室内磁地图的快速建模与可信定位方法与流程

本发明属于磁地图的建模和定位方法技术领域，具体涉及一种室内磁地图的快速建模与可信定位方法。

背景技术：

关于地磁定位，即确定载体/人的位置信息，通常有两种方法。一种是使磁传感器与其它传感器组合使用，典型的是marg传感器，可理解为磁力计、加速度计、速率陀螺这三种传感器(magnetometer,accelerometerandrategyro)，也可理解为测量磁场，角速度与重力(magnetic,angularrateandgravity)的传感器组合。其思想都是获得方向，和载体/人在该方向上运动的距离，即最终得到位置信息。第二种方法是测量并构造一个区域地磁数据库，根据地图匹配等相关算法确定载体/人的位置信息。

显然两种方法各有利弊。方法一，可自主定位，但要求地磁相对稳定，一般只适用于室外等空旷地区。方法二，定位精度相对稳定，定位误差不随时间漂移，但在磁地图建模时费时耗力，需要大量的人工测绘才能获得磁地图，地图的更新和维护难度大，地图匹配算法复杂，定位精度很难提高。但如果一旦突破上述瓶颈，仅利用磁场信息和相关地图匹配算法就能获得准确可靠的载体/人的位置信息，其研究和应用前景十分广阔。理论上，磁地图要求磁指纹特征具有可区分性、可识别性和唯一性，然而磁场是动态的，变化的，易干扰的。考虑到地磁本身存在地磁静日变化现象，同时室内地磁往往因各种软/硬磁干扰(如建筑物的钢筋混凝土结构、电力线和其它电气设备的影响)而导致严重磁场失真。这些原因将导致地磁建模的困难，和基于地磁的定位往往不可信。

已有的方法很难解决室内磁地图建模的效率问题以及定位的可信性问题，因此迫切需要研究快速的磁场建模和可信的定位方法，为导航、定位等诸多相关应用领域提供理论指导和技术支撑。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种室内磁地图的快速建模与可信定位方法，有效解决背景技术中存在的效率问题和可信性问题，对室内磁地图的建模与匹配定位及其广泛的应用给出了指导。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：首先通过人体佩戴marg传感器模块，即走即测，将磁数据与位置戳关联，建立初步磁地图；然后利用迭代差值方法获得精细磁地图，最后利用欧氏距离最小准则进行匹配定位，实现室内磁地图的快速建模与可信定位。

室内磁地图的快速建模方法，包括如下步骤：

定位区域设定；

参考坐标系建立；

marg传感器模块的佩戴或安装：

数据采集；

姿态矩阵计算；

位置戳计算；

磁数据投影到参考坐标系；

磁数据与位置戳关联：

磁地图细化。

进一步地，定位区域设定是指设定所要定位或建模的区域，所述区域是一个大小有限的室内区域，存在磁场失真，可以是规则区域也可以是形状不规则区域。

进一步地，参考坐标系的精度要高于建模精度一个量级以上，优选地，参考坐标系建立是建立右手直角坐标系，更优选地，为东北天坐标系。因为所要定位的区域有限，故不考虑地球曲率、经纬度等信息。

进一步地，marg传感器模块的佩戴或安装是指将marg传感器模块佩戴到人体某部位(如小腿、腰部和头部等)，或者将marg传感器模块安装到可以调整高度的非磁性手推车上；数据采集是指人或者手推车按照l型转弯方式近似均匀地遍历定位区域，在每个采集点静止1到3秒进行数据的采集。

进一步地，姿态矩阵计算是指通过加速度计的输出获得marg传感器模块的俯仰角和横滚角，如式(1)和(2)所示，利用静态航向锁定这一原则，约束静止采集数据期间陀螺航向的漂移，同时根据l型转弯方式这一先验信息约束航向角的漂移，得到修正的航向角，如式(3)所示，三个姿态角构成姿态矩阵如式(4)所示；

roll＝-arctan2(fbx,fbz)(2)

其中fbx,fby,fbz分别表示加速度计x轴，y轴和z轴的输出，单位米/秒²；pitch表示俯仰角，roll表示横滚角；arcsin()是反正弦函数；arctan2()是四象限反正切函数；

其中yaw表示航向角，k与k-1表示时刻，·表示对时间求导，式(3)表明在静止采集数据的时刻，航向角不变；

其中b为载体坐标系，n为参考坐标系。

进一步地，位置戳计算是指通过航迹推算，得到三维位置戳信息，其中航迹推算公式如(5)所示，

其中(xk,yk)和(xk-1,yk-1)分别表示k时刻与k-1时刻的位置；lk-1,k与yawk-1,k分别表示从k-1时刻到k时刻的步长与方向，当给定初始位置(x0,y0)时，就可以根据式(5)进行航迹预算，其中初始位置可以是坐标原点，也可以是参考坐标系中的其它位置。

