CN112461223B - 一种磁力计零偏无关的磁场指纹库生成方法 - Google Patents

Abstract

一种磁力计零偏无关的磁场指纹库生成方法。本发明基于局部区域地磁场强度分量相同且磁场干扰的均值为零的假设，提供一种栅格形式的磁场指纹库生成方法。本发明与现有建库技术相比，简单高效，对手机姿态无要求，无需标定磁力计零偏，无需复杂的模型建立及计算方法，可以很好的解决由于磁力计零偏存在造成磁场数据库不准确的问题，使得磁场数据库更加准确。

Description

一种磁力计零偏无关的磁场指纹库生成方法

技术领域

本发明属于室内定位技术领域，特别涉及一种磁场指纹库生成方法。

背景技术

磁场匹配定位因其无处不在、无需额外布设、隐蔽性好等特点，受到导航定位领域的广泛关注，并已在军事领域发展了几十年。近年来，因基于微电子机械***技术的传感器普及，以及人们对于室内场景中位置服务需求的增长，基于磁场指纹匹配的室内定位***得到快速发展。磁场信息维度越高，包含的信息量越大，磁场匹配定位精度越高。在实际的磁场指纹库构建工作中，常常会因为忘记进行磁力计标定、磁力计标定结果不准确等原因造成磁场指纹库不准确。因此如何快速高效的构建准确的磁场指纹库是一个关键点和亟需解决的问题。

根据有限的调研，磁场指纹库建立的方法主要分别逐点采集和走动采集。逐点采集通过对多个位置进行静态采集及插值得到磁场数据库，指纹库精度高但建库效率低且无法反映出磁场数据库的零偏是否补偿正确；走动采集建库效率较高但存在繁琐的磁力计标定工作。两种建库方式都存在一定弊端，一种精度和效率同时可以满足的磁场指纹库的建立方法仍待提出。

综上，一种可以同时满足磁场指纹库的建立效率及准确性的建库方法需求迫切。本发明在已知建库时的行走轨迹坐标及姿态角的条件下建立栅格磁场数据库，无需提前进行磁力计标定，包括但不限于此应用场景，提出一种快速高效的高维度磁场指纹库生成方法。

发明内容

针对走动采集建库方法存在繁琐的磁力计标定问题，本发明提出了一种磁力计零偏无关的磁场指纹库生成方法。通过姿态角投影分别获取当地坐标系下的参考磁场强度及载体坐标系下的磁力计观测真值后，求得磁力计的零偏。补偿磁力计观测值获得已知位置的准确环境磁场强度观测值后，结合数据采集轨迹坐标建立栅格磁场指纹库。本发明无需借助任何外界设备，无需参数设置，简单高效，具有很好的普适性，同时能够满足高精度高维度指纹库的要求。

本发明采用如下的技术方案：一种磁力计零偏无关的磁场指纹库生成方法，要求行走轨迹的航向角遍历不同方向(如走闭合矩形轨迹或S形轨迹)，在基于局部区域地磁场强度分量相同且磁场干扰的均值为零的假设下，通过姿态投影求得磁力计零偏，并建立磁场指纹库；所述的技术方案包括以下步骤：

步骤1，在建立磁场指纹库的区域行走航向角遍历不同方向的轨迹，通过智能设备采集的传感器数据得到行走轨迹中各个位置的坐标、高精度姿态角及磁场信息；

步骤2，使用步骤1获得的传感器姿态角将所有位置的磁力计原始观测值投影到当地水平坐标系下，并对所有位置的磁场投影分量进行平均，获得当地水平坐标系下的参考磁场强度；

步骤3，结合参考磁场强度和传感器姿态角，将参考磁场强度投影到载体坐标系下，获得磁力计参考观测值；并对所有位置的磁力计原始观测值和参考观测值做差，对每个位置的差值求平均获得磁力计零偏；使用获得的磁力计零偏补偿磁力计原始观测值，获得所有位置的准确环境磁场强度观测值；

