一种基于特征矢量的定向方法、装置及系统与流程

本发明涉及定位定向
技术领域：
，具体而言，涉及一种基于特征矢量的定向方法、装置及系统。
背景技术：
：随着科技的发展和生活水平的提高，人们对导航的精度需求越来越高和对活动场所的需求也越来越大。对一些复杂环境，如地下或非视距的环境下(城市高楼林立或室内)，gps等卫星导航信号无法保证精度，旋转磁场由于其低频特性具有良好的穿透能力，其无误差积累的定位方法成为了当前研究热点。现有的旋转磁场定向方法中是根据设定的正弦信号频率，从多个磁信标的混合磁场信号中提取出单个磁信标的磁场信号来进行相关计算，得到目标位置的定向信息。理论上，磁信标的正弦信号频率与磁场频率相同，但实际中，信号发生器输出的正弦信号频率可能不稳定，使得磁信标实际产生的磁场频率与设定的正弦信号频率之间存在偏差，导致计算出来的目标位置与目标的实际位置也存在偏差，定向不够精准。鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。技术实现要素：本发明解决的问题是现有技术中的旋转磁场定向方法计算出来的目标位置与目标的实际位置存在偏差，定向不够精准。为解决上述问题，本发明提供一种基于特征矢量的定向方法，包括：s100、采集第一时长内多个磁信标在目标位置产生的混合磁场信号，其中，每个所述磁信标由不同频率的正弦信号激励；s200、获取指定磁信标的位置坐标和所述正弦信号频率，根据所述混合磁场信号和所述正弦信号频率计算出所述指定磁信标的实际磁场频率；s300、采集第二时长内的所述混合磁场信号；s400、根据所述实际磁场频率从所述第二时长内的所述混合磁场信号中，提取出所述指定磁信标在所述目标位置处的磁场信号；s500、根据所述指定磁信标的磁场信号解算出所述目标位置与所述指定磁信标的相对俯仰角。这样，在定向采集前先计算出指定磁信标的实际磁场频率，根据所述实际磁场频率从混合磁场信号中，提取出指定磁信标的磁场信号，从而解算出目标位置相对指定磁信标的相对俯仰角，得到目标的相对方向信息。与现有技术相比，根据磁信标的实际磁场频率解算出来的标位置相对指定磁信标的相对俯仰角，更接近于目标的实际位置，定向更为精准；而且，采集磁场信号的时间长度不受磁场旋转周期的限制，使得计算目标位置的相对方位的实时性不受旋转周期大小的限制，且计算量较少，能够快速的计算出目标位置的相对方位，提高了旋转磁场定向的实时性，也确保了定向精度。可选的，所述s500中，根据所述指定磁信标的磁场信号解算出所述目标位置与所述指定磁信标的相对俯仰角，包括：s510、根据所述磁场信号计算所述指定磁信标的磁场旋转面的多个特征矢量；s520、从多个所述特征矢量中解算出最优特征矢量；s530、根据所述最优特征矢量计算出所述目标位置与所述指定磁信标的相对俯仰角。可选的，所述s400中，根据所述实际磁场频率从所述第二时长内的所述混合磁场信号中，提取出所述指定磁信标在所述目标位置处的磁场信号，包括：将所述第二时长内的所述混合磁场信号输入带通滤波器，提取出所述指定磁信标在所述目标位置处的磁场信号。可选的，所述s520中，从多个所述特征矢量中解算出最优特征矢量，包括：采用空间直线拟合法和最小二乘迭代法从多个所述特征矢量中解算出所述最优特征矢量。可选的，所述特征矢量为两个不同时刻的所述指定磁信标的磁场信号的矢量叉乘。可选的，所述s100中，采集第一时长内多个磁信标在目标位置产生的混合磁场信号，其中所述第一时长t满足0＜t≤2s。可选的，所述实际磁场频率与所述带通滤波器的阻带频率之间满足：f′i-c1≤fz≤f′i+c1；其中，f′i为所述实际磁场频率，fz为所述阻带频率，c1为第一频带宽度，且0.2hz≤c1≤0.8hz。