进一步地，磁数据投影到参考坐标系是借助姿态矩阵将磁力计数据由b系投影到n系，形成参考坐标系下的磁数据，如式(6)所示，

其中mⁿ与m^b分别表示参考坐标系与载体坐标系的三轴磁场强度。

进一步地，磁数据与位置戳关联是指构造含有位置戳的磁地图信息，即磁地图中每个测量点是一个包含三维位置数据、三维磁场强度+磁场模值共七维矢量信息，我们将这七维信息统称为磁点mp，如式(7)所示，

其中x，y，z表示参考坐标系中的位置信息，表示在参考坐标系中的x，y，z三轴磁场强度，分别为东向磁场强度，北向磁场强度和天向磁场强度；mode表示磁场三维矢量的模值；

磁数据与位置戳关联步骤完成后判断数据采集区域是否小于设定定位区域，若是则返回数据采集步骤，若否则进入磁地图细化步骤。

进一步地，磁地图细化是用迭代差值的方法细化磁地图，其中迭代停止的条件是磁地图中相邻磁点之间的欧氏距离在所要求的定位精度附近。所述迭代差值的方法是指若磁地图的定位精度为q，需要磁点间的欧式距离约为q，若每次采集数据点的空间距离为4q(粗糙磁地图的磁点间的欧氏距离为4q)，因此需要2次迭代差值操作。方法如下，针对长度方向的磁点称为行磁点，将宽度方向的磁点称为列磁点。首先进行行磁点的差值，第一次迭代差值操作是将同一行相邻的磁点(左磁点和右磁点)取均值，将结果插入到欧氏距离为2q的位置；第二次迭代差值操作是将第一次迭代差值中插入磁点视为右磁点，取其与原先左磁点的均值，并将结果插入到相对欧氏距离为q的位置；相应地将第一次迭代中插入的磁点视为左磁点，取其与右磁点的均值，并将结果插入到相对欧氏距离为q的位置。然后开始列磁点的差值，第一次迭代差值操作是将同一列相邻的磁点(上磁点和下磁点)取均值，将结果插入到欧氏距离为2q的位置；第二次迭代差值操作是将第一次迭代差值中插入磁点视为下磁点，取其与原先上磁点的均值，并将结果插入到相对欧氏距离为q的位置，相应地将第一次迭代中插入的磁点视为上磁点，取其与下磁点的均值，并将结果插入到相对欧氏距离为q的位置。经过行磁点和列磁点的迭代差值操作，实现了将欧式距离为4q的粗糙磁地图细化为欧氏距离为q的精细磁地图。所述行列差值的顺序可交换，所述欧式距离指的是相邻磁点之间的空间几何距离。

基于室内磁地图的可信定位方法，包括如下步骤：

上述所述的室内磁地图的快速建模方法；

匹配定位；

匹配定位是指利用欧氏距离最小准则进行匹配定位，即遍历整个磁地图，满足下式的即为定位结果，

其中表示新测得磁数据在参考坐标系中的投影，mⁿ表示磁地图中已有的参考磁数据；

“×”表示叉乘，“||”表示求模值，p为零时，表示完全匹配，p<0.05即表示匹配成功。

本发明的有益效果是：首先，本发明创新性地提出了即走即测将磁数据与位置戳关联构建粗糙磁地图，基于marg传感器进行l型航迹推算，快速采集数据和构建磁地图，不仅大大提高了建模效率，而且由于利用加速度计和陀螺仪辅助磁地图建模，得到了三维姿态矩阵，从而不限定佩戴或安装的位置，改善了marg传感器模块的佩戴或安装的便捷性和友好性；其次，利用迭代差值方法对磁地图的进行细化，细化后的磁地图的精度得到改善；最后，本发明提出欧氏距离最小准则进行匹配定位，提高了定位的可信性。本发明与已有的磁地图建模和定位方法相比，数据采集便捷、建模效率高、易更新和维护，定位可信、且匹配定位算法复杂度低，具有广泛的应用前景，如地磁导航、地磁定位、磁地图建模等。

