[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(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710427815.1
• 申請(qǐng)日: 2017-06-08
• 公開（公告）號(hào): CN107270889B
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐平平;胡巨濤;劉俊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C21/08
• 分類號(hào): 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(duì)應(yīng)的位置信息進(jìn)行存儲(chǔ)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(gè)給定大小的方格，將每個(gè)方格的四個(gè)頂點(diǎn)和中心點(diǎn)設(shè)置為參考點(diǎn)，并對(duì)每個(gè)方格進(jìn)行位置標(biāo)示；

(12)對(duì)于某一方格，利用地磁傳感器在該方格的各參考點(diǎn)分別進(jìn)行預(yù)設(shè)時(shí)長的地磁信號(hào)樣本采集，所述地磁傳感器直接采集到的地磁信號(hào)樣本為三維地磁信號(hào)；

(13)對(duì)每個(gè)參考點(diǎn)，將在該點(diǎn)處所采集到的地磁信號(hào)樣本進(jìn)行預(yù)處理：首先過濾掉波動(dòng)幅度超過預(yù)設(shè)門限的樣本，然后計(jì)算該參考點(diǎn)每個(gè)維度上的平均地磁強(qiáng)度值作為該參考點(diǎn)的三維地磁信息；

(14)對(duì)于每個(gè)參考點(diǎn)，將該參考點(diǎn)的三維地磁信息進(jìn)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(chǔ)的地磁信息為二維地磁信息；

(2)實(shí)時(shí)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(duì)待定位目標(biāo)的地磁信息進(jìn)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(jìn)行粒子重要性權(quán)重的更新，對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤；

所述自適應(yīng)遺傳粒子濾波算法進(jìn)行地磁指紋匹配包括以下步驟：

預(yù)采樣階段：在整個(gè)室內(nèi)區(qū)域中隨機(jī)產(chǎn)生N個(gè)粒子，每個(gè)粒子代表用戶位置的一種可能情況，獲取每個(gè)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(duì)于N個(gè)粒子進(jìn)行隨機(jī)分組，兩兩一組，對(duì)于每組粒子，依據(jù)交叉概率自適應(yīng)公式計(jì)算出該組粒子的交叉概率，然后隨機(jī)生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)，如果該隨機(jī)數(shù)小于或等于該組粒子的交叉概率，該組粒子就進(jìn)行交叉；

依據(jù)變異概率自適應(yīng)公式計(jì)算每個(gè)粒子的變異概率，對(duì)于每個(gè)粒子，隨機(jī)生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)，如果該隨機(jī)數(shù)小于或等于該粒子的變異概率，則該粒子就進(jìn)行變異；

粒子個(gè)體選擇階段：對(duì)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(duì)所有粒子的重要性權(quán)重進(jìn)行歸一化處理；

定位結(jié)果確認(rèn)階段：計(jì)算所有粒子適應(yīng)度的累計(jì)值f_sum；在0和f_sum之間選取一個(gè)隨機(jī)數(shù)R；逐步將粒子的適應(yīng)度值相加，每次只加一個(gè)粒子的適應(yīng)度值，當(dāng)累加和超過R時(shí)停止，最后一個(gè)被加進(jìn)來的適應(yīng)度對(duì)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(shí)刻第i個(gè)粒子Xⁱ的重要性權(quán)重，是在k時(shí)刻第i個(gè)粒子Xⁱ觀測到Z的后驗(yàn)概率，Z_k表示待定位目標(biāo)在k時(shí)刻的地磁信息，后驗(yàn)概率公式P(z|s)的計(jì)算公式為：

式中，z為待定位目標(biāo)實(shí)時(shí)測量的某一地磁信息，s表示某一粒子，即為所述第i個(gè)粒子Xⁱ，obv(s)表示s在地磁指紋數(shù)據(jù)庫中所對(duì)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(duì)應(yīng)的方格，分別計(jì)算該方格的五個(gè)參考點(diǎn)的地磁信息與z之間協(xié)方差，選擇協(xié)方差最小的那個(gè)參考點(diǎn)處的地磁信息作為粒子s所對(duì)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(gè)交叉?zhèn)€體中較大個(gè)體所對(duì)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(gè)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(dòng)終端；所述服務(wù)器內(nèi)部設(shè)置有存儲(chǔ)單元、地磁指紋匹配單元、信號(hào)發(fā)送單元和信號(hào)接收單元，存儲(chǔ)單元用于將地磁信息與其對(duì)應(yīng)的位置信息進(jìn)行存儲(chǔ)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(duì)應(yīng)的位置信息；所述信號(hào)發(fā)送單元用于向移動(dòng)終端發(fā)送位置信息；所述信號(hào)接收單元用于接收移動(dòng)終端發(fā)送來的信息；

