一种基于隐马尔科夫模型的室内地磁定位方法技术

本发明专利技术涉及一种基于隐马尔科夫模型的室内地磁定位方法，包括离线阶段和在线阶段，离线阶段包括：根据地图把待定位区域分成网格；使用智能手机内置的磁力计在每个网格中心RP测量地磁场强度数据；构建离线指纹库，离线指纹库由N个指纹构成，每个指纹数据包括指纹位置lw＝[xw,yx]和指纹向量ξw＝[μw,σw]，在线定位包括：根据步长估计与磁力计确定步伐长度Di和运动方向角度Φi，预测行人位置；计算状态转移概率；估计行人步行i步之后的位置。本发明专利技术仅通过智能手机即可达到较高的室内定位精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于利用地磁信息进行行人室内定位的领域，特别是针对室内复杂环境下的定位问题。
技术介绍
高精度且普遍适用的室内定位在各个领域已经显得越来越重要了。为此，很多科研工作者已经提出了很多定位技术，如基于到达时间(TOA)、基于到达角度(AOA)、基于到达的相位差(PDOA)、基于接收信号能量(RSS)、惯性导航以及前面几种方法的融合等。此外，用于室内定位的信号类型也越来越多，如WiFi、UWB、Zigbee等，这些方法已经取得了非常好的定位结果。然而，现有的定位方法大部分都需要额外的硬件支持，并且由于无线信号会被人体吸收，在人群密集的时候无线信号会非常微弱甚至接收不到导致定位系统在实际应用中定位效果不佳。如今，很多研究者把目光转向了地磁场。地磁场作为地球的固有资源，是一个矢量场，具有全天时、全天候以及全地域的特征。地磁场不受人体的影响并且室内地磁场的分布主要由建筑物结构决定，而地磁场在建筑物结构确定之后非常稳定，因此地磁场有潜力应用于高精度且普遍适用的室内定位。由于受到室内复杂环境的影响，尤其是钢筋混凝土的影响，室内地磁场复杂多变，而这种变化的地磁异常场恰好可以作为一种与位置对应的指纹信息进行匹配定位。其实，地磁场已经广泛的用于室内定位了。一种方法是在惯性导航系统中利用磁场辨别运动方向。另外一种方法是把地磁场强度作为一种指纹利用指纹法进行定位。一些研究者在惯性导航系统的帮助下，采用动态时间规划(DTW)算法对连续时刻的地磁场强度信息序列进行匹配定位。这种方法可以达到很高的定位精度，但是这种方法只适用于走廊这样狭长的区域进行定位。还有一些研究者利用粒子滤波把地磁强度信息与惯性导航进行融合，这种方法在实际定位过程中需要大量的计算来达到较高的定位精度。尽管地磁场已经广泛的应用于室内定位，但仍有问题没有处理的很好，首先地磁场强度非常微弱(大约只有几十uT)，其次对于指纹法来说，利用单一地磁场强度作为指纹来区分不同位置的分辨率太低。虽然三轴磁力计可以获得三维的地磁场数据，很自然的想到利用全部三轴的地磁场强度来提高地磁指纹的分辨率，但实际上，磁力计采集的三个数据会随着传感器坐标系的变化而变化，因此，在室内可以利用的只有总的磁场强度。
技术实现思路
针对目前基于地磁场室内定位技术中的地磁场信号微弱以及分辨率较低很难应用于指纹法定位的问题，本专利技术提供一种增加地磁指纹信息的分辨率，获得较好的定位精度的室内地磁定位方法。本专利技术的技术方案如下：一种基于隐马尔科夫模型的室内地磁定位方法，包括离线阶段和在线阶段，离线数据采集阶段包括以下步骤：1)根据地图把待定位区域分成网格，Bw为第w个网格；2)使用智能手机内置的磁力计在每个网格中心RP测量地磁场强度数据；3)构建离线指纹库，离线指纹库由N个指纹构成，每个指纹数据包括指纹位置lw＝[xw,yx]和指纹向量ξw＝[μw,σw]，其中μw和σw分别为在第w个网格内采集的地磁场数据的平均值和方差，L表示所有网格中心RP组成的集合，L＝{lw|1≤w≤N本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于隐马尔科夫模型的室内地磁定位方法，包括离线阶段和在线阶段，离线数据采集阶段包括以下步骤：1)根据地图把待定位区域分成网格，Bw为第w个网格；2)使用智能手机内置的磁力计在每个网格中心RP测量地磁场强度数据；3)构建离线指纹库，离线指纹库由N个指纹构成，每个指纹数据包括指纹位置lw＝[xw,yx]和指纹向量ξw＝[μw,σw]，其中μw和σw分别为在第w个网格内采集的地磁场数据的平均值和方差，L表示所有网格中心RP组成的集合，L＝{lw|1≤w≤N}；在线定位阶段包括以下步骤：1)令上一次定位的结果为位置表示人步行i步之后的位置，当检测到人步行一步，根据步长估计与磁力计确定步伐长度Di和运动方向角度Φi，认为Di与Φi相互独立并服从高斯分布，分别计算Di与Φi的概率分布；利用贝叶斯准则，预测行人位置的概率分布求行人位置的概率分布大于pT的集合H：H={l|p(li=l|l^i-1,Di,Φi)≥pT},]]>其中pT为设置的阈值概率l为人员当前可能存在的位置；2)计算状态转移概率：设在行人步行i步之后存储的地磁强度值序列为Oi：其中oi‑k+1为第i‑k+1步时测得的地磁信息；a.计算H和L的交集为H'，其中li,j表示行人在步行i步之后可能存在的位置，可能存在的位置总数为NP：H′={li,j|li,j∈H,li,j∈L}={li,1,li,2,...,li,NP};]]>b.根据运动信息对于每个位置li,j＝(xi,j,yi,j)预测之前的Ns个位置，横坐标为xi,j，纵坐标为yi,j，Ns为序列的长度，li,j,k＝(xi,j,k,yi,j,k)表示通过PDR来预测的li,j之前的第k个位置：xi,j,k=xi,j-Σt=i-k+1idt·cosφt,0≤k<Ns,]]>yi,j,k=yi,j-Σt=i-k+1idt·sinφt,0≤k<Ns;]]>c.在离线指纹库的指纹位置lw中寻找距离li,j,k最近的点，并且分别存储该网格中心RP的均值与方差为μi,j,k和σi,j,k；d.对于每一个li,j构建两个后向序列：和e.认定地磁场强度观测值符合以真实值为中心的高斯分布，计算在位置li,j,k出现地磁场强度oi‑k+1的概率：f.对于每个可能的位置li,j，计算观测值概率bi,jg.对每一个可能存在的位置li,j计算状态转移概率ai,j；3)将ai,j作为权重估计行人步行i步之后的位置。...

【技术特征摘要】
1.一种基于隐马尔科夫模型的室内地磁定位方法，包括离线阶段和在线阶段，离线数据采集阶段包括以下步骤：1)根据地图把待定位区域分成网格，Bw为第w个网格；2)使用智能手机内置的磁力计在每个网格中心RP测量地磁场强度数据；3)构建离线...

【专利技术属性】
技术研发人员：马永涛，窦智，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12