旋转磁场的实际磁场频率通常在0-10khz范围内，将带通滤波器的阻带频率fz设置在[f′i-c1，f′i+c1]这一范围内，可以较大范围的过滤掉阻带频率fz之外的磁场信号。先将频率值位于阻带频率fz范围之外的磁场信号排除，也就是说，将频率值大于(f′i+c1)和频率值小于(f′i-c1)的磁场信号排除，以减小位于阻带频率范围之外的磁场信号对指定磁信标在目标位置处的磁场信号产生的干扰。可选的，所述实际磁场频率与所述带通滤波器的通带频率之间满足：f′i-c2≤ft≤f′i+c2；其中，f′i为所述实际磁场频率，ft为所述通带频率，c2为第二频带宽度，且0＜c2≤0.1hz。这样，可以让位于阻带频率fz和通带频率ft范围之间的磁场信号逐渐衰减，进一步从阻带频率fz范围内选择频率值位于通带频率ft范围内的磁场信号完整通过，也就是让频率值大于(f′i-c2)且小于(f′i+c2)的磁场信号完整通过，以进一步精确提取出与给定的信号频率相对应的磁信标的磁场信号，提高定位精度。本发明还提供一种基于特征矢量的定向装置，包括：磁场传感器，其用于采集第一时长内多个磁信标在目标位置产生的混合磁场信号，其中，每个所述磁信标由不同频率的正弦信号激励；信号提取单元，其用于获取指定磁信标的位置坐标和所述正弦信号频率，根据所述混合磁场信号和所述正弦信号频率计算出所述指定磁信标的磁场频率；所述磁场传感器还用于采集第二时长内的所述混合磁场信号；所述信号提取单元还用于根据所述实际磁场频率从所述第二时长内的所述混合磁场信号中，提取出所述指定磁信标在所述目标位置处的磁场信号；定向解算单元，其用于根据所述指定磁信标的磁场信号解算出所述目标位置与所述指定磁信标的相对俯仰角。这样，通过该装置进行定向时，能够使计算目标位置的相对方位的实时性不受旋转周期大小的限制，能够快速的计算出目标位置的相对方位，提高了旋转磁场定向的实时性，也确保了定向精度。本发明还提供一种基于特征矢量的定向系统，包括：多个磁信标，其固定在已知位置，用于产生旋转磁场；信号发生器，其用于向多个固定到已知位置的所述磁信标输入不同频率的正弦信号；还包括上述所述的基于特征矢量的定向装置。附图说明图1为本发明中基于特征矢量的定向方法的流程图；图2为本发明中步骤s500的流程图；图3为本发明中基于特征矢量的定向方法示意图；图4为本发明中基于特征矢量的定向装置的结构框图；图5为本发明中基于特征矢量的定向系统的结构框图；图6为本发明中基于特征矢量的定向系统的示意图。附图标记说明：1-磁信标，2-信号发生器，3-信号提取单元，4-磁场传感器，5-定向解算单元。具体实施方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。结合图1所示，本实施例提供一种基于特征矢量的定向方法，包括以下步骤：s100、采集第一时长内多个磁信标在目标位置产生的混合磁场信号，其中，每个所述磁信标由不同频率的正弦信号激励；其中，在开始采集混合磁场信号之前，先从多个磁信标中任意指定一个磁信标作为指定磁信标，该指定磁信标的磁场频率和空间位置均已知。具体的，每一个磁信标都包括功率放大器和两根相互垂直设置的螺线管，这两个相互垂直设置的螺线管与功率放大器的输出端相连，通过向这两个螺线管中通入正弦信号，可以产生旋转磁场，将功率放大器的频率调谐到与磁信标的两个螺线管上的正弦信号的频率相同，可以将两个螺线管中的两路正交正弦信号以磁场信号的形式发出。