用于基于磁场地图的定位系统的移动终端及其方法与流程

本申请是申请日为2012年12月06日、申请号为201210519569.x、发明名称为“用于基于磁场地图的定位系统的移动终端及其方法”的发明专利申请的分案申请。

以下描述涉及一种用于基于磁场地图的定位系统的移动终端及其方法。

背景技术：

基于移动通信信号的定位方法可基于连接到终端的小区基站的位置和接近方案，或基于测量终端与终端附近的至少三个小区基站之间的信号传播距离的三角测量，来估计终端的位置。基于无线lan的定位方法可基于终端所属的接入点(ap)的位置估计无线lan终端的位置，或者，基于所述终端附近的ap处的信号的强度来执行通过预先记录的印记的使用的样式匹配，从而估计无线lan终端的位置。基于超宽带(uwb)的定位方法可基于测量终端与产生uwb信号的ap之间的距离的三角测量，来估计终端的位置。

基于磁场地图的定位方法可基于终端的位置处的磁场来估计终端的位置。在该示例中，代表性定位方法可包括卡尔曼滤波器、粒子滤波器(particlefilter)、马尔可夫定位(markovlocalization)及其它类型的方法。所述方法可测量随着移动终端移动而以各种形式改变的环境参数，并且可基于测量的结果估计移动终端的位置。

技术实现要素：

在一个总的方面，提供一种用于基于磁场地图的定位系统的移动终端，包括：存储器，被配置为存储包括按位置的磁场值的磁场地图。所述移动终端还包括：磁场传感器，被配置为测量在移动终端的位置处的磁场值。所述移动终端还包括：惯性测量单元(imu)传感器，被配置为测量移动终端的加速度值和陀螺值。所述移动终端还包括：处理器，被配置为基于磁场地图、磁场值、加速度值和陀螺值确定移动终端的位置。

陀螺值包括移动终端的旋转值和方位值。

处理器包括：磁场值校正器，被配置为基于加速度值和陀螺值校正磁场值。处理器还包括：第一位置估计器，被配置为基于磁场地图和校正的磁场值确定移动终端的位置。

磁场值校正器包括：倾斜误差计算器，被配置为基于加速度值和陀螺值确定移动终端的倾斜误差。磁场值校正器还包括：磁场值校正实现器，被配置为基于倾斜误差校正磁场值。

倾斜误差包括俯仰、横滚和偏航。

处理器包括：第一方向产生器，被配置为基于磁场值和加速度值产生第一方向信息。处理器还包括：第二方向产生器，被配置为基于加速度值和陀螺值产生第二方向信息。处理器还包括：方向信息权重设置单元，被配置为基于第一方向信息和第二方向信息设置方向信息权重。

方向信息权重设置单元被进一步配置为：从第一方向信息的变化减去第二方向信息的变化来确定第一值。方向信息权重设置单元被进一步配置为：如果第一值大于预定阈值，则将方向信息权重设置为第二方向信息。方向信息权重设置单元被进一步配置为：从第二方向信息的变化减去第一方向信息的变化来确定第二值。方向信息权重设置单元被进一步配置为：如果第二值大于预定阈值，则将方向信息权重设置为第一方向信息。

处理器还包括：移动距离计算器，被配置为基于加速度值确定移动终端的移动距离。处理器还包括：第二位置估计器，被配置为基于磁场地图、磁场值、方向信息权重和移动距离确定移动终端的位置。

处理器包括：磁场值校正器，被配置为基于加速度值和陀螺值校正磁场值。处理器还包括：方向信息产生器，被配置为基于校正的磁场值、加速度值和陀螺值设置移动终端的方向信息权重。处理器还包括：移动距离计算器，被配置为基于加速度值确定移动终端的移动距离。处理器还包括：第三位置估计器，被配置为基于磁场地图、校正的磁场值、方向信息权重和移动距离确定移动终端的位置。

处理器被进一步被配置为基于粒子滤波器或卡尔曼滤波器或马尔科夫定位或粒子滤波器、卡尔曼滤波器和马尔科夫定位的任意组合，确定移动终端的位置。

在另一总的方面，提供一种用于移动终端所包括的基于磁场地图的定位系统的定位方法，包括：确定包括按位置的磁场值的磁场地图。所述方法还包括：测量移动终端的位置处的磁场值。所述方法还包括：测量移动终端的加速度值和陀螺值。所述方法还包括：基于磁场地图、磁场值、加速度值和陀螺值确定移动终端的位置。

