專利名稱：基于室內(nèi)磁場(chǎng)特征輔助的行人慣性定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及慣性導(dǎo)航和室內(nèi)定位領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于室內(nèi)磁場(chǎng)特征輔助的行人慣性定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
空間中分布著由地磁南指向地磁北的地磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)在室內(nèi)環(huán)境下受到建筑物鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和室內(nèi)電機(jī)、電器的共同影響，形成大小和方向偏離原始地磁場(chǎng)的異常。這種磁場(chǎng)異常即使經(jīng)過(guò)數(shù)月也很穩(wěn)定，可以用來(lái)作為定位的依據(jù)。目前的研究和專利將磁場(chǎng)信息用于定位大多基于機(jī)器人的應(yīng)用，定位時(shí)逐點(diǎn)匹配磁場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)?，F(xiàn)有的室內(nèi)定位方案具有以下缺陷:1、現(xiàn)有的室內(nèi)定位系統(tǒng)需要信標(biāo)的支持。如基于RFID或者Wifi的接收的信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)、基于超聲波或者基于超寬帶的定位方式都需要額外信標(biāo)的支持，很多情況下要事先知道信標(biāo)的位置才能進(jìn)行定位。2、現(xiàn)有的室內(nèi)定位系統(tǒng)獲取定位信號(hào)所需的能耗較高?，F(xiàn)有技術(shù)使用視頻系統(tǒng)來(lái)獲取定位信息意味著能耗較高，在便攜設(shè)備中不能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的定位工作。3、現(xiàn)有定位設(shè)備成本較高。一些融合系統(tǒng)采用了距離傳感器，氣壓傳感器等器件攝像頭等設(shè)備成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于室內(nèi)磁場(chǎng)特征輔助的行人慣性定位系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種基于室內(nèi)磁場(chǎng)特征輔助的行人慣性定位系統(tǒng)，包括:磁場(chǎng)及慣性數(shù)據(jù)獲取模塊100、行人航位推算模塊101、磁場(chǎng)定位模塊102、定位融合模塊103和輸出模塊104，其中，磁場(chǎng)及慣性數(shù)據(jù)獲取模塊100用以采集磁場(chǎng)信息數(shù)據(jù)、以及行人的加速度和角速度信息數(shù)據(jù)；行人航位推算模塊101與磁場(chǎng)及慣性數(shù)據(jù)獲取模塊100連接，用以根據(jù)加速度和角速度數(shù)據(jù)判斷行人行走的步數(shù)，每一步的步長(zhǎng)以及每一步的方向，并推算出行人從起點(diǎn)開始的行走路徑，得到慣性位置、速度和姿態(tài)信息；磁場(chǎng)定位模塊102分別與磁場(chǎng)及慣性數(shù)據(jù)獲取模塊100和行人航位推算模塊101連接，用以根據(jù)磁場(chǎng)信息、以及慣性位置、速度和姿態(tài)信息建立磁場(chǎng)特征庫(kù)并定位實(shí)時(shí)磁場(chǎng)特征；定位融合模塊103分別與行人航位推算模塊101和磁場(chǎng)定位模塊102連接，用以對(duì)慣性定位信息和磁場(chǎng)特征定位信息進(jìn)行融合，得到最終的定位結(jié)果，并將定位結(jié)果發(fā)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(jié)果，并將定位結(jié)果發(fā)送至顯示設(shè)備上進(jìn)行顯示。優(yōu)選地，磁場(chǎng)及慣性數(shù)據(jù)獲取模塊100安裝在行人腳部，其包括:三軸磁力計(jì)1001、三軸加速度計(jì)1002、三軸陀螺儀1003和標(biāo)定模塊1004，三軸加速度計(jì)1002和三軸陀螺儀1003用以測(cè)量行人腳部在運(yùn)動(dòng)中的加速度和各種轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，三軸磁力計(jì)1001測(cè)量傳感器坐標(biāo)系中的三軸磁場(chǎng)大小，標(biāo)定模塊1004用以對(duì)加速度、角速度和磁場(chǎng)信息進(jìn)行標(biāo)定并輸出。