[發(fā)明專利]一種基于地磁圖譜的室內(nèi)定位方法及定位系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710427815.1
• 申請日: 2017-06-08
• 公開（公告）號: CN107270889B
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐平平;胡巨濤;劉俊
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G01C21/08
• 分類號: G01C21/08;G01C21/20
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 鄭晶

1.一種基于地磁圖譜的室內(nèi)定位方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

(1)采集室內(nèi)各區(qū)域的地磁信息，并將地磁信息與其對應(yīng)的位置信息進行存儲形成地磁指紋數(shù)據(jù)庫，包括以下步驟：

(11)將該區(qū)域劃分成若干個給定大小的方格，將每個方格的四個頂點和中心點設(shè)置為參考點，并對每個方格進行位置標(biāo)示；

(12)對于某一方格，利用地磁傳感器在該方格的各參考點分別進行預(yù)設(shè)時長的地磁信號樣本采集，所述地磁傳感器直接采集到的地磁信號樣本為三維地磁信號；

(13)對每個參考點，將在該點處所采集到的地磁信號樣本進行預(yù)處理：首先過濾掉波動幅度超過預(yù)設(shè)門限的樣本，然后計算該參考點每個維度上的平均地磁強度值作為該參考點的三維地磁信息；

(14)對于每個參考點，將該參考點的三維地磁信息進行降維處理：利用重力加速度信息將三維地磁信息轉(zhuǎn)換為二維垂直分量作為二維地磁信息，所述地磁指紋數(shù)據(jù)庫中存儲的地磁信息為二維地磁信息；

(2)實時采集待定位目標(biāo)在室內(nèi)的地磁信息，利用自適應(yīng)遺傳粒子濾波算法對待定位目標(biāo)的地磁信息進行地磁指紋匹配，檢測待定位目標(biāo)的邁步行為，根據(jù)邁步行為進行粒子重要性權(quán)重的更新，對目標(biāo)位置進行實時追蹤；

所述自適應(yīng)遺傳粒子濾波算法進行地磁指紋匹配包括以下步驟：

預(yù)采樣階段：在整個室內(nèi)區(qū)域中隨機產(chǎn)生N個粒子，每個粒子代表用戶位置的一種可能情況，獲取每個粒子的重要性權(quán)重，粒子權(quán)重的大小代表了用戶在該位置的可能性大小；

遺傳操作階段：將在預(yù)采樣階段中得到的重要性權(quán)重作為粒子的適應(yīng)度值；

對于N個粒子進行隨機分組，兩兩一組，對于每組粒子，依據(jù)交叉概率自適應(yīng)公式計算出該組粒子的交叉概率，然后隨機生成一個隨機數(shù)，如果該隨機數(shù)小于或等于該組粒子的交叉概率，該組粒子就進行交叉；

依據(jù)變異概率自適應(yīng)公式計算每個粒子的變異概率，對于每個粒子，隨機生成一個隨機數(shù)，如果該隨機數(shù)小于或等于該粒子的變異概率，則該粒子就進行變異；

粒子個體選擇階段：對經(jīng)過遺傳操作的各粒子重新獲取其重要性權(quán)重，將粒子的重要性權(quán)重作為粒子的適應(yīng)度值，并對所有粒子的重要性權(quán)重進行歸一化處理；

定位結(jié)果確認(rèn)階段：計算所有粒子適應(yīng)度的累計值f_sum；在0和f_sum之間選取一個隨機數(shù)R；逐步將粒子的適應(yīng)度值相加，每次只加一個粒子的適應(yīng)度值，當(dāng)累加和超過R時停止，最后一個被加進來的適應(yīng)度對應(yīng)的粒子為待定位目標(biāo)當(dāng)前所處的室內(nèi)位置；

