一种基于智能终端的地磁匹配与PDR融合的室内定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于智能终端的地磁匹配与PDR融合的室内定位方法，用户仅使用智能终端就能定位，利用智能终端低廉的传感器设备进行采集数据，不需要额外布设设备和定位设备，价格低廉，定位方式简单。采用行人航位推算与地磁匹配定位融合，弥补了行人航位推算的累积误差与地磁匹配时间过长的缺点，同时提高了单一定位方式的精度和效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于智能终端的地磁匹配与PDR融合的室内定位方法
本专利技术涉及室内定位领域，具体涉及一种利用智能终端(手机、平板)获取自带的多种传感器数据对用户进行室内融合定位的方法。
技术介绍
全球导航定位系统(GNSS)可以提供高精度的室外位置服务，在社会发展起到了重要的作用，但是由于卫星信号容易受到建筑物的遮挡，难以在室内环境下利用北斗、GPS技术进行定位。室内定位技术无疑是解决位置服务(LBS)的“最后一米”难题的关键。随着半导体技术及其微芯片技术的不断发展，智能终端设备上集成越来越多的传感器设备，主要包括加速度传感器、磁力传感器、陀螺仪、无线网卡等，这些传感器逐渐应用于室内定位技术中，常见的室内定位主要包括蓝牙、Wifi定位和Zigbee。但这些定位技术都需要在建筑物内部布设外部设备如Wifi的AP点、iBeacon等外部设备，增加了室内定位设备的成本，限制了这些定位技术的推广；同时，由于在室内的无线信号容易受到建筑物内部结构的干扰，使得这些定位性能的技术大幅度下降。行人航位推算技术(PDR)和地磁匹配定位技术都具有无需布设外部设备，仅仅依靠智能终端进行定位，节约资源。行人航位推算在短距离的精度比较高，但是在长距离定位会存在累积误差，影响定位精度。不少国内外的学者研究行人航位推算大都是采用特制的穿戴式设备，即使有人利用智能手机定位也是将手机与行人保持固定的姿势，不符合行人日常生活中使用手机的习惯。地磁场是地球本身具有的属性，在任何位置均有地磁信息，是一个矢量场，具有全天候、全地域的特点。地磁场值与地理坐标存在着对应关系，这就使得地磁匹配定位技术成为可能。在室外环境下地磁场的大小存在着比较微小的差异，由于建筑物混凝土结构的影响，会对地磁场强产生影响，使得室内环境下的磁场强度会有明显的差异，且室内磁场比较稳定，适合于低精度的磁场传感器。现有的磁场匹配定位技术中主要采用的基于总磁场强度作为匹配量，没考虑到磁场分量的作为匹配量。地磁匹配定位技术具有不存在误差累积，但是会存在磁场磁值近似的点，影响匹配的精度。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术旨在提供一种基于智能终端的地磁匹配与PDR融合的室内定位方法，采用地磁匹配与行人航位推算融合的定位技术，减少了匹配的时间，同时纠正了航位推算的位置误差累积，解决在室内环境下利用智能终端对行人位置的确定。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于智能终端的地磁匹配与PDR融合的室内定位方法，包括如下步骤：步骤一、建立地磁指纹库S1.1校准智能终端中的磁力传感器、加速度传感器和陀螺仪；并且采用十二位置法校准智能终端的电子罗盘，求解出电子罗盘的标定因数和零度误差，对智能终端的三轴的地磁值进行改正；S1.2使用智能终端的磁力传感器和加速度传感器在每个网格点按照一定的频率采集地磁场的强度和姿态角，利用坐标转换将机身坐标系下X轴、Y轴、Z轴的地磁值转换到地理坐标系下X轴、Y轴、Z轴的地磁值S1.3根据建筑物的室内平面图，将待测区域内部按照设定的边长划分为若干个网格，计算出每个网格的地磁的模值，并且采集每个网格在设定时长内的地理坐标系下X轴、Y轴、Z轴的地磁值并计算出对应的地磁的模值，然后算出每个网格点在所述设定时长内采集得到的所有X轴、Y轴、Z轴的地磁值的均值以及所有对应的地磁的模值的均值；建立地磁指纹库，所述地磁指纹库中的