簇式磁场定位的方法、装置和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及室内定位的技术领域，特别涉及簇式磁场定位的方法、装置和系统。
【背景技术】
[0002] 研究证明，大型室内空间由于建筑材料和建筑结构的不同，产生了大量的磁场，这 些磁场和地磁场一起构成了一个复杂的磁场图。因为建筑所用材料和建筑结构是常规的， 因此建筑内的磁场图有着自己独特的规律，其所形成的室内磁场也相对稳定。这种稳定的 磁场被用来进行室内定位。例如申请号为201310350209.6和201410277471.7的中国发明专 利申请描述了定位技术以及定位和制图技术。利用磁场完成定位的关键是准确地辨别出磁 场的特征，其所采用的技术一般基于Kalman滤波器或者是粒子滤波器。但是这两种算法的 复杂度高，在室内面积较大时，所需要计算的数据较多，需要很长的计算时间，因此实时定 位就很难实现。另外，在室内面积较大时，在不同的区域会出现类似的特征，这常常会导致 定位的错误，而发生诸如机器人被绑架(kidnapped robot problem)等问题。另外，对于基 于Kalman滤波或者粒子滤波的定位方法，需要给定目标一个初始位置，这个初始位置也需 要从磁场定位外的其它技术手段获得，因此使用很不方便。
[0003]现有技术中，除了磁场定位外，由于RFID(Radio Frequency Identification，无 线射频识别）技术的普遍应用，因此发明了各种基于RFID的定位技术。例如，公开号为CN 102509059 A的中国专利文献中提出了一种利用RFID进行室内定位的方法。该方法在RFID 技术的基础上内嵌超宽带信号发射模块。目标通过发射RF信号和阅读器交换信息，然后阅 读器发出定位指令。目标收到定位指令后，发射超宽带信号。阅读器和多个接收天线相连 接，每个天线接收到超宽带信号后，采用仿真技术，模拟信号从天线发射，最高能量聚集点 就是目标位置。再例如申请号为201410201147.7的中国专利申请，其敷设固定节点以及在 服务器中标注固定节点处的磁场信息(包括强度和方位)和固定节点的位置信息。当移动节 点接收到固定节点的磁场信息(包括强度和方位)和位置信息后，通过接收上述服务器中所 标注的固定节点的磁场信息和位置信息修正自己的位置信息。这里固定节点的磁场信息是 固定的。这些技术解决了特定环境中的定位问题。但是当RFID节点大量应用时，会发生节点 碰撞、阅读器碰撞以及节点和阅读器碰撞等种种信号碰撞问题，造成RFID定位的失败。
[0004] 另外，现有技术中还存在利用IRID(红外识别）和WiFi等进行定位的技术。但是它 们尚不能满足人们对定位精度的更高要求。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种复杂度低、计算量小、精度高 的室内定位装置与方法。
[0006] 根据本发明的一个方面，提供了 一种簇式磁场定位的的方法，该方法包括：
[0007] 获取无线信号和磁场信号；
[0008] 根据所述无线信号对目标进行第一次定位；
[0009] 在第一次定位的范围内，根据所述磁场信号对所述目标进行第二次定位。
[0010] 根据本发明的又一个方面，提供了一种簇式磁场定位的的装置，该装置包括：
[0011] 用于接收无线信号的接收器；
[0012] 用于获取磁场信号的磁传感器；
[0013] 用于根据获取的无线信号强度，对目标进行第一次定位的定位装置；
[0014] 用于根据在第一次定位确定的范围以及接收的磁场信号对所述目标进行第二次 定位的预测更新装置。
[0015] 根据本发明的另一个方面，提供了一种簇式磁场定位的的系统，该系统包括：
[0016] 上述的用于室内定位的装置；
[0017]用于发射无线信号的信号发射器。
[0018] 由此，本发明可以通过RFID信号、IRID信号、WIFI信号、蓝牙信号等无线信号对将 待定位的目标所在的空间分割成一个个小空间，形成一个个族(Cluster)，以将目标进行第 一次粗定位，然后在第一次定位的范围内对目标进行精确定位，减小了采用粒子滤波定位 时的面积和数据，同时也避免了机器人被绑架问题，从而减小了计算量，降低了计算的复杂 程度，并提高了定位的精度。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明一实施方式的用于簇式磁场定位的方法流程示意图；