陀螺值包括移动终端的方位值和旋转值。

确定移动终端的位置的步骤包括：基于加速度值和陀螺值校正磁场值。确定移动终端的位置的步骤还包括：基于磁场地图和校正的磁场值，确定移动终端的位置。

校正的步骤包括：基于加速度值和陀螺值确定移动终端的倾斜误差。校正的步骤还包括：基于倾斜误差校正磁场值。

倾斜误差包括移动终端的俯仰、横滚和偏航。

确定移动终端的位置的步骤包括：基于磁场值和加速度值产生第一方向信息。确定移动终端的位置的步骤还包括：基于加速度值和陀螺值产生第二方向信息。确定移动终端的位置的步骤还包括：基于第一方向信息和第二方向信息设置方向信息权重。

设置的步骤包括：从第一方向信息的变化减去第二方向信息的变化来确定第一值。设置的步骤还包括：如果第一值大于预定阈值，则将方向信息权重设置为第二方向信息。设置的步骤还包括：从第二方向信息的变化减去第一方向信息的变化来确定第二值。设置的步骤还包括：如果第二值大于预定阈值，则将方向信息权重设置为第一方向信息。

确定移动终端的位置的步骤包括：基于加速度值确定移动终端的移动距离。确定移动终端的位置的步骤还包括：基于磁场地图、磁场值、方向信息权重和移动距离确定移动终端的位置。

确定移动终端的位置的步骤包括：基于加速度值和陀螺值校正磁场值。确定移动终端的位置的步骤还包括：基于校正的磁场值、加速度值和陀螺值设置移动终端的方向信息权重。确定移动终端的位置的步骤还包括：基于加速度值确定移动终端的移动距离。确定移动终端的位置的步骤还包括：基于磁场地图、校正的磁场值、方向信息权重和移动距离确定移动终端的位置。

一种非永久性计算机可读存储介质存储包括用于实现所述方法的程序。

从下面的描述、附图和权利要求，其他特征和方面可以是明显的。

附图说明

图1是示出用于基于磁场地图的定位系统的移动终端的示例的框图。

图2是示出基于通过使用惯性测量单元(imu)传感器校正的磁场值，估计移动终端的位置的处理器的示例的框图。

图3是示出基于通过使用imu传感器估计的方向信息和移动距离信息，估计移动终端的位置的处理器的示例的框图。

图4是示出基于通过imu传感器校正的磁场值以及通过使用imu传感器估计的方向信息和移动距离信息，估计移动终端的位置的处理器的示例的框图。

图5是由基于磁场地图的定位系统使用的定位方法的示例的流程图。

除非另外描述，贯穿附图和详细描述，相同的附图标号将被理解为表示相同元件、特征和结构。为了清楚、示出和方便，可夸大这些元件的相对大小和描述。

具体实施方式

提供以下的详细描述，以帮助读者获得在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。因此，在此描述的系统、设备和/或方法的各种改变、修改和等同物将被提供给本领域的普通技术人员。描述的处理步骤和/或操作的进程是示例，但是，处理步骤和/或操作的顺序不限于在此的描述，在步骤和/或操作不是必需以特定顺序发生的前提下，可以以本领域中已知的方式改变处理步骤和/或操作的顺序。此外，为了更加清楚和简明，可省略已知功能和结构的描述。

图1示出用于基于磁场地图的定位系统的移动终端100的示例。移动终端100包括存储器110、磁场传感器120、惯性测量单元(imu)传感器130和处理器140。

存储器110存储与磁场地图相关的信息。磁场地图包括在预定范围的区域(例如，移动终端100的位置的估计将被执行的区域)所包括的位置处预先测量的磁场值。

在该示例中，位置可包括按预定间隔的位置、允许将测量磁场值的位置和/或移动终端100能够到达的位置。另外，位置可包括三维(3d)空间内的位置，而不是在二维(2d)平面内的位置。例如，可利用移动终端100估计室内位置，例如，高层建筑物和其他类型的建筑物的内部。可在高层建筑物的每一层的固定位置(例如，在2d平面视图中观看时的相同位置)处测量磁场值。虽然固定位置在2d平面视图中表现为相同，但是固定位置在3d空间中包括不同的海拔。因此，测量的磁场值互不相同。