数据包含每个网格点的X轴、Y轴、Z轴的地磁值的均值、地磁的模值的均值以及该网格的位置坐标；步骤二、在线定位S2.1利用地磁匹配定位获取起始点的位置坐标；S2.2获取智能终端的偏航角Ψm；S2.3求解出智能终端与行人运动方向的夹角Ψα，并利用步骤S2.2中获取的智能终端的偏航角Ψm，求解出最终用于行人航位推算的航向角Ψn＝Ψm-Ψα；S2.4根据行人的加速度和角速度利用改进的自相关计步算法得到行人的计步：2.4.1)对行人的加速度和角速度数据进行一阶低通滤波和二次平滑处理；2.4.2)对行人的运动特征提取分析，求出加速度序列的标准差和自相关系数；2.4.3)设置加速度、角速度标准差的阈值，根据阈值的大小判断行人运动或是静止；2.4.4)遍历搜寻波峰，动态设置阈值，通过阈值的大小和相邻波峰的时间差判断计算步数；2.4.5)采用步频步长模型进行步长计算，其具体的计算公式为：Sk＝A+B*amax+C*f+D*h；其中，A、B、C、D为步长线性回归参数，Sk为第k步的步长值，amax为第k步内加速度的最大值，f为步频、h为行人身高；S2.5一旦确定行人前进一步后，根据步骤S2.3得到的航向角和步骤2.4.5)计算得到的步长值预估行人的位置，同时，采用平均绝对值算法，地磁的模值和Y轴的地磁值作为匹配量，以预估位置为圆心，3倍网格的长度为半径，对五个连续的地磁模值进行匹配，取两个最相近的地磁模值的位置加权计算作为最终的位置坐标(Xi，Yi，Zi)。需要说明的是，步骤S1.1的具体方法为：1.1.1)打开智能终端的开发者模式对磁力传感器、加速度传感器和陀螺仪进行初始化校准；1.1.2)采用十二位置法校准智能终端的电子罗盘，求解出电子罗盘的标定因数和零度误差，具体的计算公式如下所示：式中的Mx、My、Mz为未经改正的的地磁值的测量值，为改正后的地磁值，kx、ky、kz是标度因数，bx、by、bz为零度误差，exy、exz、eyx、eyz、ezx、eyz为磁力传感器与安装基准的误差角。需要说明的是，步骤S1.2的具体步骤为：根据加速度传感器和磁力传感器获取的数值计算出航向角Ψ、横滚角俯仰角θ，通过以下公式将机身坐标系下的地磁值通过姿态转换变为地理坐标系下的地磁值：以上式子中分别为机身坐标系下改正后的X轴、Y轴、Z轴的地磁值，分别为地理坐标系下X轴、Y轴、Z轴的地磁值。需要说明的是，步骤S1.3具体为：1.3.1)采集每个网格点在设定时长内的地理坐标系下X轴、Y轴、Z轴的地磁值并通过如下公式计算出对应的地磁的模值：||Mi||表示第i个网格点，表示第i个网格点的X轴、Y轴、Z轴的地磁值；1.3.2)计算出每个网格采集得到的X轴、Y轴、Z轴的地磁值的均值以及所有模值的均值1.3.3)地磁指纹库的存储的格式为由此建立起地磁值与坐标位置相对应的地磁指纹库；(Xi，Yi，Zi)为第i个网格点的位置坐标，为第i个网格点的地理坐标系下X轴、Y轴和Z轴的地磁值的均值，表示第i个网格点的地磁的模值的平均值。进一步需要说明的是，步骤S1.3中，每个网格的边长为1m；所述设定时长为30秒。需要说明的是，步骤S2.1具体为：在定位的起始位置，对步骤S1.3中得到的地磁指纹库的数据采用K最邻近算法进行聚类，然后分别将地磁的模值、Y轴、X轴的地磁值作为匹配量，利用平均绝对值法进行匹配，设三次匹配的阈值为1.5、0.7、0.7，从匹配的结果中取平均值为起始位置坐标。需要说明的是，步骤S2.2具体为：使用智能终端按照50Hz的采样频率获取线性加速度、旋转角速度和磁场矢量，利用电子罗盘获取智能终端起始的偏航角，将陀螺仪采集的旋转角速度利用四元数法求解出智能终端起始的偏航角；采用互补滤波器算法根据权重不同对电子罗盘获取的偏航角与四元数法获取的偏航角进行融合求解出最优偏航角Ψm。需要说明的是，步骤S本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于智能终端的地磁匹配与PDR融合的室内定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、建立地磁指纹库S1.1校准智能终端中的磁力传感器、加速度传感器和陀螺仪；并且采用十二位置法校准智能终端的电子罗盘，求解出电子罗盘的标定因数和零度误差，对智能终端的三轴的地磁值进行改正；S1.2使用智能终端的磁力传感器和加速度传感器在每个网格点按照一定的频率采集地磁场的强度和姿态角，利用坐标转换将机身坐标系下X轴、Y轴、Z轴的地磁值转换到地理坐标系下X轴、Y轴、Z轴的地磁值