優(yōu)選地，三軸磁力計(jì)1001的采樣頻率不低于100Hz。優(yōu)選地，行人航位推算模塊101包括零速檢測(cè)模塊1011、擴(kuò)展卡爾曼濾波模塊1012、以及位置和姿態(tài)慣性解算模塊1013，零速檢測(cè)模塊1011利用磁場(chǎng)及慣性數(shù)據(jù)獲取模輸出的角速度信息來(lái)判斷腳部是否處于靜止的狀態(tài)，并輸出當(dāng)時(shí)是否為零速的標(biāo)識(shí)，同時(shí)零速檢測(cè)模塊接收位置和姿態(tài)慣性解算模塊1013輸出的速度信息，并在檢測(cè)到零速時(shí)將速度的誤差量傳遞給擴(kuò)展卡爾曼濾波 模塊1012 ;擴(kuò)展卡爾曼濾波模塊1012以零速時(shí)加速度和角速度的零偏為誤差狀態(tài)量，并輸出誤差狀態(tài)量至位置和姿態(tài)慣性解算模塊1013，位置和姿態(tài)慣性解算模塊1013根據(jù)接收到的誤差狀態(tài)量和磁場(chǎng)及慣性數(shù)據(jù)獲取模塊100輸出的加速度和角速度測(cè)量值輸出慣性解算位置、速度、以及姿態(tài)信息。優(yōu)選地，磁場(chǎng)定位模塊102包括:地磁檢測(cè)模塊1021、磁場(chǎng)特征庫(kù)1022和地磁特征提取模塊1023，地磁檢測(cè)模塊1021根據(jù)磁場(chǎng)及慣性數(shù)據(jù)獲取模塊100輸出的磁場(chǎng)信息以及位置和姿態(tài)慣性解算模塊1013輸出的慣性解算姿態(tài)，將磁場(chǎng)矢量旋轉(zhuǎn)到東北天坐標(biāo)系中；地磁特征提取模塊1023在零速檢測(cè)模塊1011檢測(cè)到行人腳部運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)地磁檢測(cè)模塊輸出的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，提取出磁場(chǎng)特征，并將磁場(chǎng)特征與磁場(chǎng)特征庫(kù)1022中的特征進(jìn)行匹配，繼而得出磁場(chǎng)特征定位結(jié)果，即行人所在位置的概率。優(yōu)選地，地磁特征提取模塊1023采集滿128點(diǎn)或者256點(diǎn)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)段中的東北天向磁場(chǎng)分量或磁場(chǎng)幅值做離散傅立葉變化和離散小波變化來(lái)獲取頻域特性；同時(shí)，將數(shù)據(jù)段經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)時(shí)間扭曲Dynamic Time Warping和隱性馬爾可夫模型來(lái)提取其時(shí)域特征。優(yōu)選地，地磁特征提取模塊1023根據(jù)地磁檢測(cè)模塊1023輸入的東北天向磁場(chǎng)和行人航位推算模塊101輸出的零速標(biāo)識(shí)來(lái)提取磁場(chǎng)特征。優(yōu)選地，定位融合模塊103采用粒子濾波的方式模擬一定數(shù)量的粒子，通過(guò)粒子狀態(tài)和權(quán)重的更新來(lái)估計(jì)行人的位置，其包括:粒子狀態(tài)更新模塊1031、粒子權(quán)重更新模塊1032和重采樣模塊1033，狀態(tài)更新模塊1031將行人航位推算模塊101輸出的每一步步長(zhǎng)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(tài)；粒子權(quán)重更新模塊1032使用磁場(chǎng)定位模塊輸出的行人位置更新粒子的權(quán)重；重采樣模塊1033評(píng)估有效粒子的數(shù)目，若有效粒子數(shù)目低于一定閾值，進(jìn)行重采樣以保證足夠有效粒子的數(shù)目，具體為:復(fù)制權(quán)重大的粒子，并將所有粒子的權(quán)重置為1/N，每一次粒子權(quán)重更新后，所有粒子的加權(quán)平均定位結(jié)果既是定位融合模塊103融合的定位結(jié)果輸出。優(yōu)選地，有效粒子的數(shù)目為:
權(quán)利要求
