基於PDR與地磁融合的室內定位方法與流程
2023-05-26 09:17:51 1
本發明涉及定位技術領域，具體是一種基於pdr行人航跡推算與地磁融合的室內定位方法。
背景技術：
室內定位作為導航定位的「最後一公裡」，一直是一個世界性難題，如何有效解決已成為導航與位置服務的核心問題。目前公開的室內定位技術主要有:wifi定位、慣性導航定位、藍牙定位、rfid定位、超寬帶(uwb)定位、led可見光定位、地磁定位、zigbee定位、紅外線定位、超聲波定位、計算機視覺定位等。傳統的慣性導航系統需要將測量到的加速度通過二次積分才能轉化成位移，其誤差是隨著時間的平方增加，即使目標不移動，誤差也一直在累積。行人航跡推算(pdr)是根據行人的步態特徵進行位置估計，通過慣性傳感器探測步頻來判斷目標是否在移動，它的誤差隨著行走距離的增加而累積，與時間無關。
對於室內環境，由於磁力計受室內地磁異常場影響以及室內其他設備產生的磁場影響以及地磁大小的等值性問題，使定位區域可能出現模糊解。純地磁定位因為無法給出當前時刻的粗略位置，只能利用上一時刻的位置進行地磁匹配，空間搜索域較大，算法複雜度較高，大範圍內的地磁大小存在等值性，定位存在模糊解。純pdr定位在行走距離較小的情況下精度較高，由於對行人的步長估計不準確，隨著行走距離的增加，累積的誤差會使精度急劇下降。
技術實現要素：
針對上述兩種技術存在的缺陷，本發明提供一種基於pdr與地磁融合的室內定位方法。所述方法通過步態檢測算法、步長估計模型和擴展卡爾曼濾波算法實現pdr定位，利用克裡金插值算法獲得精確的地磁基準圖，最後由地磁匹配算法修正pdr的定位結果從而實現精確的室內定位，該方法定位精度優於1m，可用於高精度室內定位場合。
本發明主要步驟如下：
步驟1：利用三軸磁力計採集到的室內地磁數據，通過地磁建模方法建立室內全局地磁基準圖。所述地磁建模方法可以是現有的多元項式回歸法、普通克裡金插值法、標準高斯過程回歸法、隨機克裡金插值法或協同克裡金插值法。
步驟2：當載體在室內移動時，通過載體上的加速度傳感器、陀螺儀和磁力計，分別測量出載體加速度、角速度和載體位置的地磁強度等數據，由pdr(行人航跡推算)算法推算出載體航向與步長。
步驟3：根據上一時刻的載體位置及所述載體航向與步長，從所述室內全局地磁基準圖中搜索出局部地磁基準圖。
步驟4：利用載體上的磁傳感器實時測量獲得的磁矢量通過地磁匹配算法與所述局部地磁基準圖進行匹配，從而得到載體的位置坐標，實現定位。所述地磁匹配算法可以是現有的絕對差法(ad算法)、平均絕對差法(mad算法)、平方差法(sd算法)、平均平方差法(msd算法)、積相關法(prod算法)或歸一化積相關法(nprod算法。
附圖說明
圖1是本發明的實施例框圖。
圖2描述了本發明中搜索局部地磁基準圖的搜索方式。
圖3是本發明與純pdr定位的仿真對比圖。
具體實施方式
下面以持有智慧型手機的行人室內定位為例，對本發明做進一步的詳細描述，以利於對本發明的充分理解。
如圖1所示，描述了本實施例給出的室內定位方法框圖，主要包括以下步驟：
步驟1：利用手機內置的三軸磁力計測量室內的地磁數據並且存儲。畫出室內平面地圖，預先設置採集室內地磁數據路線，並標出將要採集地磁數據點的位置坐標(xn，yn)，利用手機內置的三軸磁力計按預先設置的路線採集待測位置坐標點(xn，yn)的地磁數據(mxn，yyn，mzn)，採集的數據通過手機存儲。