步骤4，基于采集的轨迹坐标，设置覆盖磁场数据库区域的最小矩阵，并划分为等大小的栅格，对同一栅格内的磁场强度进行平滑处理；对未采集的区域，使用周围栅格的磁场强度值进行插值填充，最终建立当地坐标系下的磁场栅格指纹库。

进一步的，步骤1中所述位置为三维位置，即北向位置、东向位置和垂向位置；姿态角，即为横滚角、俯仰角和航向角。

进一步的，步骤2的实现方式包括以下子步骤，

21)将所有位置在载体坐标磁场强度投影到当地坐标系下，得到每个位置在当地坐标系下的磁场强度，

22)基于局部区域内人工设施和设备所形成的磁场干扰平均值为零的假设，将每个位置在当地坐标系下的磁场强度的均值作为参考磁场强度，

上式中，下标n表示当地坐标n系，n系是以惯性传感器IMU相位中心为原点，x轴平行于当地水平面指向正北，y轴平行于当地水平面指向正东，z轴垂直于当地水平面向下，三者构成右手系；b表示载体坐标系b系，b系是以惯性传感器IMU相位中心为原点，x轴指向载体前进方向，y轴垂直于x轴指向载体右侧，z轴与x轴和y轴垂直并构成右手系；i表示第i个位置，共计j个；

为每个位置从当地坐标系到载体坐标系的姿态旋转矩阵；M_n,i表示第i个位置在n系下的磁场强度；M_b,i表示第i个位置在b系下的磁场强度；M_{n_ref}表示当地坐标系n系下的参考磁场强度。

进一步的，步骤3中，磁力计原始观测值为磁力计零偏、地球磁场和人工设备或设施形成的磁场干扰的融合磁场强度；参考磁场强度为地球磁场强度在当地水平坐标系下的投影值；磁力计参考观测值为地球磁场在载体坐标下的投影值。

进一步的，步骤3的实现方式包括以下子步骤，

31)将参考磁场强度通过姿态角投影到载体坐标系下的得到各个位置在载体坐标系下的磁力计参考观测值，

M_{n_ref}表示当地坐标系n系下的参考磁场强度；

32)将载体坐标系下的磁力计参考观测值与原始磁力计观测值之差的均值作为磁力计零偏，补偿磁力计观测值获得准确的磁场强度；具体计算方式如下：

式中，

表示b系下的磁力计参考观测值，M_b,i表示磁力计在第i个位置的原始输出；bias表示磁力计的零偏误差；

表示第i个位置补偿零偏后的磁力计观测值。

进一步的，步骤4中，对同一栅格内的磁场强度进行平滑处理，平滑方法包括：平均法、加权平均法、中位值法、最大最小值平均法、去掉最大最小值后平均法、高斯模型法。

进一步的，步骤4中，对未采集的区域，使用周围栅格的磁场强度值进行插值填充，插值方法包括线性内插法、双线性内插法、三次样条内插法、最邻近元法、高斯模型法、克里金法。

进一步的，步骤4的具体实现方式包括以下子步骤，

41)通过姿态角将补偿零偏后的磁力计观测值投影到当地坐标系；

42)将建库区域按照当地坐标系下的东西方向、南北方向划分为均匀的网格，并建立局部坐标系；

43)将采集轨迹的三维位置信息，投影至局部坐标系中，并记录采集轨迹上每个位置点所对应的网格；

44)对单个网格内所有位置点的磁场信息进行平均处理，得到该网格的高维磁场信息，与该网格的位置共同组成磁场指纹；

45)遍历所有网格，若某一网格内不包含磁场信息，利用周围网格的磁场信息进行内插，填补该网格的磁场信息，内插方法具体如下：

a)以需要内插的网格中心为圆心，以n米为半径画圆，完全包含在圆圈内的网格为待选网格，待选网格中含有磁场信息的网格为有效网格；

b)遍历待内插网格的8个方向，即正东、正西、正南、正北、东南、东北、西南、西北，当且仅当正东、正西方向存在有效网格或正南、正北方向存在有效网格时，允许进行内插操作，否则认为待内插网格为磁场指纹库中无效区域；

c)若判断可以进行内插操作，分别取出8个方向上与待内插网格距离最近的有效网格；若某个方向上不存在有效网格，认定与其相对方向上的网格也无效；

d)将有效网格中的磁场信息进行加权平均处理，权重为有效网格中心到待内插网格中心距离的倒数，将权重进行归一化处理后，得到有效网格中的磁场信息；

至此，完成磁场指纹库的生成。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过走动采集的方法构建了北向、东向、高度方向的高维磁场指纹库，建库效率高，操作简单易行，而且指纹库信息维度高。