附图说明

图1为本发明室内磁地图的快速建模方法的流程图；

图2为本发明基于室内磁地图的可信定位方法的流程图；

图3为基于pdr方法的磁数据采集示意图；

图4为磁地图东向磁场分布的三维和二维视图；

图5为磁地图北向磁场分布的三维和二维视图；

图6为磁地图天向磁场分布的三维和二维视图；

图7为磁地图磁场模值分布的三维和二维视图；

图8为磁地图细化前后磁点的三维和二维视图；

图9为磁地图细化后的东向磁场分布的三维和二维视图；

图10为磁地图细化后的北向磁场分布的三维和二维视图；

图11为磁地图细化后的天向磁场分布的三维和二维视图；

图12为磁地图细化后的磁场模值分布的三维和二维视图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的内容，下面结合具体实施方法对本发明内容作进一步说明，但本发明的保护内容不局限以下实施例。

本发明旨在提出一种室内磁地图的快速建模与可信定位方法，与已有的磁地图建模和定位方法相比，数据采集便捷、建模效率高、易更新和维护，定位可信、且匹配定位算法复杂度低，具有广泛的应用前景，如地磁导航、地磁定位、磁地图建模等。

实施例1

如图1所示，室内磁地图的快速建模方法包括定位区域设定、参考坐标系建立、marg传感器模块的佩戴或安装、数据采集、姿态矩阵计算、位置戳计算、磁数据投影到参考坐标系、磁数据与位置戳关联、磁地图细化。

定位区域设定是指设定所要定位或建模的区域，该区域通常是一个大小有限的室内区域，存在磁场失真，可以是规则区域也可以是形状不规则区域。

参考坐标系的精度要高于建模精度一个量级以上，优选地，参考坐标系建立是建立右手直角坐标系，更优选地，为东北天坐标系。因为所要定位的区域有限，故不考虑地球曲率、经纬度等信息。

marg传感器模块的佩戴或安装：该步骤需要将marg传感器模块佩戴到人体某部位(如小腿、腰部和头部等)，或者将marg传感器模块安装到可以调整高度的非磁性手推车上。

数据采集要求行人或者手推车按照l型转弯方式近似均匀地遍历定位区域，在每次采集数据时，需要静止1到3秒，这样可以得到稳定的marg传感器数据，包括三轴加速度、三轴角速度和三轴磁场强度数据，便于后续处理。

姿态矩阵计算是指通过加速度计的输出获得marg传感器模块的俯仰角和横滚角，如式(1)和(2)所示，利用静态航向锁定这一原则，约束静止采集数据期间陀螺航向的漂移，同时根据l型转弯方式这一先验信息约束航向角的漂移，得到修正的航向角，如式(3)所示，三个姿态角构成姿态矩阵如式(4)所示；

roll＝-arctan2(fbx,fbz)(2)

其中fbx,fby,fbz分别表示加速度计x轴，y轴和z轴的输出，单位米/秒²；pitch表示俯仰角，roll表示横滚角；arcsin()是反正弦函数；arctan2()是四象限反正切函数；

其中yaw表示航向角，k与k-1表示时刻，·表示对时间求导，式(3)表明在静止采集数据的时刻，航向角不变；

其中b为载体坐标系，n为参考坐标系。

位置戳计算是指通过航迹推算，得到三维位置戳信息，其中航迹推算公式如(5)所示，

其中(xk,yk)和(xk-1,yk-1)分别表示k时刻与k-1时刻的位置；lk-1,k与yawk-1,k分别表示从k-1时刻到k时刻的步长与方向，当给定初始位置(x0,y0)时，就可以根据式(5)进行航迹预算。其中初始位置可以是坐标原点，也可以是参考坐标系中的其它位置。

将磁数据投影到参考坐标系，需借助姿态矩阵将磁力计数据由b系投影到n系，形成参考坐标系下的磁数据，如式(6)所示，

其中mⁿ与m^b分别表示参考坐标系与载体坐标系的三轴磁场强度。

磁数据与位置戳关联是指构造含有位置戳的磁地图信息，即磁地图中每个测量点是一个包含三维位置数据、三维磁场强度+磁场模值共七维矢量信息，我们将这七维信息统称为磁点mp，式(7)所示，

其中x，y，z表示参考坐标系中的位置信息，表示在参考坐标系中的x，y，z三轴磁场强度(若为东北天坐标系则分别为东向磁场强度，北向磁场强度和天向磁场强度)；mode表示磁场三维矢量的模值；