其中在預(yù)采樣階段，粒子重要性權(quán)重的更新公式為：

式中，是在k-1時刻第i個粒子Xⁱ的重要性權(quán)重，是在k時刻第i個粒子Xⁱ觀測到Z的后驗概率，Z_k表示待定位目標(biāo)在k時刻的地磁信息，后驗概率公式P(z|s)的計算公式為：

式中，z為待定位目標(biāo)實時測量的某一地磁信息，s表示某一粒子，即為所述第i個粒子Xⁱ，obv(s)表示s在地磁指紋數(shù)據(jù)庫中所對應(yīng)的地磁信息，V是z與obv(s)的協(xié)方差，obv(s)獲取具體為：找到粒子s所對應(yīng)的方格，分別計算該方格的五個參考點的地磁信息與z之間協(xié)方差，選擇協(xié)方差最小的那個參考點處的地磁信息作為粒子s所對應(yīng)的地磁信息obv(s)；

所述交叉概率自適應(yīng)公式為：

式中，f'是兩個交叉?zhèn)€體中較大個體所對應(yīng)的適應(yīng)度值，f_avg是種群適應(yīng)度的平均值，f_max是種群中最大適應(yīng)度值，P_c1、P_c2表示P_C的變化范圍，A為調(diào)節(jié)參數(shù)；

所述變異概率自適應(yīng)公式為：

式中，f是變異個體的適應(yīng)度值，P_m1、P_m2表示P_m的變化范圍。

2.一種基于地磁圖譜的室內(nèi)定位系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括服務(wù)器和移動終端；所述服務(wù)器內(nèi)部設(shè)置有存儲單元、地磁指紋匹配單元、信號發(fā)送單元和信號接收單元，存儲單元用于將地磁信息與其對應(yīng)的位置信息進行存儲形成地磁指紋數(shù)據(jù)庫；所述地磁指紋匹配單元用于根據(jù)待定位目標(biāo)發(fā)送的地磁信息在地磁指紋數(shù)據(jù)庫中獲取其對應(yīng)的位置信息；所述信號發(fā)送單元用于向移動終端發(fā)送位置信息；所述信號接收單元用于接收移動終端發(fā)送來的信息；

所述移動終端內(nèi)部設(shè)置有信息采集單元、信息轉(zhuǎn)換單元、無線發(fā)送單元和無線接收單元；所述信息采集單元包括地磁傳感器、重力傳感器和加速度傳感器，用于實時采集用戶所處位置的地磁信息、重力加速度和加速度；所述信息轉(zhuǎn)換單元用于將地磁信息根據(jù)重力加速度信息轉(zhuǎn)換成二維地磁信息，以及通過加速度信息檢測用戶的邁步行為；所述無線發(fā)送單元用于向服務(wù)器發(fā)送轉(zhuǎn)換后的二維地磁信息和邁步行為；所述無線接收單元用于接收服務(wù)器發(fā)送來的位置信息；

所述室內(nèi)定位系統(tǒng)在使用時，首先構(gòu)建地磁指紋數(shù)據(jù)庫，利用移動終端的信息采集單元采集室內(nèi)地磁信息和重力加速度，信息轉(zhuǎn)換單元用于將地磁信息根據(jù)重力加速度信息轉(zhuǎn)換成二維地磁信息，無線發(fā)送單元向服務(wù)器發(fā)送二維地磁信息與其對應(yīng)的位置信息；服務(wù)器的信號接收單元接收移動終端發(fā)送來的信息；存儲單元將接收到的信號進行存儲形成地磁指紋數(shù)據(jù)庫，其中移動終端的信息采集單元和信息轉(zhuǎn)換單元的具體工作過程包括：

(11)將用戶所處位置區(qū)域劃分成若干個給定大小的方格，將每個方格的四個頂點和中心點設(shè)置為參考點，并對每個方格進行位置標(biāo)示；

(12)對于某一方格，利用地磁傳感器在該方格的各參考點分別進行預(yù)設(shè)時長的地磁信號樣本采集，所述地磁傳感器直接采集到的地磁信號樣本為三維地磁信號；

