专利名称：基于室内磁场特征辅助的行人惯性定位系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及惯性导航和室内定位领域，具体地，涉及一种基于室内磁场特征辅助的行人惯性定位系统。
背景技术：
空间中分布着由地磁南指向地磁北的地磁场。地磁场在室内环境下受到建筑物钢筋混凝土结构和室内电机、电器的共同影响，形成大小和方向偏离原始地磁场的异常。这种磁场异常即使经过数月也很稳定，可以用来作为定位的依据。目前的研究和专利将磁场信息用于定位大多基于机器人的应用，定位时逐点匹配磁场数据库。现有的室内定位方案具有以下缺陷:1、现有的室内定位系统需要信标的支持。如基于RFID或者Wifi的接收的信号强度指示(RSSI)、基于超声波或者基于超宽带的定位方式都需要额外信标的支持，很多情况下要事先知道信标的位置才能进行定位。2、现有的室内定位系统获取定位信号所需的能耗较高。现有技术使用视频系统来获取定位信息意味着能耗较高，在便携设备中不能进行长时间的定位工作。3、现有定位设备成本较高。一些融合系统采用了距离传感器，气压传感器等器件摄像头等设备成本较高。

发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于室内磁场特征辅助的行人惯性定位系统。根据本发明的一个方面，提供一种基于室内磁场特征辅助的行人惯性定位系统，包括:磁场及惯性数据获取模块100、行人航位推算模块101、磁场定位模块102、定位融合模块103和输出模块104，其中，磁场及惯性数据获取模块100用以采集磁场信息数据、以及行人的加速度和角速度信息数据；行人航位推算模块101与磁场及惯性数据获取模块100连接，用以根据加速度和角速度数据判断行人行走的步数，每一步的步长以及每一步的方向，并推算出行人从起点开始的行走路径，得到惯性位置、速度和姿态信息；磁场定位模块102分别与磁场及惯性数据获取模块100和行人航位推算模块101连接，用以根据磁场信息、以及惯性位置、速度和姿态信息建立磁场特征库并定位实时磁场特征；定位融合模块103分别与行人航位推算模块101和磁场定位模块102连接，用以对惯性定位信息和磁场特征定位信息进行融合，得到最终的定位结果，并将定位结果发送至输出模块104 ；输出模块104与定位融合模块103连接，用以接收定位结果，并将定位结果发送至显示设备上进行显示。优选地，磁场及惯性数据获取模块100安装在行人脚部，其包括:三轴磁力计1001、三轴加速度计1002、三轴陀螺仪1003和标定模块1004，三轴加速度计1002和三轴陀螺仪1003用以测量行人脚部在运动中的加速度和各种转动的角速度，三轴磁力计1001测量传感器坐标系中的三轴磁场大小，标定模块1004用以对加速度、角速度和磁场信息进行标定并输出。优选地，三轴磁力计1001的采样频率不低于100Hz。优选地，行人航位推算模块101包括零速检测模块1011、扩展卡尔曼滤波模块1012、以及位置和姿态惯性解算模块1013，零速检测模块1011利用磁场及惯性数据获取模输出的角速度信息来判断脚部是否处于静止的状态，并输出当时是否为零速的标识，同时零速检测模块接收位置和姿态惯性解算模块1013输出的速度信息，并在检测到零速时将速度的误差量传递给扩展卡尔曼滤波 模块1012 ;扩展卡尔曼滤波模块1012以零速时加速度和角速度的零偏为误差状态量，并输出误差状态量至位置和姿态惯性解算模块1013，位置和姿态惯性解算模块1013根据接收到的误差状态量和磁场及惯性数据获取模块100输出的加速度和角速度测量值输出惯性解算位置、速度、以及姿态信息。优选地，磁场定位模块102包括:地磁检测模块1021、磁场特征库1022和地磁特征提取模块1023，地磁检测模块1021根据磁场及惯性数据获取模块100输出的磁场信息以及位置和姿态惯性解算模块1013输出的惯性解算姿态，将磁场矢量旋转到东北天坐标系中；地磁特征提取模块1023在零速检测模块1011检测到行人脚部运动时对地磁检测模块输出的磁场数据进行采样，提取出磁场特征，并将磁场特征与磁场特征库1022中的特征进行匹配，继而得出磁场特征定位结果，即行人所在位置的概率。