磁数据与位置戳关联步骤完成后判断数据采集区域是否小于设定定位区域，若是则返回数据采集步骤，若否则进入磁地图细化步骤。

磁地图细化是用迭代差值的方法细化磁地图，其中迭代停止的条件是磁地图中相邻磁点之间的欧氏距离在所要求的定位精度附近。所述迭代差值的方法是指若磁地图的定位精度为q，需要磁点间的欧式距离约为q，若每次采集数据点的空间距离为4q(粗糙磁地图的磁点间的欧氏距离为4q)，因此需要2次迭代差值操作。方法如下，针对长度方向的磁点称为行磁点，将宽度方向的磁点称为列磁点。首先进行行磁点的差值，第一次迭代差值操作是将同一行相邻的磁点(左磁点和右磁点)取均值，将结果插入到欧氏距离为2q的位置；第二次迭代差值操作是将第一次迭代差值中插入磁点视为右磁点，取其与原先左磁点的均值，并将结果插入到相对欧氏距离为q的位置；相应地将第一次迭代中插入的磁点视为左磁点，取其与右磁点的均值，并将结果插入到相对欧氏距离为q的位置。然后开始列磁点的差值，第一次迭代差值操作是将同一列相邻的磁点(上磁点和下磁点)取均值，将结果插入到欧氏距离为2q的位置；第二次迭代差值操作是将第一次迭代差值中插入磁点视为下磁点，取其与原先上磁点的均值，并将结果插入到相对欧氏距离为q的位置，相应地将第一次迭代中插入的磁点视为上磁点，取其与下磁点的均值，并将结果插入到相对欧氏距离为q的位置。经过行磁点和列磁点的迭代差值操作，实现了将欧式距离为4q的粗糙磁地图细化为欧氏距离为q的精细磁地图。所述行列差值的顺序可交换，所述欧式距离指的是相邻磁点之间的空间几何距离。

如图2所示，基于室内磁地图的可信定位方法，包括如下步骤：

上述所述的室内磁地图的快速建模方法；

匹配定位；

匹配定位是指利用欧氏距离最小准则进行匹配定位，即遍历整个磁地图，满足下式的即为定位结果，

其中表示新测得磁数据在参考坐标系中的投影，mⁿ表示磁地图中已有的参考磁数据；

“×”表示叉乘，“||”表示求模值，p为零时，表示完全匹配，p<0.05即表示匹配成功。

实施例2

以下实施例中所使用的定位区域是一个长120.9米，宽3.1米，高3米的矩形区域，该矩形区域表示一条走廊。这里要求定位精度为0.5米，粗糙建模精度为1米左右，需要迭代插值一次。值得一提的是，这里在磁地图建模和可信定位时，并不是建立严格的3d磁场模型，建立是的2.5d模型，即在某个方便测量的高度范围内建立磁地图，或者说建立的磁地图只是反映了人或载体在特定三维空间中某个“平面”上的映射，由于测量的误差和一些客观条件的限制(缺少全3d测量的设备)，该“平面”允许高度信息在某个小的范围内变化，如这里采集数据的平均高度为0.4米，实际建模的磁地图的高度值为0.4±0.04米。

实施例3

如图3所示，按照l型方式，基于pdr(人员航迹推算)方法进行磁数据的采集。图中菱形框表示数据采集的点，虚线表示各采集点的连接，反映了采集点的先后顺序。

实施例4

如图4所示，表示磁地图东向磁场强度的三维视图和二维视图。图中的点表示磁点中的东向磁场强度这一分量。从三维视图中可以明显看出，东向磁场强度在不同的位置大小和方向不同，呈现出波峰和波谷。从二维视图中可以明显看出，各磁点分量的东向磁场强度在水平面内投影后色彩浓度不一样(黑白图片的话表现会灰度值不一样)。这些特性表明，磁地图中磁点的东向磁场强度可以作为一种指纹特征用于定位。

实施例5

如图5所示，表示磁地图北向磁场强度的三维视图和二维视图。图中的点表示磁点中的北向磁场强度这一分量。从三维视图中可以明显看出，北向磁场强度在是不同的位置大小和方向不同，呈现出波峰和波谷。从二维视图中可以明显看出，各磁点分量的北向磁场强度在水平面内投影后色彩浓度不一样(黑白图片的话表现会灰度值不一样)。这些特性表明，磁地图中磁点的北向磁场强度可以作为一种指纹特征用于定位。

实施例6

如图6所示，表示磁地图天向磁场强度的三维视图和二维视图。图中的点表示磁点中的天向磁场强度这一分量。从三维视图中可以明显看出，天向磁场强度在是不同的位置大小和方向不同，呈现出波峰和波谷。从二维视图中可以明显看出，各磁点分量的天向磁场强度在水平面内投影后色彩浓度不一样(黑白图片的话表现会灰度值不一样)。这些特性表明，磁地图中磁点的天向磁场强度可以作为一种指纹特征用于定位。