(13)對每個參考點，將在該點處所采集到的地磁信號樣本進行預(yù)處理：首先過濾掉波動幅度超過預(yù)設(shè)門限的樣本，然后計算該參考點每個維度上的平均地磁強度值作為該參考點的三維地磁信息；

(14)對于每個參考點，將該參考點的三維地磁信息進行降維處理：利用重力加速度信息將三維地磁信息轉(zhuǎn)換為二維垂直分量作為二維地磁信息，所述地磁指紋數(shù)據(jù)庫中存儲的地磁信息為二維地磁信息；

所述地磁指紋匹配單元用于根據(jù)待定位目標(biāo)發(fā)送的地磁信息在地磁指紋數(shù)據(jù)庫中獲取其對應(yīng)的位置信息，包括以下步驟：

預(yù)采樣階段：在整個室內(nèi)區(qū)域中隨機產(chǎn)生N個粒子，每個粒子代表用戶位置的一種可能情況，獲取每個粒子的重要性權(quán)重，粒子權(quán)重的大小代表了用戶在該位置的可能性大小；

遺傳操作階段：將在預(yù)采樣階段中得到的重要性權(quán)重作為粒子的適應(yīng)度值；

對于N個粒子進行隨機分組，兩兩一組，對于每組粒子，依據(jù)交叉概率自適應(yīng)公式計算出該組粒子的交叉概率，然后隨機生成一個隨機數(shù)，如果該隨機數(shù)小于或等于該組粒子的交叉概率，該組粒子就進行交叉；

依據(jù)變異概率自適應(yīng)公式計算每個粒子的變異概率，對于每個粒子，隨機生成一個隨機數(shù)，如果該隨機數(shù)小于或等于該粒子的變異概率，則該粒子就進行變異；

粒子個體選擇階段：對經(jīng)過遺傳操作的各粒子重新獲取其重要性權(quán)重，將粒子的重要性權(quán)重作為粒子的適應(yīng)度值，并對所有粒子的重要性權(quán)重進行歸一化處理；

定位結(jié)果確認(rèn)階段：計算所有粒子適應(yīng)度的累計值f_sum；在0和f_sum之間選取一個隨機數(shù)R；逐步將粒子的適應(yīng)度值相加，每次只加一個粒子的適應(yīng)度值，當(dāng)累加和超過R時停止，最后一個被加進來的適應(yīng)度對應(yīng)的粒子為待定位目標(biāo)當(dāng)前所處的室內(nèi)位置；

其中在預(yù)采樣階段，粒子重要性權(quán)重的更新公式為：

式中，是在k-1時刻第i個粒子Xⁱ的重要性權(quán)重，是在k時刻第i個粒子Xⁱ觀測到Z的后驗概率，Z_k表示待定位目標(biāo)在k時刻的地磁信息，后驗概率公式P(z|s)的計算公式為：

式中，z為待定位目標(biāo)實時測量的某一地磁信息，s表示某一粒子，即為所述第i個粒子Xⁱ，obv(s)表示s在地磁指紋數(shù)據(jù)庫中所對應(yīng)的地磁信息，V是z與obv(s)的協(xié)方差，obv(s)獲取具體為：找到粒子s所對應(yīng)的方格，分別計算該方格的五個參考點的地磁信息與z之間協(xié)方差，選擇協(xié)方差最小的那個參考點處的地磁信息作為粒子s所對應(yīng)的地磁信息obv(s)；

所述交叉概率自適應(yīng)公式為：

式中，f'是兩個交叉?zhèn)€體中較大個體所對應(yīng)的適應(yīng)度值，f_avg是種群適應(yīng)度的平均值，f_max是種群中最大適應(yīng)度值，P_c1、P_c2表示P_C的變化范圍，A為調(diào)節(jié)參數(shù)；

所述變異概率自適應(yīng)公式為：

式中，f是變異個體的適應(yīng)度值，P_m1、P_m2表示P_m的變化范圍。