另外，存储器110可存储与区域对应的磁场地图。即，存储器110可存储磁场地图以估计区域中的位置。在该示例中，高层建筑物的每一层可被包括在所述区域中。

磁场传感器120测量移动终端100的位置处的磁场值，并且imu传感器130测量移动终端100的加速度值和陀螺值。在该示例中，磁场传感器120可测量与移动终端100的位置对应的包括x轴、y轴和z轴的三个轴中的每一轴的磁场值。imu传感器130可包括用于测量x轴、y轴和z轴的加速度值的加速度计以及用于测量x轴、y轴和z轴的陀螺值的三个陀螺仪。如这里使用的，术语“陀螺值”表示由陀螺仪测量的旋转和方向的值。

处理器140将由磁场传感器120测量的磁场值与存储在存储器110中的磁场地图相比较。基于该比较，处理器140从磁场地图所包括的点当中，将包括与测量的磁场值相似或相同的磁场值的点估计为移动终端100的位置。

当在磁场传感器120测量移动终端100的位置处的磁场值的同时，移动终端100倾斜时，测量的磁场值包括倾斜误差。倾斜误差是由于磁场传感器120的倾斜而包括在测量的磁场值中的误差。在该示例中，倾斜误差可通过三个轴中的每一个轴的旋转的程度来表示。三个轴中的每一个轴的旋转的程度可通过俯仰(pitch)、横滚(roll)和偏航(yaw)来表示。

当移动终端100倾斜时，包括在移动终端100中的磁场传感器120也相应地倾斜。在该示例中，由磁场传感器120所测量的x轴、y轴和z轴中的每一个轴的磁场值与由没有倾斜的磁场传感器所测量的x轴、y轴和z轴中的每一个轴的磁场值不同。磁场传感器120将包括倾斜误差的磁场值提供给处理器140，并且处理器140基于包括倾斜误差的磁场值估计移动终端100的位置。因此，处理器140可不准确地估计移动终端100的位置。

处理器140通过使用imu传感器130来校正磁场传感器120的倾斜误差。即，处理器140基于由imu传感器130测量的加速度值和/或陀螺值校正磁场传感器120的倾斜误差，这将参照图2详细描述。

在进一步的示例中，处理器140可将例如尔曼滤波器、粒子滤波器、马尔可夫定位和/或其它类型的方法用作估计移动终端100的位置的定位方法。当在定位方法(诸如，粒子滤波器)被执行时将被用于估计位置的中间结果值发生误差时，所述方法可不准确地估计位置。定位方法(诸如，粒子滤波器)可基于根据先前的循环估计的位置来执行后续的循环，并且可重复地执行这种处理以估计最终位置。

例如，由于磁场传感器120被外部因素影响，所以可发生在上面描述的方法的缺点。在该示例中，当磁场传感器120测量磁场时，在磁场地图产生时不存在的磁性物质可偶然存在于移动终端100附近。

当在估计移动终端100的位置被估计的同时，由磁场传感器120测量的磁场值被外部因素中断时，将被用于估计位置的中间结果值可存在误差。因此，由处理器140估计的移动终端100的位置还可包括误差。

处理器140通过使用imu传感器130来防止这种误差的发生。处理器140基于由imu传感器130测量的加速度值和陀螺值、存储在存储器110中的磁场地图和由磁场传感器120测量的磁场值来估计移动终端100的移动方向和/或移动距离。因此，当定位方法(诸如，粒子滤波器)被操作时，防止估计的位置改变到与移动终端100的实际位置不同的点。将参照图3提供详细的描述。

图2示出基于通过使用imu传感器校正的磁场值，估计移动终端的位置的处理器的示例。用于基于磁场地图的定位系统的移动终端包括存储器210、磁场传感器220、imu传感器230和处理器240，其分别对应于图1的存储器110、磁场传感器120、imu传感器130和处理器140。处理器240执行定位方法。

