基于地球磁場的室內(nèi)定位系統(tǒng)的研究

熊明亮　刁夢雯　趙國梁

摘要：文章設(shè)計(jì)了基于地磁的室內(nèi)定位系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，介紹了地磁的模型及地磁基準(zhǔn)圖的構(gòu)建。然后介紹了地磁的校正方法以及基于蒙特卡洛方法的粒子濾波地磁匹配算法。文章在粒子濾波的重采樣過程中通過復(fù)制重要粒子以及重新采樣低權(quán)值粒子提高了定位的性能。

關(guān)鍵詞：地磁；室內(nèi)定位；蒙特卡洛；粒子濾波；重采樣

隨著通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)和服務(wù)行業(yè)信息化需求急劇上漲，定位技術(shù)極大地便捷了人們的生產(chǎn)和生活。其中室內(nèi)定位技術(shù)在醫(yī)院、倉庫、博物館、機(jī)場、車站、商場等場合有著極大的應(yīng)用需求。通過使用地球磁場的物理量進(jìn)行室內(nèi)定位具有無源、無輻射、全地域、全天候、體積小、能耗低的優(yōu)勢?；诘卮诺氖覂?nèi)定位技術(shù)包含有地磁傳感、地磁校正、室內(nèi)地磁地圖構(gòu)建及地磁匹配濾波等過程。

1地磁模型及地磁傳感

地磁場是有大小、有方向的矢量，其值可以通過地磁三分量表示。通過地磁三分量可以引出水平強(qiáng)度、地磁總場、磁偏角、磁傾角等信息。這些信息被稱作地磁七要素，均可作為地磁定位的特征量。令X，Y，Z分別為地磁的北向強(qiáng)度、東向強(qiáng)度和垂直強(qiáng)度，如圖1所示。各個(gè)地磁信息之間有著公式l所示的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

公式1中H為水平分量，它與X的夾角D稱為磁偏角。T為地磁總場。地磁總場與水平分量的夾角I被稱作磁傾角。

在室內(nèi)每隔一米作為一次采集節(jié)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)包含X，Y，Z等地磁數(shù)據(jù)，在室內(nèi)采集M*N個(gè)點(diǎn)以制作成室內(nèi)地磁基準(zhǔn)圖。

2地磁傳感校正

由于具有磁性的物體或者是可以影響局部磁場的物體存在，所以磁場傳感器所處的位置的磁場會有偏差，這種影響即地磁干擾。在沒有地磁干擾時(shí)，傳感器繞著Z軸旋轉(zhuǎn)，則水平分量在XY平面內(nèi)總是圖3中綠色部分，即以Z軸為圓心的標(biāo)準(zhǔn)圓。一般來說，我們認(rèn)為地磁干擾γ1在某一點(diǎn)為一恒定的矢量，則實(shí)際測量值α為實(shí)際地磁量β與γ之和。因此實(shí)際測量的地磁量在XOY內(nèi)的投影為圖1中紅色部分，即一個(gè)位移的圓。

因此根據(jù)上述特點(diǎn)可知，我們在某一點(diǎn)通過旋轉(zhuǎn)傳感器采集各個(gè)方向的地磁數(shù)據(jù)，則各個(gè)數(shù)據(jù)在空間直角坐標(biāo)系中可以構(gòu)成一個(gè)位置的球體。根據(jù)公式2可以計(jì)算出球心。于是對于每個(gè)地磁分量減去位移的大小就可以對地磁干擾進(jìn)行校正。針對這種校正原理，一般有繞八字校正法和十面校正法。

3基于地磁的室內(nèi)定位系統(tǒng)

地磁定位系統(tǒng)首先通過傳感器采集磁場數(shù)據(jù)，然后對地磁干擾進(jìn)行球體位移的校正。在磁場傳感的過程中同步采集三軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)，算出翻滾角和俯仰角以進(jìn)行姿態(tài)的矯正。通過所獲取的最終的傳感數(shù)據(jù)建立地磁基準(zhǔn)地圖。在實(shí)際人員行走中，通過一定的條件觸發(fā)一次上述的采集過程，通過匹配算法進(jìn)行濾波并顯示結(jié)果，該過程如圖2所示。

基于地磁的室內(nèi)定位系統(tǒng)由地傳感器、三軸加速度傳感器、主控芯片、鍵盤、顯示器及電源管理模塊組成。

4地磁匹配算法

地磁匹配的算法通過實(shí)時(shí)采集的傳感器所處位置的地磁物理量及人員運(yùn)動的狀態(tài)與預(yù)先采集建立的地磁基準(zhǔn)圖進(jìn)行匹配從而進(jìn)行定位。目前，地磁匹配算法有很多種，有最小距離度量法、相關(guān)度量法和粒子遞推濾波等方法。本文采用的粒子濾波算法基于蒙特卡洛方法，核心思想是通過序列重要性采樣和隨機(jī)近似概率分布遞歸來計(jì)算相關(guān)概率分布。

其方法是先建立地磁基準(zhǔn)地圖，由于條件限制，這里在長30m的走廊只取地磁總場強(qiáng)度作為特征值存入地圖記作M_i，然后通過線性插值后使分辨率為0.1m每個(gè)點(diǎn)。每次的狀態(tài)記作X_t，傳感器所處位置的地磁總場強(qiáng)度記作Z_t，則t時(shí)刻目標(biāo)的重要性函數(shù)為：

（1）重要的粒子復(fù)制，根據(jù)歸一化權(quán)重將權(quán)值大的粒子進(jìn)行多次復(fù)制，將權(quán)值小粒子進(jìn)行刪減。

（2）不重要的粒子重新根據(jù)均勻分布重新采樣，即對權(quán)值進(jìn)行排序，將排序靠后的粒子進(jìn)行重新分布。

5總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于地磁傳感的室內(nèi)定位系統(tǒng)，對基于蒙特卡洛方法的粒子濾波定位算法進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)際測試匹配精度可以穩(wěn)定為2m以內(nèi)。本文中給出的方法的特點(diǎn)是通過提前預(yù)測粒子的運(yùn)動方向以使得粒子的更新更容易收斂。在重新采樣過程中，將不重要的粒子進(jìn)行重新均勻分布以避免經(jīng)過多次濾波后粒子集中在某幾個(gè)原始位置上。在后續(xù)的研究中將提高系統(tǒng)的抗噪性能，并且從人員運(yùn)動狀態(tài)預(yù)測的精度上提高定位的精度。