优选地，地磁特征提取模块1023采集满128点或者256点数据后，将数据段中的东北天向磁场分量或磁场幅值做离散傅立叶变化和离散小波变化来获取频域特性；同时，将数据段经过动态时间扭曲Dynamic Time Warping和隐性马尔可夫模型来提取其时域特征。优选地，地磁特征提取模块1023根据地磁检测模块1023输入的东北天向磁场和行人航位推算模块101输出的零速标识来提取磁场特征。优选地，定位融合模块103采用粒子滤波的方式模拟一定数量的粒子，通过粒子状态和权重的更新来估计行人的位置，其包括:粒子状态更新模块1031、粒子权重更新模块1032和重采样模块1033，状态更新模块1031将行人航位推算模块101输出的每一步步长的大小和方向加上合适的零均值高斯误差以更新粒子的状态；粒子权重更新模块1032使用磁场定位模块输出的行人位置更新粒子的权重；重采样模块1033评估有效粒子的数目，若有效粒子数目低于一定阈值，进行重采样以保证足够有效粒子的数目，具体为:复制权重大的粒子，并将所有粒子的权重置为1/N，每一次粒子权重更新后，所有粒子的加权平均定位结果既是定位融合模块103融合的定位结果输出。优选地，有效粒子的数目为:
权利要求
1.一种基于室内磁场特征辅助的行人惯性定位系统，其特征在于，包括:磁场及惯性数据获取模块(100)、行人航位推算模块(101)、磁场定位模块(102)、定位融合模块(103)和输出模块(104)，其中， 所述磁场及惯性数据获取模块(100)用以采集磁场信息数据、以及行人的加速度和角速度信息数据； 所述行人航位推算模块(101)与所述磁场及惯性数据获取模块(100)连接，用以根据所述加速度和角速度数据判断行人行走的步数，每一步的步长以及每一步的方向，并推算出行人从起点开始的行走路径，得到惯性解算的位置、速度和姿态信息； 所述磁场定位模块(102)分别与所述磁场及惯性数据获取模块(100)和行人航位推算模块(101)连接，用以根据所述磁场信息、以及惯性解算的位置、速度和姿态信息建立磁场特征库并定位实时磁场特征； 所述定位融合模块(103)分别与所述行人航位推算模块(101)和磁场定位模块(102)连接，用以对所述惯性定位信息和磁场特征定位信息进行融合，得到最终的定位结果，并将定位结果发送至所述输出模块(104)； 所述输出模块(104)与所述定位融合模块(103)连接，用以接收定位结果，并将所述定位结果发送至显示设备上进行显示。
2.根据权利要求1所述的基于室内磁场特征辅助的行人惯性定位系统，其特征在于，所述磁场及惯性数据获取模块(100)安装在行人脚部，其包括:三轴磁力计(1001)、三轴加速度计(1002)、三轴陀螺仪(1003)和标定模块(1004)，所述三轴加速度计(1002)和三轴陀螺仪(1003)用以测量行人脚部在运动中的加速度和各种转动的角速度，所述三轴磁力计(1001)测量传感器坐标系中的三轴磁场大小，所述标定模块(1004)用以对所述加速度、角速度和磁场信息进行标定并输出。
3.根据权利要求2所述的基于室内磁场特征辅助的行人惯性定位系统，其特征在于，所述三轴磁力计(1001)的采样频率不低于IOOHz。
4.根据权利要求1所述的基于室内磁场特征辅助的行人惯性定位系统，其特征在于，所述行人航位推算模块(101)包括零速检测模块(1011)、扩展卡尔曼滤波模块(1012)、以及位置和姿态惯性解算模块(1013)，所述零速检测模块(1011)利用磁场及惯性数据获取模输出的角速度信息来判断脚部是否处于静止的状态，并输出当时是否为零速的标识，同时零速检测模块(1011)接收位置和姿态惯性解算模块(1013)输出的速度信息，并在检测到零速时将速度的误差量传递给扩展卡尔曼滤波模块(1012);扩展卡尔曼滤波模块(1012)以零速时加速度和角速度的零偏为误差状态量，并输出误差状态量至所述位置和姿态惯性解算模块(1013)，所述位置和姿态惯性解算模块(1013)根据接收到的误差状态量和磁场及惯性数据获取模块(100)输出的加速度和角速度测量值输出惯性解算位置、速度、以及姿态信息。