更详细地讲，处理器240包括磁场值校正器241和第一位置估计器242。磁场值校正器241基于由imu传感器230测量的加速度值231和陀螺值232校正由磁场传感器220测量的磁场值221。磁场值校正器241包括倾斜误差计算器243，倾斜误差计算器243基于加速度值231和陀螺值232计算移动终端(例如，磁场传感器220)的倾斜误差。磁场值校正器241还包括磁场值校正实现器244，磁场值校正实现器244基于计算的倾斜误差实现测量的磁场值221的校正。

例如，磁场传感器220测量与移动终端的位置对应的x轴、y轴和z轴中的每一个轴处的磁场值221，并且在三个轴测量的磁场值可分别被表示为mx、my和mz。imu传感器230测量在x轴、y轴和z轴中的每一个轴处的加速度值231和陀螺值232。在三个轴测量的加速度值可分别被表示为αx、αy和αz，并且在三个轴测量的陀螺值可分别被表示为ωx、ωy和ωz。

在该示例中，磁场传感器220的倾斜误差可通过移动终端的俯仰θ、横滚和偏航ψ表示。倾斜误差计算器243可分别基于等式1和等式2计算俯仰θ和横滚

[等式1]

[等式2]

在等式1和2中，g表示标准重力。

另外，倾斜误差计算器243可通过将俯仰θ、横滚以及陀螺值ωx、ωy和ωz代入到由等式3表示的用于计算方位的微分方程来计算移动终端的偏航ψ。

[等式3]

在等式3中，处理器240可将微分方程的结果值中的第三结果值设置为移动终端的偏航ψ。

磁场值校正实现器244基于计算的倾斜误差校准测量的磁场值221，以校正测量的磁场值221。

第一位置估计器242基于校正的磁场值和存储在存储器210中的磁场地图211估计移动终端的位置。更详细地讲，第一位置估计器242将校正的磁场值与包括在磁场地图211中的磁场值进行比较。基于该比较，第一位置估计器242将磁场地图所包括的点当中包括与校正的磁场值相似或相同的磁场值的点估计为移动终端的位置。因此，提高估计移动终端的位置的定位方法的可靠性。

图3示出基于通过使用imu传感器估计的方向信息和移动距离信息，估计移动终端的位置的处理器的示例。用于基于磁场地图的定位系统的移动终端包括存储器310、磁场传感器320、imu传感器330和处理器340，其分别与图1的存储器110、磁场传感器120和imu传感器130和处理器140对应。处理器340执行定位方法。

更详细地讲，处理器340包括第一方向信息产生器341、第二方向信息产生器342、方向信息权重设置单元343、移动距离计算器344和第二位置估计器345。第一方向信息产生器341基于由磁场传感器320测量的磁场值321和由imu传感器330测量的加速度值331，产生移动终端的第一方向信息。

例如，第一方向信息产生器341基于等式4产生第一方向信息ψ。

[等式4]

在等式4中，可通过将测量的加速度值331分别代入到等式1、2来计算移动终端的俯仰θ和横滚xfg、yfg和zfg可分别对应于例如磁场值321分别在x轴、y轴和z轴测量的磁场值mx、my和mz。

第二方向信息产生器342基于由imu传感器330测量的加速度值331和陀螺值332产生移动终端的第二方向信息。例如，第二方向信息产生器342可通过对测量的陀螺值332进行积分，来产生移动终端的第二方向信息。测量的陀螺值332在物理方面上表示移动终端的角加速度分量。因此，对于本领域技术人员明显的是，可通过将测量的陀螺值332对时间进行两次积分来获得第二方向信息(例如，移动终端的角度的变化)。在另一示例中，第二方向信息产生器342可通过将测量的陀螺值332对时间进行一次积分来计算移动终端的瞬间角加速度分量。然后，第二方向信息产生器342可将计算的瞬间角加速度分量与时间相乘，以获得移动终端的第二方向信息。在另一示例中，第二方向信息产生器342可以与图2的倾斜误差计算器243计算移动终端的偏航ψ的方式相同的方式产生第二方向信息。