(2)本发明无需提前进行磁力计标定，在基于局部区域内地磁场强度分量相同且磁场干扰的均值为零的假设下，通过姿态投影求得磁力计零偏，省略了繁琐的磁力计标定过程且标定效果好，操作得到进一步简化。

(3)本发明操作简单，易于实现，无需借助任何外界设备，无需参数设置，简单可行，具有很好的普适性，同时能够满足高精度磁场指纹库的要求。

附图说明

图1为行走轨迹示意图。

图2为磁场指纹库线性插值示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

步骤1，以随意初始姿态持握手机，在建立磁场库的区域行走航向角遍历不同方向(0-360度)的轨迹。例如空旷区域，行走附图1中(a)、(b)形状的路线(S形轨迹)，轨迹间隔根据建库时的插值距离决定；对于狭长走廊，需要沿着走廊外圈走一圈，如果走廊宽度较大，则需要根据建库时的内插距离适当地在中间添加采集路线，行走轨迹如附图1中(c)、(d)(矩形轨迹)。使用专利“一种室内定位指纹的采集方法”所述的方法获取行形轨迹中各个位置的坐标；通过专利“MEMS陀螺自动标定方法”所述的方法获取行走过程中手机在各个位置的高精度姿态角；建库期间保持手机姿态稳定，完成磁场信息的采集；

步骤2，根据步骤1得到的姿态角，通过姿态投影得到当地坐标系下的参考磁场强度；

而且，步骤2的实现方式包括以下子步骤，

21)将所有位置在载体坐标磁场强度投影到当地坐标系下，得到每个位置在当地坐标系下的磁场强度，

22)基于局部区域内人工设施和设备所形成的磁场干扰平均值为零的假设，将每个位置在当地坐标系下的磁场强度的均值为参考磁场强度，

上式中，下标n表示当地坐标n系，n系是以惯性传感器IMU相位中心为原点，x轴平行于当地水平面指向正北，y轴平行于当地水平面指向正东，z轴垂直于当地水平面向下，三者构成右手系；b表示载体坐标系b系，b系是以惯性传感器IMU相位中心为原点，x轴指向载体前进方向，y轴垂直于x轴指向载体右侧，z轴与x轴和y轴垂直并构成右手系；i表示第i个位置，共计j个；

为每个位置从当地坐标系到载体坐标系的姿态旋转矩阵；M_n,i表示第i个位置在n系下的磁场强度；M_b,i表示磁力计在第i个位置的原始输出；M_{n_ref}表示当地坐标系n系下的参考磁场强度。

步骤3，根据步骤2中得到的当地水平坐标系下的参考磁场强度获得磁力计参考观测值，求得磁力计零偏并补偿磁力计观测值；

而且，步骤3的实现方式包括以下子步骤，

31)将参考磁场强度通过姿态角投影到载体坐标系下的得到各个位置在载体坐标系下的磁力计参考观测值，

式中，

为当地坐标系到载体坐标系的姿态旋转矩阵。

32)将载体坐标系下的磁力计参考观测值与原始磁力计观测值之差的均值作为磁力计零偏，补偿磁力计观测值获得准确的磁场强度。具体计算方式如下：

式中，

表示b系下的磁力计参考观测值；bias表示磁力计的零偏误差；

表示第i个位置补偿零偏后的磁力计观测值。

至此，得到较为准确的磁力计观测值。

步骤4，根据数据采集轨迹坐标设置覆盖磁场数据库区域的最小矩阵，将建库区域划分为等大小的栅格。对栅格内的磁场强度进行平均处理，未采集到磁场强度的区域则使用相邻栅格的磁场强度进行内插，建立当地坐标系下的磁场栅格指纹库；