1.一種基于室內(nèi)磁場(chǎng)特征輔助的行人慣性定位系統(tǒng)，其特征在于，包括:磁場(chǎng)及慣性數(shù)據(jù)獲取模塊(100)、行人航位推算模塊(101)、磁場(chǎng)定位模塊(102)、定位融合模塊(103)和輸出模塊(104)，其中， 所述磁場(chǎng)及慣性數(shù)據(jù)獲取模塊(100)用以采集磁場(chǎng)信息數(shù)據(jù)、以及行人的加速度和角速度信息數(shù)據(jù)； 所述行人航位推算模塊(101)與所述磁場(chǎng)及慣性數(shù)據(jù)獲取模塊(100)連接，用以根據(jù)所述加速度和角速度數(shù)據(jù)判斷行人行走的步數(shù)，每一步的步長(zhǎng)以及每一步的方向，并推算出行人從起點(diǎn)開始的行走路徑，得到慣性解算的位置、速度和姿態(tài)信息； 所述磁場(chǎng)定位模塊(102)分別與所述磁場(chǎng)及慣性數(shù)據(jù)獲取模塊(100)和行人航位推算模塊(101)連接，用以根據(jù)所述磁場(chǎng)信息、以及慣性解算的位置、速度和姿態(tài)信息建立磁場(chǎng)特征庫(kù)并定位實(shí)時(shí)磁場(chǎng)特征； 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(chǎng)定位模塊(102)連接，用以對(duì)所述慣性定位信息和磁場(chǎng)特征定位信息進(jìn)行融合，得到最終的定位結(jié)果，并將定位結(jié)果發(fā)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(jié)果，并將所述定位結(jié)果發(fā)送至顯示設(shè)備上進(jìn)行顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于室內(nèi)磁場(chǎng)特征輔助的行人慣性定位系統(tǒng)，其特征在于，所述磁場(chǎng)及慣性數(shù)據(jù)獲取模塊(100)安裝在行人腳部，其包括:三軸磁力計(jì)(1001)、三軸加速度計(jì)(1002)、三軸陀螺儀(1003)和標(biāo)定模塊(1004)，所述三軸加速度計(jì)(1002)和三軸陀螺儀(1003)用以測(cè)量行人腳部在運(yùn)動(dòng)中的加速度和各種轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，所述三軸磁力計(jì)(1001)測(cè)量傳感器坐標(biāo)系中的三軸磁場(chǎng)大小，所述標(biāo)定模塊(1004)用以對(duì)所述加速度、角速度和磁場(chǎng)信息進(jìn)行標(biāo)定并輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于室內(nèi)磁場(chǎng)特征輔助的行人慣性定位系統(tǒng)，其特征在于，所述三軸磁力計(jì)(1001)的采樣頻率不低于IOOHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于室內(nèi)磁場(chǎng)特征輔助的行人慣性定位系統(tǒng)，其特征在于，所述行人航位推算模塊(101)包括零速檢測(cè)模塊(1011)、擴(kuò)展卡爾曼濾波模塊(1012)、以及位置和姿態(tài)慣性解算模塊(1013)，所述零速檢測(cè)模塊(1011)利用磁場(chǎng)及慣性數(shù)據(jù)獲取模輸出的角速度信息來(lái)判斷腳部是否處于靜止的狀態(tài)，并輸出當(dāng)時(shí)是否為零速的標(biāo)識(shí)，同時(shí)零速檢測(cè)模塊(1011)接收位置和姿態(tài)慣性解算模塊(1013)輸出的速度信息，并在檢測(cè)到零速時(shí)將速度的誤差量傳遞給擴(kuò)展卡爾曼濾波模塊(1012);擴(kuò)展卡爾曼濾波模塊(1012)以零速時(shí)加速度和角速度的零偏為誤差狀態(tài)量，并輸出誤差狀態(tài)量至所述位置和姿態(tài)慣性解算模塊(1013)，所述位置和姿態(tài)慣性解算模塊(1013)根據(jù)接收到的誤差狀態(tài)量和磁場(chǎng)及慣性數(shù)據(jù)獲取模塊(100)輸出的加速度和角速度測(cè)量值輸出慣性解算位置、速度、以及姿態(tài)信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于室內(nèi)磁場(chǎng)特征輔助的行人慣性定位系統(tǒng)，其特征在于，所述磁場(chǎng)定位模塊(102)包括:地磁檢測(cè)模塊(1021)、磁場(chǎng)特征庫(kù)(1022)和地磁特征提取模塊(1023)，所述地磁檢測(cè)模塊(1021)根據(jù)所述磁場(chǎng)及慣性數(shù)據(jù)獲取模塊(100)輸出的磁場(chǎng)信息以及位置和姿態(tài)慣性解 