方向信息权重设置单元343基于第一方向信息和第二方向信息设置移动终端的方向信息权重。当从第一方向信息的变化减去第二方向信息的变化而获得的值大于预定阈值时，方向信息权重设置单元343将方向信息权重设置为第二方向信息。当从第二方向信息的变化减去第一方向信息的变化而获得的值大于预定阈值时，方向信息权重设置单元343将方向信息权重设置为第一方向信息。即，方向信息权重设置单元343通过对基于不同因素估计的当前估计的第一方向信息和第二方向信息中的包括比先前估计的第一方向信息或先前估计的第二方向信息更小的变化的方向信息进行加权，来设置方向信息权重。

例如，第一方向信息使用磁场值321，因此可对于外部磁性物质的干扰敏感。第二方向信息可对测量的陀螺值332积分，因此可对时间分量敏感。因此，方向信息权重设置单元343可单独地计算对于不同的外部因素敏感的第一方向信息和第二方向信息。然后，方向信息权重设置单元343可将当前估计的第一方向信息和第二方向信息中的包括较先前估计的方向信息更小的变化的方向信息确定为更可靠的方向信息。方向信息权重设置单元343可将权重施加到可靠的方向信息，以产生更准确的方向信息。在该示例中，外部因素包括对于第一方向信息的外部磁性物质和对于第二方向信息的时间分量。

移动距离计算器344基于测量的加速度值331计算移动终端的移动距离。例如，移动距离计算器344可将测量的加速度值331对时间积分两次，以计算移动距离。在另一示例中，移动距离计算器344可将测量的加速度值331对时间积分一次，以计算瞬间速度分量并且可将计算的瞬间时间分量与时间相乘来计算移动距离。

第二位置估计器345基于存储在存储器310中的磁场地图311、测量的磁场值321、方向信息权重和移动距离来估计移动终端的位置。即，第二位置估计器345基于方向信息权重和移动距离设置移动终端可能位于的区域的范围。

例如，如果测量的磁场值321被外部磁性物质影响，则第二位置估计器345可根据将测量的磁场值321与磁场地图311相比较的定位方法将与移动中的实际位置完全不同的点估计为移动终端的位置。在该示例中，第二位置估计器345可排除在移动终端可能位于的区域的范围之外的估计的位置值。在该方式中，第二位置估计器345可防止由于外部干扰(例如，磁性物质)而导致的估计的位置改变为错误位置。

图4是示出基于通过使用imu传感器校正的磁场值以及通过使用imu传感器估计的方向信息和移动距离信息，估计移动终端的位置的处理器的示例。用于基于磁场地图的定位系统的移动终端包括存储器410、磁场传感器420、imu传感器430和处理器440，其可分别对应于图1的存储器110、磁场传感器120、imu传感器130和处理器140。处理器440执行定位方法。处理器440通过使用如图2所示校正了倾斜误差的磁场值和如图3所示的方向信息权重和移动距离来提高估计的移动终端的位置的可靠性。

更详细地讲，处理器440包括磁场值校正器441、方向信息产生器442、移动距离计算器443和第三位置估计器444。磁场值校正器441基于由imu传感器430测量的加速度值431和陀螺值432校正由磁场传感器420测量的磁场值421。

磁场值校正器441包括倾斜误差计算器445和磁场值校正实现器446。倾斜误差计算器445基于陀螺值432和加速度值431计算移动终端的倾斜误差。磁场值校正实现器446基于计算的倾斜误差实现对于测量的磁场值421的校正。

方向信息产生器442包括第一方向信息产生器447、第二方向信息产生器448和方向信息权重设置单元449。第一方向信息产生器447基于由磁场值校正器441校正的磁场值和加速度值431，产生移动终端的第一方向信息。第二方向信息产生器448基于由imu传感器430测量的加速度值431和陀螺值433产生移动终端的第二方向信息。方向信息权重设置单元449基于第一方向信息和第二方向设置移动终端的方向信息权重。

移动距离计算器443基于加速度值431计算移动终端的移动距离。第三位置估计器444基于存储在存储器410中的磁场地图411、由磁场值校正器441校正的经校正的磁场值421、方向信息权重和移动距离，来估计移动终端的位置。前面参照图1至图3描述的示例可应用于图4的元件，因此将省略详细描述。