步驟2：根據步驟1中測量得到的地磁數據建立室內全局地磁基準圖。在對室內地磁數據採集過程中，由於只能得到待採集的位置坐標點地磁數據，而室內空間中還有大量位置點地磁數據沒有測量，因此需要利用空間統計學方法對未測量的位置點進行插值，從而建立室內全局地磁基準圖。空間統計學根據研究對象在空間上採樣點的差異，根據其特徵之間的相關性，分布之間的特點，描述其在空間上的變化規律。其預測法主要有多元回歸法、高斯過程回歸法、克裡金插值、雙線性內插等，本實施例優選採用克裡金插值建立全局地磁基準圖。
步驟3：當行人在室內移動時，由pdr算法推算出載體航向與步長。pdr定位技術的關鍵是要通過慣性傳感器測到的數據推算出行人的步長和航向，其基本原理就是通過加速度傳感器、陀螺儀、磁力計獲取單步的步長和航向。
本實施例優選採用動態模型來確定行人的步長：其中，β是比例因子，由訓練數據經最小二乘法擬合得到，為第i步內加速度的變化，可以用第i步內加速度峰值與加速度谷值的差來表示，即:本實施例選取四元數來確定行人航向角其中q0、q1、q2及q3可用四元素法求得。
步驟4：由上一時刻的行人位置及步驟3中計算出的步長與航向，從全局地磁基準圖中搜索出一個局部地磁基準圖。由上一時刻的行人位置(xi-1，yi-1)及步驟3中計算出的步長li與航向γi，從全局地磁基準圖中搜索出一個局部地磁基準圖，初始時刻位置(x0，y0)由算法確定。搜索示意圖如圖2所示，由上一時刻的行人位置(xi-1，yi-1)為起點，以γi為方向，以li為長度得到搜索局部地磁基準圖的圓心，再以li為半徑進行搜索，搜索得到的圓形區域即為局部地磁基準圖。
步驟5：將手機內置的磁場傳感器測量的地磁數據與步驟4中搜索出的局部地磁基準圖進行匹配，從而得到行人的位置，實現定位。行人在室內移動時，利用手機內置的磁場傳感器實時測量所處位置的磁矢量(mxk，yyk，mzk)，再通過絕對差法(ad算法)、平均絕對差法(mad算法)、平方差法(sd算法)、平均平方差法(msd算法)、積相關法(prod算法)或歸一化積相關法(nprod算法)等地磁匹配算法將測量的磁矢量與步驟4中搜索得到的局部地磁基準圖進行匹配，從而可以得到行人在局部地磁基準圖中的具體位置，實現定位。
本實施例優選採用平均絕對差法(mad算法)進行地磁匹配：其中，d(u,v)為地磁匹配相關函數，nu,v+i表示位置(u,v)上基準子序列的第i個特徵向量，mi表示實時測量的第i個特徵量，n表示數據的總個數，已d(u,v)最小的位置點(u,v)為最佳匹配位置，實現定位。
為了驗證本發明提供的室內定位方法的可行性，特別進行了實際室內環境測試實驗。選取某大學圖書館4樓走廊作為實驗場地，為了提高磁場定位的精度，採用克裡金插值算法對採集到的地磁數據數據進行0.1m間隔的空間插值，得到網格精度更高的室內地磁基準圖。試驗中假設初始位置已知，測試者手持手機沿著86m長的走廊行走一周。在行走的過程中，手機以20hz的頻率採集並保存加速度計、陀螺儀以及磁力計的原始數據，最終由matlab軟體仿真出結果。
對兩種定位方法的結果進行對比：第一種是基於擴展卡爾曼濾波的純pdr定位方法，第二種是本發明提供的室內定位方法。兩種定位方法的仿真結果對比圖如圖3所示，仿真結果表明基於擴展卡爾曼濾波的純pdr定位方法在短時間內定位精度較高，但是隨著時間的增加，誤差不斷積累，導致pdr的精度急劇下降，最後偏離參考軌跡，定位失敗。本發明提供的室內定位方法的性能明顯優於純pdr定位方法，由於地磁匹配能夠不斷地修正pdr的定位結果，解決了pdr中誤差不斷積累的問題，因此，隨著行走距離的累加，本發明提供的室內定位方法的精度能夠保持穩定，通過比較兩種定位算法的定位結果以及誤差分析，驗證了本發明的可行性以及顯著的技術進步。