算模塊(1013)輸出的慣性解算姿態(tài)，將磁場(chǎng)矢量旋轉(zhuǎn)到東北天坐標(biāo)系中；所述地磁特征提取模塊(1023)在所述零速檢測(cè)模塊(1011)檢測(cè)到行人腳部運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)所述地磁檢測(cè)模塊輸出的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，提取出磁場(chǎng)特征，并將磁場(chǎng)特征與磁場(chǎng)特征庫(kù)(1022)中的特征進(jìn)行匹配，繼而得出磁場(chǎng)特征定位結(jié)果，即行人所在位置的概率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于室內(nèi)磁場(chǎng)特征輔助的行人慣性定位系統(tǒng)，其特征在于，所述地磁特征提取模塊(1023)采集滿128點(diǎn)或者256點(diǎn)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)段中的東北天向磁場(chǎng)分量或者磁場(chǎng)幅值做離散傅立葉變化和離散小波變化來(lái)獲取頻域特性；同時(shí)，將數(shù)據(jù)段經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)時(shí)間扭曲和隱性馬爾可夫模型來(lái)提取其時(shí)域特征。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于室內(nèi)磁場(chǎng)特征輔助的行人慣性定位系統(tǒng)，其特征在于，所述地磁特征提取模塊(1023)根據(jù)所述地磁檢測(cè)模塊(1023)輸入的東北天向磁場(chǎng)和行人航位推算模塊(101)輸出的零速標(biāo)識(shí)來(lái)提取磁場(chǎng)特征。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于室內(nèi)磁場(chǎng)特征輔助的行人慣性定位系統(tǒng)，其特征在于，所述定位融合模塊(103)采用粒子濾波的方式模擬一定數(shù)量的粒子，通過(guò)粒子狀態(tài)和權(quán)重的更新來(lái)估計(jì)行人的位置，其包括:粒子狀態(tài)更新模塊(1031)、粒子權(quán)重更新模塊(1032)和重采樣模塊(1033)，所述狀態(tài)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(zhǎng)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(tài)；所述粒子權(quán)重更新模塊(1032)使用磁場(chǎng)定位模塊輸出的行人位置更新粒子的權(quán)重；所述重采樣模塊(1033)評(píng)估有效粒子的數(shù)目，若有效粒子數(shù)目 低于一定閾值，進(jìn)行重采樣以保證足夠有效粒子的數(shù)目，具體為: 復(fù)制權(quán)重大的粒子，并將所有粒子的權(quán)重置為1/N，每一次粒子權(quán)重更新后，所有粒子的加權(quán)平均定位結(jié)果既是定位融合模塊(103)融合的定位結(jié)果輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于室內(nèi)磁場(chǎng)特征輔助的行人慣性定位系統(tǒng)，其特征在于，所述有效粒子的數(shù)目為:
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于室內(nèi)磁場(chǎng)特征輔助的行人慣性定位系統(tǒng)，其特征在于，所述顯示設(shè)備包括手機(jī)、電腦、以及其它便攜視頻顯示設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于室內(nèi)磁場(chǎng)特征輔助的行人慣性定位系統(tǒng)，包括磁場(chǎng)及慣性數(shù)據(jù)獲取模塊，用于采集磁場(chǎng)、加速度和角速度信息；磁場(chǎng)定位模塊，用于建立磁場(chǎng)特征庫(kù)并實(shí)時(shí)對(duì)磁場(chǎng)矢量序列進(jìn)行時(shí)頻分析提取時(shí)頻特征，與磁場(chǎng)特征庫(kù)匹配進(jìn)行磁場(chǎng)特征定位；行人航位推算模塊，利用行走時(shí)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(shù)，并計(jì)算每一步的步長(zhǎng)以及方向；定位融合模塊，使用粒子濾波的方式融合磁場(chǎng)特征定位結(jié)果和行人航位推算慣性定位結(jié)果；輸出模塊，用于在網(wǎng)頁(yè)和終端上顯示定位結(jié)果。本發(fā)明具有定位不基于信標(biāo)，定位終端成本和能耗低，定位結(jié)果精確并且可適應(yīng)環(huán)境變動(dòng)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01C21/16GK103175529SQ20131006662
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月1日
發(fā)明者馬嘉斌, 錢久超, 張凱淵, 鄒耀, 劉佩林, 趙恒 , 周燕, 汪自翔 申請(qǐng)人:上海美迪索科電子科技有限公司