图5示出由基于磁场地图的定位系统使用的定位方法的示例。在操作510，定位系统获得与对应于该定位系统的目标区域的磁场地图相关的信息。在操作520，定位系统测量在所述目标区域中包括的至少一个终端的位置处的磁场值。在操作530，定位系统测量所述终端的加速度值和陀螺值。在操作540，定位系统基于磁场地图、磁场值、加速度值和陀螺值估计终端的位置。

例如，操作540中的估计终端的位置可包括：基于加速度值和陀螺值计算终端的倾斜误差；基于倾斜误差校正磁场值；基于磁场地图和校正的磁场值估计终端的位置。在另一示例中，操作540的估计终端的位置可包括：基于磁场值和加速度值产生第一方向信息；基于加速度值和陀螺值产生第二方向信息；基于第一方向信息和第二方向信息设置方向信息权重。在该示例中，估计终端的位置还可包括：基于加速度值计算终端的移动距离；基于磁场地图、磁场值、方向信息权重和移动距离估计终端的位置。

在另一示例中，操作540的估计终端的位置可包括：基于加速度值和陀螺值校正磁场值；基于加速度值、陀螺值和校正的磁场值产生终端的方向信息权重。在该示例中，估计终端的位置还可包括：基于加速度值计算终端的移动距离；基于磁场地图、磁场值、方向信息权重和移动距离估计终端的位置。前面参照图1至图4描述的示例可应用于的图5的模块，因此将省略详细描述。

可使用硬件部件和软件部件实现在此描述的单元。例如，硬件部件可包括麦克风、放大器、带通滤波器、音频至数字转换器以及处理装置。可使用一个或多个通用计算机或专用计算机(例如，处理器、控制器和逻辑运算单元、数字信号处理器、微计算机、可编程场阵列、可编程逻辑单元、微处理器或能够响应于指令并以预定方式执行该指令的任何其他装置)来实现所述处理装置。处理装置可运行一个或多个操作系统(os)和在上述os上运行的一个或多个软件应用程序。响应于软件的执行，处理装置还可访问、存储、操作、处理和创建数据。为了简便的目的，将处理装置的描述为单数，但是本领域的技术人员将理解，处理装置还包括多个处理元件和各种类型的处理元件。例如，处理装置可包括多个处理器或一个处理器和控制器。另外，可使用不同的处理配置，例如并行处理。

软件可包括计算机程序、一条代码、指令或它们的组合，以单独地或共同地命令或配置处理装置使其按期望的方式操作。可以以任意类型的机器、部件、物理或虚拟装置、计算机存储介质或装置来永久地或临时地实现软件和数据，或者以能够提供指令或数据或能够被处理装置解释的适当传播的信号载波实现软件和数据。软件还可分布于网络连接的计算机系统，从而以分布方式存储和执行软件。例如，软件和数据可由一个或多个计算机可读记录介质存储。计算机可读记录介质可包括可存储其后可被计算机系统或处理装置读取的数据的任何数据存储装置。非临时性计算机可读记录介质的示例包括只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、cd-rom、磁带、软盘、光学数据存储装置。此外，上述示例所属的领域的程序员可基于和使用如这里提供的流程图和框图及其相应描述，容易地构建用于实现这里公开的示例的功能程序、代码和代码段。

仅作为非穷举性示出，这里描述的终端或装置可以指示移动装置(例如，蜂窝电话、个人数字助理(pda)、数码相机、便携式游戏机和mp3播放器)、便携式/个人多媒体播放器(pmp)、手持式电子书、便携式膝上型pc、全球定位系统(gps)导航仪、平板电脑、传感器和诸如桌上型pc、高清晰电视机(hdtv)、光盘播放器、机顶盒、家用电器等能够执行如这里公开的通信一致的无线通信或网络通信的装置。

上面已描述了一些示例实施例。但是，将明白的是，可进行各种修改。例如，如果以不同顺序执行描述的技术和/或如果在描述的系统、结构、装置或电路中的部件以不同的方式组合和/或被其它部件或其等同物代替或补充，则可获得合适的结果。因此，其它实施方式落入权利要求的范围内。