7所述的一种基于磁场特征值的磁信标定向方法，其特征在于，所述衰减因子a＝2-2(j/max)，max为最大迭代次数，j为当前迭代次数。
9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现如权利要求1至8之一所述的基于磁场特征值的磁信标定向方法。
10.一种设备，其特征在于，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现如权利要求1至8之一所述的基于磁场特征值的磁信标定向方法。
CN202111571175.4A 2021-12-21 2021-12-21 一种基于磁场特征值的磁信标定向方法、存储介质及设备 Active CN114234958B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111571175.4A CN114234958B (zh) 2021-12-21 2021-12-21 一种基于磁场特征值的磁信标定向方法、存储介质及设备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111571175.4A CN114234958B (zh) 2021-12-21 2021-12-21 一种基于磁场特征值的磁信标定向方法、存储介质及设备

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114234958A true CN114234958A (zh) 2022-03-25
CN114234958B CN114234958B (zh) 2022-08-09

Family

ID=80760275

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111571175.4A Active CN114234958B (zh) 2021-12-21 2021-12-21 一种基于磁场特征值的磁信标定向方法、存储介质及设备

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114234958B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115979245A (zh) * 2022-12-19 2023-04-18 哈尔滨工业大学 一种自校准估计的磁感应网络定位方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103411624A (zh) * 2013-07-22 2013-11-27 复旦大学 基于微动平台的磁跟踪系统的磁场源标定方法及系统
CN103926582A (zh) * 2013-01-15 2014-07-16 财团法人工业技术研究院 基于磁场特征的方位测定方法与系统
US20160245638A1 (en) * 2015-02-23 2016-08-25 The Regents Of The University Of Michigan Magnetic Beacon Self-Localization Using Mobile Device Magnetometers
CN109975880A (zh) * 2019-04-04 2019-07-05 哈尔滨工业大学 一种基于特征矢量的定向方法、装置及系统
CN110207688A (zh) * 2019-06-25 2019-09-06 哈尔滨工业大学 一种基于特征矢量的磁信标快速定向方法与系统
CN111522835A (zh) * 2020-04-02 2020-08-11 天津大学 一种基于数据库特征匹配的多磁性目标位置探测方法
CN112393730A (zh) * 2020-11-19 2021-02-23 哈尔滨工业大学 基于磁感应强度与特征矢量的磁信标定位方法及系统
CN113624240A (zh) * 2021-08-13 2021-11-09 哈尔滨工业大学 一种基于磁感应强度与特征矢量的位姿识别方法和装置

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103926582A (zh) * 2013-01-15 2014-07-16 财团法人工业技术研究院 基于磁场特征的方位测定方法与系统
CN103411624A (zh) * 2013-07-22 2013-11-27 复旦大学 基于微动平台的磁跟踪系统的磁场源标定方法及系统
US20160245638A1 (en) * 2015-02-23 2016-08-25 The Regents Of The University Of Michigan Magnetic Beacon Self-Localization Using Mobile Device Magnetometers
CN109975880A (zh) * 2019-04-04 2019-07-05 哈尔滨工业大学 一种基于特征矢量的定向方法、装置及系统
CN110207688A (zh) * 2019-06-25 2019-09-06 哈尔滨工业大学 一种基于特征矢量的磁信标快速定向方法与系统
CN111522835A (zh) * 2020-04-02 2020-08-11 天津大学 一种基于数据库特征匹配的多磁性目标位置探测方法
CN112393730A (zh) * 2020-11-19 2021-02-23 哈尔滨工业大学 基于磁感应强度与特征矢量的磁信标定位方法及系统
CN113624240A (zh) * 2021-08-13 2021-11-09 哈尔滨工业大学 一种基于磁感应强度与特征矢量的位姿识别方法和装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Y.ZHENG ET AL: "Advanced Positioning System for Harsh Environments Using Time-Varying Magnetic field", 《IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS》 *
万成彪等: "基于张量特征值和特征向量的磁性目标定位", 《吉林大学学报（工学版）》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115979245A (zh) * 2022-12-19 2023-04-18 哈尔滨工业大学 一种自校准估计的磁感应网络定位方法
CN115979245B (zh) * 2022-12-19 2023-08-04 哈尔滨工业大学 一种自校准估计的磁感应网络定位方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114234958B (zh) 2022-08-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107314718B (zh) 基于磁测滚转角速率信息的高速旋转弹姿态估计方法
Storms et al. Magnetic field navigation in an indoor environment
CA2097962C (en) Non-concentricity compensation in position and orientation measurement systems
US7341221B1 (en) Attitude determination with magnetometers for gun-launched munitions
CN113624240B (zh) 一种基于磁感应强度与特征矢量的位姿识别方法和装置
CN107894235B (zh) 一种超高速飞行器自主导航系统的模型误差补偿方法
CN102445201A (zh) 用于水下载体的地磁异常特征点匹配导航方法
Pang et al. Calibration of three-axis magnetometers with differential evolution algorithm
Dai et al. 6-D electromagnetic tracking approach using uniaxial transmitting coil and tri-axial magneto-resistive sensor
da Silva et al. Helmholtz cage design and validation for nanosatellites HWIL testing
CN109975879A (zh) 一种基于磁传感器阵列的磁偶极子目标跟踪方法
CN114234958B (zh) 一种基于磁场特征值的磁信标定向方法、存储介质及设备
CN106802143A (zh) 一种基于惯性仪器和迭代滤波算法的船体形变角测量方法
Gnadt Machine learning-enhanced magnetic calibration for airborne magnetic anomaly navigation
CN114674301A (zh) 一种强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿方法及系统
Skog et al. Magnetic odometry-a model-based approach using a sensor array
Zhao et al. Long-distance geomagnetic navigation: Imitations of animal migration based on a new assumption
CN112611310B (zh) 一种磁偶极子目标测距测向方法
Li et al. An efficient method for tri-axis magnetometer calibration
Ji et al. Integrated compensation method of three-axis magnetometer in geomagnetic navigation
CN110375773A (zh) Mems惯导系统姿态初始化方法
CN115524762A (zh) 基于三维亥姆赫兹线圈的地磁矢量测量系统补偿方法
CN108871320A (zh) 基于概率数据关联的地磁匹配方法
Yan et al. A compensation method in magnetic distortion through regularized inverse problems
Dinale et al. Fast estimation of coil factor and orthogonality errors in tri-axial magnetic coil systems

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant