基於室內磁場特徵輔助的行人慣性定位系統的製作方法

2023-10-09 01:24:49 1

專利名稱：基於室內磁場特徵輔助的行人慣性定位系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及慣性導航和室內定位領域，具體地，涉及一種基於室內磁場特徵輔助的行人慣性定位系統。
背景技術：
空間中分布著由地磁南指向地磁北的地磁場。地磁場在室內環境下受到建築物鋼筋混凝土結構和室內電機、電器的共同影響，形成大小和方向偏離原始地磁場的異常。這種磁場異常即使經過數月也很穩定，可以用來作為定位的依據。目前的研究和專利將磁場信息用於定位大多基於機器人的應用，定位時逐點匹配磁場資料庫。現有的室內定位方案具有以下缺陷:1、現有的室內定位系統需要信標的支持。如基於RFID或者Wifi的接收的信號強度指示(RSSI)、基於超聲波或者基於超寬帶的定位方式都需要額外信標的支持，很多情況下要事先知道信標的位置才能進行定位。2、現有的室內定位系統獲取定位信號所需的能耗較高。現有技術使用視頻系統來獲取定位信息意味著能耗較高，在便攜設備中不能進行長時間的定位工作。3、現有定位設備成本較高。一些融合系統採用了距離傳感器，氣壓傳感器等器件攝像頭等設備成本較高。

發明內容
針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種基於室內磁場特徵輔助的行人慣性定位系統。根據本發明的一個方面，提供一種基於室內磁場特徵輔助的行人慣性定位系統，包括:磁場及慣性數據獲取模塊100、行人航位推算模塊101、磁場定位模塊102、定位融合模塊103和輸出模塊104，其中，磁場及慣性數據獲取模塊100用以採集磁場信息數據、以及行人的加速度和角速度信息數據；行人航位推算模塊101與磁場及慣性數據獲取模塊100連接，用以根據加速度和角速度數據判斷行人行走的步數，每一步的步長以及每一步的方向，並推算出行人從起點開始的行走路徑，得到慣性位置、速度和姿態信息；磁場定位模塊102分別與磁場及慣性數據獲取模塊100和行人航位推算模塊101連接，用以根據磁場信息、以及慣性位置、速度和姿態信息建立磁場特徵庫並定位實時磁場特徵；定位融合模塊103分別與行人航位推算模塊101和磁場定位模塊102連接，用以對慣性定位信息和磁場特徵定位信息進行融合，得到最終的定位結果，並將定位結果發送至輸出模塊104 ；輸出模塊104與定位融合模塊103連接，用以接收定位結果，並將定位結果發送至顯示設備上進行顯示。優選地，磁場及慣性數據獲取模塊100安裝在行人腳部，其包括:三軸磁力計1001、三軸加速度計1002、三軸陀螺儀1003和標定模塊1004，三軸加速度計1002和三軸陀螺儀1003用以測量行人腳部在運動中的加速度和各種轉動的角速度，三軸磁力計1001測量傳感器坐標系中的三軸磁場大小，標定模塊1004用以對加速度、角速度和磁場信息進行標定並輸出。優選地，三軸磁力計1001的採樣頻率不低於100Hz。優選地，行人航位推算模塊101包括零速檢測模塊1011、擴展卡爾曼濾波模塊1012、以及位置和姿態慣性解算模塊1013，零速檢測模塊1011利用磁場及慣性數據獲取模輸出的角速度信息來判斷腳部是否處於靜止的狀態，並輸出當時是否為零速的標識，同時零速檢測模塊接收位置和姿態慣性解算模塊1013輸出的速度信息，並在檢測到零速時將速度的誤差量傳遞給擴展卡爾曼濾波 模塊1012 ;擴展卡爾曼濾波模塊1012以零速時加速度和角速度的零偏為誤差狀態量，並輸出誤差狀態量至位置和姿態慣性解算模塊1013，位置和姿態慣性解算模塊1013根據接收到的誤差狀態量和磁場及慣性數據獲取模塊100輸出的加速度和角速度測量值輸出慣性解算位置、速度、以及姿態信息。優選地，磁場定位模塊102包括:地磁檢測模塊1021、磁場特徵庫1022和地磁特徵提取模塊1023，地磁檢測模塊1021根據磁場及慣性數據獲取模塊100輸出的磁場信息以及位置和姿態慣性解算模塊1013輸出的慣性解算姿態，將磁場矢量旋轉到東北天坐標系中；地磁特徵提取模塊1023在零速檢測模塊1011檢測到行人腳部運動時對地磁檢測模塊輸出的磁場數據進行採樣，提取出磁場特徵，並將磁場特徵與磁場特徵庫1022中的特徵進行匹配，繼而得出磁場特徵定位結果，即行人所在位置的概率。優選地，地磁特徵提取模塊1023採集滿128點或者256點數據後，將數據段中的東北天向磁場分量或磁場幅值做離散傅立葉變化和離散小波變化來獲取頻域特性；同時，將數據段經過動態時間扭曲Dynamic Time Warping和隱性馬爾可夫模型來提取其時域特徵。優選地，地磁特徵提取模塊1023根據地磁檢測模塊1023輸入的東北天向磁場和行人航位推算模塊101輸出的零速標識來提取磁場特徵。優選地，定位融合模塊103採用粒子濾波的方式模擬一定數量的粒子，通過粒子狀態和權重的更新來估計行人的位置，其包括:粒子狀態更新模塊1031、粒子權重更新模塊1032和重採樣模塊1033，狀態更新模塊1031將行人航位推算模塊101輸出的每一步步長的大小和方向加上合適的零均值高斯誤差以更新粒子的狀態；粒子權重更新模塊1032使用磁場定位模塊輸出的行人位置更新粒子的權重；重採樣模塊1033評估有效粒子的數目，若有效粒子數目低於一定閾值，進行重採樣以保證足夠有效粒子的數目，具體為:複製權重大的粒子，並將所有粒子的權重置為1/N，每一次粒子權重更新後，所有粒子的加權平均定位結果既是定位融合模塊103融合的定位結果輸出。優選地，有效粒子的數目為:
權利要求
1.一種基於室內磁場特徵輔助的行人慣性定位系統，其特徵在於，包括:磁場及慣性數據獲取模塊(100)、行人航位推算模塊(101)、磁場定位模塊(102)、定位融合模塊(103)和輸出模塊(104)，其中， 所述磁場及慣性數據獲取模塊(100)用以採集磁場信息數據、以及行人的加速度和角速度信息數據； 所述行人航位推算模塊(101)與所述磁場及慣性數據獲取模塊(100)連接，用以根據所述加速度和角速度數據判斷行人行走的步數，每一步的步長以及每一步的方向，並推算出行人從起點開始的行走路徑，得到慣性解算的位置、速度和姿態信息； 所述磁場定位模塊(102)分別與所述磁場及慣性數據獲取模塊(100)和行人航位推算模塊(101)連接，用以根據所述磁場信息、以及慣性解算的位置、速度和姿態信息建立磁場特徵庫並定位實時磁場特徵； 所述定位融合模塊(103)分別與所述行人航位推算模塊(101)和磁場定位模塊(102)連接，用以對所述慣性定位信息和磁場特徵定位信息進行融合，得到最終的定位結果，並將定位結果發送至所述輸出模塊(104)； 所述輸出模塊(104)與所述定位融合模塊(103)連接，用以接收定位結果，並將所述定位結果發送至顯示設備上進行顯示。
2.根據權利要求1所述的基於室內磁場特徵輔助的行人慣性定位系統，其特徵在於，所述磁場及慣性數據獲取模塊(100)安裝在行人腳部，其包括:三軸磁力計(1001)、三軸加速度計(1002)、三軸陀螺儀(1003)和標定模塊(1004)，所述三軸加速度計(1002)和三軸陀螺儀(1003)用以測量行人腳部在運動中的加速度和各種轉動的角速度，所述三軸磁力計(1001)測量傳感器坐標系中的三軸磁場大小，所述標定模塊(1004)用以對所述加速度、角速度和磁場信息進行標定並輸出。
3.根據權利要求2所述的基於室內磁場特徵輔助的行人慣性定位系統，其特徵在於，所述三軸磁力計(1001)的採樣頻率不低於IOOHz。
4.根據權利要求1所述的基於室內磁場特徵輔助的行人慣性定位系統，其特徵在於，所述行人航位推算模塊(101)包括零速檢測模塊(1011)、擴展卡爾曼濾波模塊(1012)、以及位置和姿態慣性解算模塊(1013)，所述零速檢測模塊(1011)利用磁場及慣性數據獲取模輸出的角速度信息來判斷腳部是否處於靜止的狀態，並輸出當時是否為零速的標識，同時零速檢測模塊(1011)接收位置和姿態慣性解算模塊(1013)輸出的速度信息，並在檢測到零速時將速度的誤差量傳遞給擴展卡爾曼濾波模塊(1012);擴展卡爾曼濾波模塊(1012)以零速時加速度和角速度的零偏為誤差狀態量，並輸出誤差狀態量至所述位置和姿態慣性解算模塊(1013)，所述位置和姿態慣性解算模塊(1013)根據接收到的誤差狀態量和磁場及慣性數據獲取模塊(100)輸出的加速度和角速度測量值輸出慣性解算位置、速度、以及姿態信息。