而且，步骤4的实现方式包括以下子步骤，

41)通过姿态角将补偿零偏后的磁力计观测值投影到当地坐标系；

42)将建库区域按照当地坐标系下的东西方向、南北方向划分为均匀的网格，并建立局部坐标系；

43)将采集轨迹的三维位置信息，投影至局部坐标系中，并记录采集轨迹上每个位置点所对应的网格；

44)对单个网格内所有位置点的磁场信息进行平均处理，得到该网格的高维磁场信息，与该网格的位置共同组成磁场指纹；

45)遍历所有网格，若某一网格内不包含磁场信息，利用周围网格的磁场信息进行内插，填补该网格的磁场信息，内插方法具体如下：

a)以需要内插的网格中心为圆心，以1.5米为半径画圆，完全包含在圆圈内的网格为待选网格，待选网格中含有磁场信息的网格为有效网格。假定图2中中心无数字的灰色网格为待内插网格，圆圈的半径为1.5m。则网格1～网格8为待选网格，其中带有灰色数字的网格1～网格6中含有磁场信息，为有效网格；带有黑色数字的网格7～网格8不含有磁场信息，为无效网格。

b)遍历待内插网格的8个方向，即正东、正西、正南、正北、东南、东北、西南、西北，当且仅当正东、正西方向存在有效网格或正南、正北方向存在有效网格时，允许进行内插操作，否则认为待内插网格为磁场指纹库中无效区域。图2中网格2(正北)和网格6(正南)均为有效网格，可以进行内插操作。

c)若判断可以进行内插操作，分别取出8个方向上与待内插网格距离最近的有效网格；若某个方向上不存在有效网格，认定与其相对方向上的网格也无效。图2中网格1～6包含磁场信息，但根据c中的规则，网格1、2、5、6满足相对关系，为有效网格；网格3、4对应的网格7、8为无效网格，不满足相对关系，故从有效网格中将它们剔除。

d)将有效网格中的磁场信息进行加权平均处理，权重为有效网格中心到待内插网格中心距离的倒数。将权重进行归一化处理后，得到有效网格中的磁场信息。

至此，完成磁场指纹库的生成。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种磁力计零偏无关的磁场指纹库生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在建立磁场指纹库的区域行走，每次数据采集行走的轨迹，其航向角遍历不同方向，通过智能设备采集的传感器数据得到行走轨迹中各个位置的坐标、高精度姿态角及磁场信息；

步骤2，使用步骤1获得的姿态角将所有位置的磁力计原始观测值投影到当地水平坐标系下，并对所有位置的磁场投影分量进行平均，获得当地水平坐标系下的参考磁场强度；

步骤3，结合参考磁场强度和姿态角，将参考磁场强度投影到载体坐标系下，获得磁力计参考观测值；并对所有位置的磁力计原始观测值和参考观测值做差，对每个位置的差值求平均获得磁力计零偏；使用获得的磁力计零偏补偿磁力计原始观测值，获得所有位置准确的环境磁场强度观测值；

步骤4，基于行走的轨迹坐标，设置覆盖磁场数据库区域的最小矩阵，并划分为等大小的栅格，对同一栅格内的磁场强度进行平滑处理；对未采集的区域，使用周围栅格的磁场强度值进行插值填充，建立当地坐标系下的磁场栅格指纹库。

2.根据权利要求1所述一种磁力计零偏无关的磁场指纹库生成方法，其特征在于：步骤1中所述位置为三维位置，即北向位置、东向位置和垂向位置；姿态角，即为横滚角、俯仰角和航向角。

3.根据权利要求1所述一种磁力计零偏无关的磁场指纹库生成方法，其特征在于：步骤2的实现方式包括以下子步骤，

21)将所有位置在载体坐标系的磁场强度投影到当地坐标系下，得到每个位置在当地坐标系下的磁场强度，

22)基于局部区域内人工设施和设备所形成的磁场干扰平均值为零的假设，将所有位置在当地坐标系下的磁场强度的均值作为参考磁场强度，

上式中，下标n表示当地坐标n系，n系是以惯性传感器IMU相位中心为原点，x轴平行于当地水平面指向正北，y轴平行于当地水平面指向正东，z轴垂直于当地水平面向下，三者构成右手系；b表示载体坐标系b系，b系是以惯性传感器IMU相位中心为原点，x轴指向载体前进方向，y轴垂直于x轴指向载体右侧，z轴与x轴和y轴垂直并构成右手系；i表示第i个位置，共计j个；