5.根据权利要求1所述的基于室内磁场特征辅助的行人惯性定位系统，其特征在于，所述磁场定位模块(102)包括:地磁检测模块(1021)、磁场特征库(1022)和地磁特征提取模块(1023)，所述地磁检测模块(1021)根据所述磁场及惯性数据获取模块(100)输出的磁场信息以及位置和姿态惯性解 算模块(1013)输出的惯性解算姿态，将磁场矢量旋转到东北天坐标系中；所述地磁特征提取模块(1023)在所述零速检测模块(1011)检测到行人脚部运动时对所述地磁检测模块输出的磁场数据进行采样，提取出磁场特征，并将磁场特征与磁场特征库(1022)中的特征进行匹配，继而得出磁场特征定位结果，即行人所在位置的概率。
6.根据权利要求5所述的基于室内磁场特征辅助的行人惯性定位系统，其特征在于，所述地磁特征提取模块(1023)采集满128点或者256点数据后，将数据段中的东北天向磁场分量或者磁场幅值做离散傅立叶变化和离散小波变化来获取频域特性；同时，将数据段经过动态时间扭曲和隐性马尔可夫模型来提取其时域特征。
7.根据权利要求5所述的基于室内磁场特征辅助的行人惯性定位系统，其特征在于，所述地磁特征提取模块(1023)根据所述地磁检测模块(1023)输入的东北天向磁场和行人航位推算模块(101)输出的零速标识来提取磁场特征。
8.根据权利要求1所述的基于室内磁场特征辅助的行人惯性定位系统，其特征在于，所述定位融合模块(103)采用粒子滤波的方式模拟一定数量的粒子，通过粒子状态和权重的更新来估计行人的位置，其包括:粒子状态更新模块(1031)、粒子权重更新模块(1032)和重采样模块(1033)，所述状态更新模块(1031)将所述行人航位推算模块(101)输出的每一步步长的大小和方向加上合适的零均值高斯误差以更新粒子的状态；所述粒子权重更新模块(1032)使用磁场定位模块输出的行人位置更新粒子的权重；所述重采样模块(1033)评估有效粒子的数目，若有效粒子数目 低于一定阈值，进行重采样以保证足够有效粒子的数目，具体为: 复制权重大的粒子，并将所有粒子的权重置为1/N，每一次粒子权重更新后，所有粒子的加权平均定位结果既是定位融合模块(103)融合的定位结果输出。
9.根据权利要求8所述的基于室内磁场特征辅助的行人惯性定位系统，其特征在于，所述有效粒子的数目为:
10.根据权利要求1所述的基于室内磁场特征辅助的行人惯性定位系统，其特征在于，所述显示设备包括手机、电脑、以及其它便携视频显示设备。
全文摘要
本发明提供了一种基于室内磁场特征辅助的行人惯性定位系统，包括磁场及惯性数据获取模块，用于采集磁场、加速度和角速度信息；磁场定位模块，用于建立磁场特征库并实时对磁场矢量序列进行时频分析提取时频特征，与磁场特征库匹配进行磁场特征定位；行人航位推算模块，利用行走时脚部速度间断为零，更新加速度和角速度零偏，判断行走的步数，并计算每一步的步长以及方向；定位融合模块，使用粒子滤波的方式融合磁场特征定位结果和行人航位推算惯性定位结果；输出模块，用于在网页和终端上显示定位结果。本发明具有定位不基于信标，定位终端成本和能耗低，定位结果精确并且可适应环境变动的特点。
文档编号G01C21/16GK103175529SQ20131006662
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月1日 优先权日2013年3月1日
发明者马嘉斌, 钱久超, 张凯渊, 邹耀, 刘佩林, 赵恒 , 周燕, 汪自翔 申请人:上海美迪索科电子科技有限公司