5.根據權利要求1所述的基於室內磁場特徵輔助的行人慣性定位系統，其特徵在於，所述磁場定位模塊(102)包括:地磁檢測模塊(1021)、磁場特徵庫(1022)和地磁特徵提取模塊(1023)，所述地磁檢測模塊(1021)根據所述磁場及慣性數據獲取模塊(100)輸出的磁場信息以及位置和姿態慣性解 算模塊(1013)輸出的慣性解算姿態，將磁場矢量旋轉到東北天坐標系中；所述地磁特徵提取模塊(1023)在所述零速檢測模塊(1011)檢測到行人腳部運動時對所述地磁檢測模塊輸出的磁場數據進行採樣，提取出磁場特徵，並將磁場特徵與磁場特徵庫(1022)中的特徵進行匹配，繼而得出磁場特徵定位結果，即行人所在位置的概率。
6.根據權利要求5所述的基於室內磁場特徵輔助的行人慣性定位系統，其特徵在於，所述地磁特徵提取模塊(1023)採集滿128點或者256點數據後，將數據段中的東北天向磁場分量或者磁場幅值做離散傅立葉變化和離散小波變化來獲取頻域特性；同時，將數據段經過動態時間扭曲和隱性馬爾可夫模型來提取其時域特徵。
7.根據權利要求5所述的基於室內磁場特徵輔助的行人慣性定位系統，其特徵在於，所述地磁特徵提取模塊(1023)根據所述地磁檢測模塊(1023)輸入的東北天向磁場和行人航位推算模塊(101)輸出的零速標識來提取磁場特徵。
8.根據權利要求1所述的基於室內磁場特徵輔助的行人慣性定位系統，其特徵在於，所述定位融合模塊(103)採用粒子濾波的方式模擬一定數量的粒子，通過粒子狀態和權重的更新來估計行人的位置，其包括:粒子狀態更新模塊(1031)、粒子權重更新模塊(1032)和重採樣模塊(1033)，所述狀態更新模塊(1031)將所述行人航位推算模塊(101)輸出的每一步步長的大小和方向加上合適的零均值高斯誤差以更新粒子的狀態；所述粒子權重更新模塊(1032)使用磁場定位模塊輸出的行人位置更新粒子的權重；所述重採樣模塊(1033)評估有效粒子的數目，若有效粒子數目 低於一定閾值，進行重採樣以保證足夠有效粒子的數目，具體為: 複製權重大的粒子，並將所有粒子的權重置為1/N，每一次粒子權重更新後，所有粒子的加權平均定位結果既是定位融合模塊(103)融合的定位結果輸出。
9.根據權利要求8所述的基於室內磁場特徵輔助的行人慣性定位系統，其特徵在於，所述有效粒子的數目為:
10.根據權利要求1所述的基於室內磁場特徵輔助的行人慣性定位系統，其特徵在於，所述顯示設備包括手機、電腦、以及其它便攜視頻顯示設備。
全文摘要
本發明提供了一種基於室內磁場特徵輔助的行人慣性定位系統，包括磁場及慣性數據獲取模塊，用於採集磁場、加速度和角速度信息；磁場定位模塊，用於建立磁場特徵庫並實時對磁場矢量序列進行時頻分析提取時頻特徵，與磁場特徵庫匹配進行磁場特徵定位；行人航位推算模塊，利用行走時腳部速度間斷為零，更新加速度和角速度零偏，判斷行走的步數，並計算每一步的步長以及方向；定位融合模塊，使用粒子濾波的方式融合磁場特徵定位結果和行人航位推算慣性定位結果；輸出模塊，用於在網頁和終端上顯示定位結果。本發明具有定位不基於信標，定位終端成本和能耗低，定位結果精確並且可適應環境變動的特點。
文檔編號G01C21/16GK103175529SQ20131006662
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月1日 優先權日2013年3月1日
發明者馬嘉斌, 錢久超, 張凱淵, 鄒耀, 劉佩林, 趙恆 , 周燕, 汪自翔 申請人:上海美迪索科電子科技有限公司