实施例7

如图7所示，表示磁地图磁场模值的三维视图和二维视图。图中的点表示磁点中的磁场模值这一分量。从三维视图中可以明显看出，磁场模值在是不同的位置大小和方向不同，呈现出波峰和波谷。从二维视图中可以明显看出，各磁点分量的磁场模值在水平面内投影后色彩浓度不一样(黑白图片的话表现会灰度值不一样)。这些特性表明，磁地图中磁点的磁场强度可以作为一种指纹特征用于定位。

实施例8

如图8所示，表示磁地图细化前后磁点的三维和二维视图。从三维视图中可见，各磁点的高度值为0.4±0.04米。按照实施例1中的迭代差值的步骤，细化磁地图。细化前后磁点个数由488个增加到1701个，这样实现了对磁地图更为精细的刻画，由于该步骤由算法进行处理，效率远比实际测绘高。通过磁点的细化操作既改善了磁地图构建的精度，为可信定位提供保证，又大大改进了磁地图建模的效率。

实施例9

如图9所示，表示磁地图细化后东向磁场强度的三维视图和二维视图。图中的点表示磁点中的东向磁场强度这一分量。从三维视图中可以明显看出，东向磁场强度在是不同的位置大小和方向不同，呈现出波峰和波谷。从二维视图中可以明显看出，各磁点分量的东向磁场强度在水平面内投影后色彩浓度不一样(黑白图片的话表现会灰度值不一样)。这些特性表明，磁地图中磁点的东向磁场强度可以作为一种指纹特征用于定位。

实施例10

如图10所示，表示磁地图细化后北向磁场强度的三维视图和二维视图。图中的点表示磁点中的北向磁场强度这一分量。从三维视图中可以明显看出，北向磁场强度在是不同的位置大小和方向不同，呈现出波峰和波谷。从二维视图中可以明显看出，各磁点分量的北向磁场强度在水平面内投影后色彩浓度不一样(黑白图片的话表现会灰度值不一样)。这些特性表明，磁地图中磁点的北向磁场强度可以作为一种指纹特征用于定位。

实施例11

如图11所示，表示磁地图细化后天向磁场强度的三维视图和二维视图。图中的点表示磁点中的天向磁场强度这一分量。从三维视图中可以明显看出，天向磁场强度在是不同的位置大小和方向不同，呈现出波峰和波谷。从二维视图中可以明显看出，各磁点分量的天向磁场强度在水平面内投影后色彩浓度不一样(黑白图片的话表现会灰度值不一样)。这些特性表明，磁地图中磁点的天向磁场强度可以作为一种指纹特征用于定位。

实施例12

如图12所示，表示磁地图细化后磁场模值的三维视图和二维视图。图中的点表示磁点中的磁场模值这一分量。从三维视图中可以明显看出，磁场模值在是不同的位置大小和方向不同，呈现出波峰和波谷。从二维视图中可以明显看出，各磁点分量的磁场模值在水平面内投影后色彩浓度不一样(黑白图片的话表现会灰度值不一样)。这些特性表明，磁地图中磁点的磁场强度可以作为一种指纹特征用于定位。

实时例13

如表1所示，基于磁地图的可信定位方法在以下限定的各测试区域下的平均定位精度。

我们对五个区域进行地磁建模与匹配定位测试，这些区域分别是区域1：长20.9米，宽3.1米，高3.0米；区域2：长120.9米，宽3.1米，高3.0米；区域3：长50.0米，宽10.0米，高3.0米；区域4：长400.0米，宽3.0米，高3.0米；区域5：长872米，宽.3.0米，高3.0米。分别在区域1，2，3，4，5测试101个位置，567个位置，707个位置，1869个位置，以及4072个位置，用marg传感器获得每个位置的磁场在参考坐标系下的四个指纹信息(东向磁场强度，北向磁场强度，天向磁场强度和磁场模值)，按照基于欧氏距离最小准则进行匹配定位。分别得到测试区域1下的东向平均定位精度为0.177米，北向定位精度为0.228米，天向定位精度为0.414米，综合定位精度为0.557米；测试区域2的东向平均定位精度为0.175米，北向定位精度为0.214米，天向定位精度为0.397米，综合定位精度为0.536米；测试区域3的东向平均定位精度为0.175米，北向定位精度为0.194米，天向定位精度为0.395米，综合定位精度为0.525米；测试区域4的东向平均定位精度为0.176米，北向定位精度为0.226米，天向定位精度为0.405米，综合定位精度为0.552米；测试区域5的东向平均定位精度为0.175米，北向定位精度为0.224米，天向定位精度为0.395米，综合定位精度为0.549米。可见所提出的方法在多个测试区域中均能实现综合平均定位精度优于0.56米，且定位精度相对稳定，不随定位区域变化而变化，所提出的匹配定位方法是可信的。

表1在各测试区域下的平均定位精度

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。