为第i个位置从当地坐标系到载体坐标系的姿态旋转矩阵；M_n，i表示第i个位置在n系下的磁场强度；M_b，i表示磁力计在第i个位置的原始输出；M_{n_ref}表示当地坐标系n系下的参考磁场强度。

4.根据权利要求1所述一种磁力计零偏无关的磁场指纹库生成方法，其特征在于：步骤3中，磁力计原始观测值为磁力计零偏、地球磁场和人工设备或设施形成的磁场干扰的融合磁场强度；参考磁场强度为地球磁场强度在当地水平坐标系下的投影值；磁力计参考观测值为地球磁场在载体器坐标下的投影值。

5.根据权利要求1所述一种磁力计零偏无关的磁场指纹库生成方法，其特征在于：步骤3的实现方式包括以下子步骤，

31)将参考磁场强度通过姿态角投影到载体坐标系下的得到各个位置在载体坐标系下的磁力计参考观测值，

M_{n_ref}表示当地坐标系n系下的参考磁场强度；

32)将载体坐标系下的磁力计参考观测值与原始磁力计观测值之差的均值作为磁力计零偏，补偿磁力计观测值获得准确的磁场强度；具体计算方式如下：

式中，

表示载体坐标b系下的磁力计参考观测值，M_b，i表示磁力计在第i个位置的原始输出；bias表示磁力计的零偏误差；

表示第i个位置补偿零偏后的磁力计观测值。

6.根据权利要求1所述一种磁力计零偏无关的磁场指纹库生成方法，其特征在于：步骤4中，对同一栅格内的磁场强度进行平滑处理，平滑方法包括：平均法、加权平均法、中位值法、最大最小值平均法、去掉最大最小值后平均法、高斯模型法。

7.根据权利要求1所述一种磁力计零偏无关的磁场指纹库生成方法，其特征在于：步骤4中，对未采集的区域，使用周围栅格的磁场强度值进行插值填充，插值方法包括线性内插法、双线性内插法、三次样条内插法、最邻近元法、高斯模型法、克里金法。

8.根据权利要求1所述一种磁力计零偏无关的磁场指纹库生成方法，其特征在于：步骤4的具体实现方式包括以下子步骤，

41)通过姿态角将补偿零偏后的磁力计观测值投影到当地坐标系；

42)将建库区域按照当地坐标系下的东西方向、南北方向划分为均匀的网格，并建立局部坐标系；

43)将采集轨迹的三维位置信息，投影至局部坐标系中，并记录采集轨迹上每个位置点所对应的网格；

44)对单个网格内所有位置点的磁场信息进行平均处理，得到该网格的高维磁场信息，与该网格的位置共同组成磁场指纹；

45)遍历所有网格，若某一网格内不包含磁场信息，利用周围网格的磁场信息进行内插，填补该网格的磁场信息，内插方法具体如下：

a)以需要内插的网格中心为圆心，以n米为半径画圆，完全包含在圆圈内的网格为待选网格，待选网格中含有磁场信息的网格为有效网格；

b)遍历待内插网格的8个方向，即正东、正西、正南、正北、东南、东北、西南、西北，当且仅当正东、正西方向存在有效网格或正南、正北方向存在有效网格时，允许进行内插操作，否则认为待内插网格为磁场指纹库中无效区域；

c)若判断可以进行内插操作，分别取出8个方向上与待内插网格距离最近的有效网格；若某个方向上不存在有效网格，认定与其相对方向上的网格也无效；

d)将有效网格中的磁场信息进行加权平均处理，权重为有效网格中心到待内插网格中心距离的倒数，将权重进行归一化处理后，得到有效网格中的磁场信息。

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