在空间内布置多个磁信标作为信号源，且每个磁信标的位置已知；给每个磁信标中通入不同频率、幅值和相位的正弦信号；其中，对于一个磁信标而言，通入到两个螺线管中的正弦信号的频率、幅值均相同，且相位相差90°。其中，向每个磁信标中的两根螺线管中分别通入正弦信号后，每个磁信标均能够在空间中产生椭圆的旋转磁场，在磁场的旋转过程中，磁场旋转面的特征矢量方向不变。s200、获取指定磁信标的位置坐标和所述正弦信号频率，根据所述混合磁场信号和所述正弦信号频率计算出所述指定磁信标的实际磁场频率；具体的，在正式进行定向采集之前，可以先根据采集的混合磁场信号计算出指定磁信标的实际磁场频率。其中，将采集到的混合磁场信号进行快速傅立叶变换(即fft)计算，提取出指定磁信标的实际磁场频率。理论上，磁信标的磁场频率与通入磁信标中的正弦信号频率相同，但实际中，由于电源频率不稳定，使得指定磁信标的磁场频率与设定的正弦信号频率之间存在一定偏差，通过对采集的混合磁场信号进行相关算法计算，得出指定磁信标的实际磁场频率，以提高定向精度。s300、采集第二时长内的所述混合磁场信号；具体的，以一定的采样频率在目标位置处连续采集混合磁场信号，其中，采集的第二时长不受磁场的旋转周期限制，也就是说，第二时长可以是任意的时间长度。s400、根据所述实际磁场频率从所述第二时长内的所述混合磁场信号中提取出所述指定磁信标在所述目标位置处的磁场信号；s500、根据所述指定磁信标的磁场信号解算出所述目标位置与所述指定磁信标的相对俯仰角。这样，在定向采集前先计算出指定磁信标的实际磁场频率，根据所述实际磁场频率从混合磁场信号中，提取出指定磁信标的磁场信号，从而解算出目标位置相对指定磁信标的相对俯仰角，得到目标的相对方向信息。与现有技术相比，根据磁信标的实际磁场频率解算出来的标位置相对指定磁信标的相对俯仰角，更接近于目标的实际位置，定向更为精准；而且，采集磁场信号的时间长度不受磁场旋转周期的限制，使得计算目标位置的相对方位的实时性不受旋转周期大小的限制，且计算量较少，能够快速的计算出目标位置的相对方位，提高了旋转磁场定向的实时性，也确保了定向精度。可选的，结合图2所示，步骤s500中，根据所述指定磁信标的磁场信号解算出所述目标位置与所述指定磁信标的相对俯仰角，包括：s510、根据所述指定磁信标的磁场信号计算所述指定磁信标的磁场旋转面的多个特征矢量；其中，所述特征矢量为两个不同时刻的所述指定磁信标的磁场信号的矢量叉乘。s520、从多个所述特征矢量中解算出最优特征矢量；s530、根据所述最优特征矢量计算出所述目标位置与所述指定磁信标的相对俯仰角。可选的，步骤s520中，从多个所述特征矢量中解算出最优特征矢量，包括：采用空间直线拟合法和最小二乘迭代法从多个所述特征矢量中解算出所述最优特征矢量。这样，相较于现有技术中采用锁相技术或三角函数拟合技术而言，计算量少、采集磁场信号不受磁场旋转周期的限制，不仅缩短了完成一次定向所需要的时间，实现快速定向，在保证定向精度的前提下还提高了旋转磁场定向的实时性。可选的，步骤s400中，根据所述实际磁场频率从所述第二时长内的所述混合磁场信号中提取所述指定磁信标在所述目标位置处的磁场信号，包括：将所述第二时长内的所述混合磁场信号输入带通滤波器，提取所述指定磁信标在所述目标位置处的磁场信号。这样，在采集定向计算所需要的磁场信号前，先将在目标位置处采集的混合磁场信号进行滤波和分离提取，以精确提取出指定磁信标的磁场信号，提高定向精度。可选的，步骤s400中，还可以通过三角函数拟合从混合磁场信号中提取所述指定磁信标在所述目标位置处的磁场信号。以提高定向精度。可选的，步骤s100和步骤s300中，通过磁场传感器来采集第一时长内和第二时长内多个磁信标在目标位置产生的混合磁场信号。