所述移動(dòng)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(shí)時(shí)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(shí)，首先構(gòu)建地磁指紋數(shù)據(jù)庫，利用移動(dòng)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(duì)應(yīng)的位置信息；服務(wù)器的信號(hào)接收單元接收移動(dòng)終端發(fā)送來的信息；存儲(chǔ)單元將接收到的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)形成地磁指紋數(shù)據(jù)庫，其中移動(dòng)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(gè)給定大小的方格，將每個(gè)方格的四個(gè)頂點(diǎn)和中心點(diǎn)設(shè)置為參考點(diǎn)，并對(duì)每個(gè)方格進(jìn)行位置標(biāo)示；

(12)對(duì)于某一方格，利用地磁傳感器在該方格的各參考點(diǎn)分別進(jìn)行預(yù)設(shè)時(shí)長的地磁信號(hào)樣本采集，所述地磁傳感器直接采集到的地磁信號(hào)樣本為三維地磁信號(hào)；

(13)對(duì)每個(gè)參考點(diǎn)，將在該點(diǎn)處所采集到的地磁信號(hào)樣本進(jìn)行預(yù)處理：首先過濾掉波動(dòng)幅度超過預(yù)設(shè)門限的樣本，然后計(jì)算該參考點(diǎn)每個(gè)維度上的平均地磁強(qiáng)度值作為該參考點(diǎn)的三維地磁信息；

(14)對(duì)于每個(gè)參考點(diǎn)，將該參考點(diǎn)的三維地磁信息進(jìn)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(chǔ)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(duì)應(yīng)的位置信息，包括以下步驟：

預(yù)采樣階段：在整個(gè)室內(nèi)區(qū)域中隨機(jī)產(chǎn)生N個(gè)粒子，每個(gè)粒子代表用戶位置的一種可能情況，獲取每個(gè)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(duì)于N個(gè)粒子進(jìn)行隨機(jī)分組，兩兩一組，對(duì)于每組粒子，依據(jù)交叉概率自適應(yīng)公式計(jì)算出該組粒子的交叉概率，然后隨機(jī)生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)，如果該隨機(jī)數(shù)小于或等于該組粒子的交叉概率，該組粒子就進(jìn)行交叉；

依據(jù)變異概率自適應(yīng)公式計(jì)算每個(gè)粒子的變異概率，對(duì)于每個(gè)粒子，隨機(jī)生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)，如果該隨機(jī)數(shù)小于或等于該粒子的變異概率，則該粒子就進(jìn)行變異；

粒子個(gè)體選擇階段：對(duì)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(duì)所有粒子的重要性權(quán)重進(jìn)行歸一化處理；

定位結(jié)果確認(rèn)階段：計(jì)算所有粒子適應(yīng)度的累計(jì)值f_sum；在0和f_sum之間選取一個(gè)隨機(jī)數(shù)R；逐步將粒子的適應(yīng)度值相加，每次只加一個(gè)粒子的適應(yīng)度值，當(dāng)累加和超過R時(shí)停止，最后一個(gè)被加進(jìn)來的適應(yīng)度對(duì)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(shí)刻第i個(gè)粒子Xⁱ的重要性權(quán)重，是在k時(shí)刻第i個(gè)粒子Xⁱ觀測到Z的后驗(yàn)概率，Z_k表示待定位目標(biāo)在k時(shí)刻的地磁信息，后驗(yàn)概率公式P(z|s)的計(jì)算公式為：

式中，z為待定位目標(biāo)實(shí)時(shí)測量的某一地磁信息，s表示某一粒子，即為所述第i個(gè)粒子Xⁱ，obv(s)表示s在地磁指紋數(shù)據(jù)庫中所對(duì)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(duì)應(yīng)的方格，分別計(jì)算該方格的五個(gè)參考點(diǎn)的地磁信息與z之間協(xié)方差，選擇協(xié)方差最小的那個(gè)參考點(diǎn)處的地磁信息作為粒子s所對(duì)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(gè)交叉?zhèn)€體中較大個(gè)體所對(duì)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(gè)體的適應(yīng)度值，P_m1、P_m2表示P_m的變化范圍。