【技术特征摘要】
1.一种基于智能终端的地磁匹配与PDR融合的室内定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、建立地磁指纹库S1.1校准智能终端中的磁力传感器、加速度传感器和陀螺仪；并且采用十二位置法校准智能终端的电子罗盘，求解出电子罗盘的标定因数和零度误差，对智能终端的三轴的地磁值进行改正；S1.2使用智能终端的磁力传感器和加速度传感器在每个网格点按照一定的频率采集地磁场的强度和姿态角，利用坐标转换将机身坐标系下X轴、Y轴、Z轴的地磁值转换到地理坐标系下X轴、Y轴、Z轴的地磁值S1.3根据建筑物的室内平面图，将待测区域内部按照设定的边长划分为若干个网格，计算出每个网格的地磁的模值，并且采集每个网格在设定时长内的地理坐标系下X轴、Y轴、Z轴的地磁值并计算出对应的地磁的模值，然后算出每个网格点在所述设定时长内采集得到的所有X轴、Y轴、Z轴的地磁值的均值以及所有对应的地磁的模值的均值；建立地磁指纹库，所述地磁指纹库中的数据包含每个网格点的X轴、Y轴、Z轴的地磁值的均值、地磁的模值的均值以及该网格的位置坐标；步骤二、在线定位S2.1利用地磁匹配定位获取起始点的位置坐标；S2.2获取智能终端的偏航角Ψm；S2.3求解出智能终端与行人运动方向的夹角Ψα，并利用步骤S2.2中获取的智能终端的偏航角Ψm，求解出最终用于行人航位推算的航向角Ψn＝Ψm-Ψα；S2.4根据行人的加速度和角速度利用改进的自相关计步算法得到行人的计步：2.4.1)对行人的加速度和角速度数据进行一阶低通滤波和二次平滑处理；2.4.2)对行人的运动特征提取分析，求出加速度序列的标准差和自相关系数；2.4.3)设置加速度、角速度标准差的阈值，根据阈值的大小判断行人运动或是静止；2.4.4)遍历搜寻波峰，动态设置阈值，通过阈值的大小和相邻波峰的时间差判断计算步数；2.4.5)采用步频步长模型进行步长计算，其具体的计算公式为：Sk＝A+B*amax+C*f+D*h；其中，A、B、C、D为步长线性回归参数，Sk为第k步的步长值，amax为第k步内加速度的最大值，f为步频、h为行人身高；S2.5一旦确定行人前进一步后，根据步骤S2.3得到的航向角和步骤2.4.5)计算得到的步长值预估行人的位置，同时，采用平均绝对值算法，地磁的模值和Y轴的地磁值作为匹配量，以预估位置为圆心，3倍网格的长度为半径，对五个连续的地磁模值进行匹配，取两个最相近的地磁模值的位置加权计算作为最终的位置坐标(Xi，Yi，Zi)。2.根据权利要求1所述的基于智能终端的地磁匹配与PDR融合的室内定位方法，其特征在于，步骤S1.1的具体方法为：1.1.1)打开智能终端的开发者模式对磁力传感器、加速度传感器和陀螺仪进行初始化校准；1.1.2)采用十二位置法校准智能终端的电子罗盘，求解出电子罗盘的标定因数和零度误差，具体的计算公式如下所示：式中的Mx、My、Mz为未经改正的的地磁值的测量值，为改正后的地磁值，kx、ky、kz是标度因数，bx、by、bz为零度误差，exy、exz、eyx、eyz、ezx、eyz为磁力传感器与安装基准的误差角。3.根据权利要求1所述的智能终端的地磁匹配与PDR融合的室内定位方法，其特征在于，步骤S1.2的具体步骤为：根据加速度传感器和磁力传感器获取的数值计算出航向角Ψ、横滚角俯仰角θ，通过以下公式将机身坐标系下...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈国良，张超，曹晓祥，王睿，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32