本实施例中，优选磁通门传感器来采集磁场信号，其结构结实、精确度高、灵敏度高的便携式磁场测试仪器，可以满足实时检测快速移动的磁场数据，利用其高稳定性、高线性度和高精度性来进一步提高测量的精度。可选的，所述s100中，采集第一时长内多个磁信标在目标位置产生的混合磁场信号，其中所述第一时长t满足0＜t≤2s。需要解释说明的是，第一时长t指的是采集混合磁场信号的时间长度，且这一时间长度是预先设定好的。将第一时长t限定在0至2s这个比较短暂的时间内，以缩短定向方法中采集磁场信号的时间长度，避免采集时间过长而影响定向速度。可选的，所述实际磁场频率与所述带通滤波器的阻带频率之间满足：f′i-c1≤fz≤f′i+c1；其中，f′i为所述实际磁场频率，fz为所述阻带频率，c1为第一频带宽度，且0.2hz≤c1≤0.8hz。其中，第一频带宽度c1指的是在某个频率范围内最高频率与最低频率之间的差值，是个可以根据实际情况进行设定的常数。旋转磁场的实际磁场频率通常在0-10khz范围内，将带通滤波器的阻带频率fz设置在[f′i-c1，f′i+c1]这一范围内，可以较大范围的过滤掉阻带频率fz之外的磁场信号。先将频率值位于阻带频率fz范围之外的磁场信号排除，也就是说，将频率值大于(f′i+c1)和频率值小于(f′i-c1)的磁场信号排除，比如说，第一频带宽度c1＝0.5hz时，带通滤波器就会将频率值大于(f′i+0.5hz)和频率值小于(f′i-0.5hz)的磁场信号排除，以减小位于阻带频率范围之外的磁场信号对指定磁信标在目标位置处的磁场信号产生的干扰。可选的，所述实际磁场频率与所述带通滤波器的通带频率之间满足：f′i-c2≤ft≤f′i+c2；其中，f′i为所述实际磁场频率，ft为所述通带频率，c2为第二频带宽度，且0＜c2≤0.1hz。其中，第二频带宽度c2也是指在某个频率范围内最高频率与最低频率之间的差值，同第一频带宽度c1一样，是个可以根据实际情况进行设定的常数，但第二频带宽度c2小于第一频带宽度c1。这样，可以让位于阻带频率fz和通带频率ft范围之间的磁场信号逐渐衰减，进一步从阻带频率fz范围内选择频率值位于通带频率ft范围内的磁场信号完整通过，也就是让频率值大于(f′i-c2)且小于(f′i+c2)的磁场信号完整通过，比如说，c2＝0.05hz时，带通滤波器就会让频率值大于(f′i-0.05hz)且小于(f′i+0.05hz)的磁场信号通过，以进一步精确提取出与给定的信号频率相对应的磁信标的磁场信号，提高定位精度。本发明提供的基于特征矢量的旋转磁场快速定向方法是基于信号带通滤波的分离提取和特征矢量空间直线拟合的技术，只需要连续采集几组测量数据即可完成特征矢量的提取，并利用空间直线拟合技术提高特征矢量的辨识精度，提高了相对方位计算的实时性，并保证了定向精度。将磁信标的两个垂直螺线管水平放置，并以磁信标的两个垂直螺线管分别为坐标系的x轴、y轴，垂直方向为z轴，建立三维坐标系。需要解释说明的是，在本发明中，假定磁场传感器和磁信标处于同一个坐标系下，如果不在同一个坐标系，也可以通过倾斜计计算姿态转移矩阵进行转化，统一到一个坐标系下。举例说明，首先，磁场传感器连续采集目标位置处的磁场信号：b1＝[b1x,b1y,b1z]、b2＝[b2x,b2y,b2z]、b3＝[b3x,b3y,b3z]、b4＝[b4x,b4y,b4z]、…、bn+4，其中，[b1x,b1y,b1z]为采样点b1处的磁场信号，[b2x,b2y,b2z]为采样点b2处的磁场信号，[b3x,b3y,b3z]为采样点b3处的磁场信号，[b4x,b4y,b4z]为采样点b4处的磁场信号；以四个采样点的磁场信号为一组数据，采集多组数据，{b1,b2,b3,b4}、…、{bn+1,bn+2，bn+3，bn+4}。