[0020] 图2为图1中对目标进行第二次定位的流程示意图；
[0021] 图3为本发明另一实施方式的簇式磁场定位的方法流程示意图；
[0022]图4(a)为本发明一实施方式的RF发射器在室内分布的不意图；
[0023]图4(b)为图4(a)中Tag5的信号强度的分布情况不意图；
[0024]图5(a)为目标根据RFID信号和磁场信号定位的仿真结果示意图；
[0025]图5(b)为目标根据磁场信号定位的仿真结果示意图；
[0026]图6(a)为目标根据RFID、磁场信号定位和仅仅根据磁场信号定位产生的误差对比 示意图；
[0027]图6(b)为目标根据RFID、磁场信号定位和仅仅根据磁场信号定位所需的时间对比 示意图；
[0028] 图7为本发明一实施方式的簇式磁场定位的装置功能模块示意图；
[0029] 图8为本发明一实施方式的簇式磁场定位的系统功能模块示意图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细的说明。
[0031] 图1示意性地显示了本发明一实施方式的簇式磁场定位的方法流程图。如图1所 示，该方法包括：
[0032] S101:获取无线信号和磁场信号。
[0033]在本实施方式中，可以通过目标(例如推着推车的机器人）自身携带的电磁信号检 测单元检测RF/IR发射器发射的信号和通过目标自身携带的磁场（例如地磁)信号检测器 (例如可以采用PNI Sensor Corporation公司的MicroMag3三轴磁力计来测量室内的磁场） 检测其当前位置的地磁场信息。
[0034] S102:根据所述无线信号对目标进行第一次定位。在本实施方式中，该第一次定位 是根据邻近算法来确定的。邻近算法(Nearest Neighbor)是定位算法中最易理解、实现简 单的一种算法。该算法一般只提供目标的相对位置信息。
[0035]通常，在系统在定位区域的许多地方布置好RF/IR发射器，且这些发射器的位置坐 标是已知的。因此，当目标移动到某个发射器附近时，接收器就会接收到相应电子标签的无 线射频信号，便可得知目标的大致位置。如果目标同时接收到来自几个发射器的信号，可通 过比较接收信号的强度值来确定目标的位置。上述邻近算法定位易于实现，对硬件的要求 也不高，因此在一些对定位精度需求不高的场合，使用该算法是非常适合的。本实施方式中 就是采用将接收到的信号强度进行比较，取信号强度最大的信号发射器所辐射的信号范围 为当前目标位置的粗定位区域。
[0036] S103:在第一次定位的范围内，根据所述磁场信号对所述目标进行第二次定位。
[0037] 在本实施方式中，上述用于室内定位的方法尤其适用于室内的全局定位。
[0038] 图2为图1中对目标进行第二次定位的流程示意图。如图2所示，该流程包括：
[0039] S201:该第二次定位是根据所述磁场信号的强度，预测目标的第二位置。
[0040] 在本实施方式中，预测目标的位置可以采用粒子滤波算法实现。粒子滤波算法中 的贝叶斯估计一般由两个阶段组成，即预测和更新。算法的最终目的是求取更新后的值，也 就是目标状态的后验概率密度。所以粒子滤波的最终目的也是求取目标状态的后验概率密 度。
[0041] 下面进行贝叶斯估计分析:假设离散系统在t时刻的状态转移方程和观测方程可 以表示为：
[0042]
[0043] 其中，^表示所述目标在t时刻的X坐标(可以根据地图，预先标定。然后根据目标 的特征，寻找目标在地图中的位置。这种标定和寻找的方法类似于GPS的方法)和位置状态，
[0044] yt表示所述目标在t时刻由观测函数计算得到的Y坐标和位置状态，
[0045] ft为关于状态1^在〖时刻的状态转移方程函数，
[0046] vt是测量噪声，
[0047] ht是状态xt在t时刻的观测函数，
[0048] zt表示目标在t时刻磁场强度的值，
[0049] Wt是观测噪声。
[0050] 在本实