磁场传感器在目标位置处连续采样，实时性不受旋转磁场的旋转周期大小的限制，从而提高了目标位置相对方位计算的实时性。其次，计算磁场旋转面的特征矢量hcs，也就是将采集到的多组数据进行磁场信号矢量叉乘，即这样可以得到一组特征矢量然后，采用整体最小二乘迭代法的空间直线拟合法计算最优特征矢量以进一步抑制噪声的影响，提高定向精度。假定空间直线方程为：其中，(a,b,c)为最优特征矢量的方向向量。令则该空间直线方程可以转化为：写成矩阵形式为：其中，t为磁场的旋转周期。在理想情况下，磁信标的两个螺线管应当是相互垂直的，但在实际条件下，两个螺线管并不是相互垂直的，存在一定的误差角，使得磁信标的坐标轴与其产生的实际磁场坐标轴不重合，对最后的定向精度产生影响。故在本实施例中，通过建立误差方程，并引入平差准则函数，同时对来源于模型和测量点的误差进行修正，使测量的误差最小化，以达到提高定向精度的目的。具体修正计算过程如下：假设有空间直线的一组实测数据为其中，i表示第i个磁信标，也为第i个磁信标的磁场信号；需要利用该组数据拟合出空间直线的参数，利用空间直线方程的矩阵形式，建立如下误差方程：其中：在满足误差方程的基础上，引入平差准则，使误差最小化：分别对矩阵b和参数向量中的各个元素求导，得到迭代方程式：其中，nb为迭代中间变量，且利用迭代法进行参数向量的解算，具体步骤如下：步骤1、设置迭代初始参数x0，取步骤2、根据实测数据pi(xi,yi,zj)、以及迭代初始参数x0，利用迭代方程式来计算参数向量的平差值步骤3、计算初次迭代中间变量并利用迭代方程式来计算平差值步骤4、重复步骤2至步骤3，直到迭代增量小于设定阈值时，迭代结束，得到参数向量的计算结果。最后，将空间直线的一组实测数据和通过迭代法解算出来的参数向量带入中，计算出最优特征矢量最优特征矢量与目标位置的实际方向信息之间的误差最小，是最为接近实际方向信息的一个特征矢量。本发明通过从多个特征矢量中解算出最优特征矢量，来进一步提高定向精度。结合图3所示，p为空间任意一点，也是待测量的目标位置。令磁场传感器到磁信标的相对方位角为θ，θ也是坐标原点o到p点的距离op在△oxy平面上的投影与x轴正方向的夹角；磁场传感器到磁信标的相对俯仰角为也是坐标原点o到p点的距离op与z轴正半轴的夹角。则相对方位角θ为：令α为最优特征矢量与z轴的夹角，则有：根据夹角α与相对俯仰角之间的关系式：可计算出相对俯仰角为：仿真验证举例：对基于特征矢量的旋转磁场快速定位精度进行仿真验证，将本实施例与利用锁相技术辨识特征矢量的方法进行比较。设定磁信标通入的电流频率为20hz，幅值为4a，环境中存在均值为40000nt的常值干扰磁场与均值为0的白噪声。磁信标在整个坐标系中的初始位置(px,py,pz)＝(0,0,0)，目标所在位置分别为(0.735，0.865，1.15)、(0.735，1.165，1.15)和(0.735，1.465，1.15)，相对倾斜角和相对方位角为(44.63°，49.65°)、(53.43°，61.70°)、(54.95°，63.36°)。从待定位目标所安装的磁力计上以1000hz的采样频率采样，按照上述实施方式中步骤s510至步骤s530进行计算，则可得到定向结果如表1所示。表1实际方向角(°)本方法定向结果(°)锁相技术定向结果(°)(44.63,49.65)(44.58,49.59)(44.57,49.59)(50.14,57,75)(50.07,57.70)(50.06,57.71)(54.95,63.36)(54.86,63.47)(54.89,63.33)实例结果表明，本方法能够与锁相技术保持同一精度水平，然而利用锁相辨识技术完成一次定向要求50.8ms，而本方法只需9.7ms，证明本方法能够提高旋转磁场定向的实时性。结合图4所示，本发明还提供一种基于特征矢量的定向装置，包括：磁场传感器3，其用于采集第一时长内多个磁信标在目标位置产生的混合磁场信号，其中，每个所述磁信标由不同频率的正弦信号激励；信号提取单元4，其用于获取指定磁信标的位置坐标和所述正弦信号频率，根据所述混合磁场信号和所述正弦信号频率计算出所述指定磁信标的实际磁场频率；磁场传感器3还用于采集第二时长内的所述混合磁场信号；信号提取单元4还用于根据所述实际磁场频率从所述第二时长内的所述混合磁场信号中，提取出所述指定磁信标在所述目标位置处的磁场信号；定向解算单元5，其用于根据所述指定磁信标的磁场信号解算出所述目标位置与所述指定磁信标的相对俯仰角。这样，通过该装置进行定向时，能够使计算目标位置的相对方位的实时性不受旋转周期大小的限制，能够快速的计算出目标位置的相对方位，提高了旋转磁场定向的实时性，也确保了定向精度。可选的，信号提取单元4包括带通滤波器，用于根据所述磁场频率设定通带频率和阻带频率，对目标位置处采集的第二时长内的所述混合磁场信号进行滤波，提取出所述指定磁信标在所述目标位置处的磁场信号。由于磁场传感器3所采集到的混合磁场信号不仅包括多个磁信标的磁场信号，还包括地磁场以及各种频率的磁干扰，若将采集到的原始磁场信号直接用来进行导航解算，则会导致解算出来的目标位置信息与目标的实际位置信息相差甚远，不能准确得出定向信息。而信号提取单元4中带通滤波器的设置，使得在采集定向计算所需要的磁场信号前，可以利用带通滤波器过滤掉目标位置处地磁场和其他磁信标的干扰杂波，以便从第二时长内的混合磁场信号中精确提取出指定磁信标的磁场信号，提高采集精度。结合图5和图6所示，本发明还提供一种基于特征矢量的定向系统，包括：多个磁信标1，其固定在已知位置，用于产生旋转磁场；信号发生器2，其用于向多个固定到已知位置的所述磁信标1输入不同频率的正弦信号；还包括上述所述的基于特征矢量的定向装置。磁信标1包括功率放大器和双轴正交螺线管，功率放大器的频率调谐到与磁信标1上的正弦信号的频率相同，双轴正交螺线管与功率放大器的输出端相连，将两路正交正弦信号以磁场信号的形式发出。信号发生器2产生两路相互正交的正弦信号，并将该正弦信号传递给磁信标1的两根螺线管中，进而产生旋转磁场；磁场传感器3在正式定向之前先采集第一时长内多个磁信标在目标位置处的混合磁场信号，并发送给信号提取单元4，信号提取单元4获取指定磁信标的位置信号和正弦信号频率，根据所述混合磁场信号和正弦信号频率计算出指定磁信标的实际磁场频率；磁场传感器3采集第二时长内的所述混合磁场信号，并发送给信号提取单元4；信号提取单元4根据所述实际磁场频率从第二时长内的所述混合磁场信号中提取出指定磁信标在所述目标位置处的磁场信号，并将指定磁信标的磁场信号传递给定向解算单元5；定向解算单元5根据指定磁信标的磁场信号计算出磁场旋转面的多个特征矢量，并采用空间直线拟合法和最小二乘迭代法从多个所述特征矢量中解算出最优特征矢量，最后根据最优特征矢量计算出目标位置相对指定磁信标的相对俯仰角，最终得到目标位置的相对方向信息。虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。当前第1页12