一种地磁修正惯导的智能手机用户室内定位方法
【专利摘要】本发明涉及一种地磁修正惯导的智能手机用户室内定位方法，步骤如下：根据建筑物平面地图把待定位区域划分成小的网格；智能手机用户拿着内置磁力计的智能手机在每个网格中心采集地磁强度数据一段时间；对每个网格采集的地磁强度数据求平均值，构建离线地磁指纹库并存储；用户拿着智能手机开始走动，通过对智能手机的加速度计数据的处理，检测步伐并对步长进行估计，通过对陀螺仪数据的处理获得运动的方向与正北方向的夹角，当前地磁强度；获得当前状态的预测值；计算预测阶段的协方差矩阵和卡尔曼增益；计算观测结果；更新状态。本发明仅通过智能手机即可达到较高的室内定位精度。
【专利说明】一种地磁修正惯导的智能手机用户室内定位方法 所属技术领域
[0001] 本发明属于移动终端应用领域，利用智能手机获得自带的多种传感器数据对用户 进行室内定位。
【背景技术】
[0002] 全球定位系统(GPS)可以提供高精度的室外位置服务，但是由于建筑物的遮挡， GPS信号在室内非常微弱甚至不可见，因此GPS定位系统不能应用于室内定位。而现如今人 们越来越多的活动都是在室内进行，基于位置的服务越来越受到人们的关注。随着无线电 技术的快速发展以及移动智能终端的日益普及，室内定位导航技术作为GPS的一种补充技 术快速发展。由于移动智能终端设备（智能手机)已成为人们日常的必需品，具有运算速度 快、便携带等特点，并且集成了诸如磁力计、加速度传感器、陀螺仪等多种传感器。因此利用 智能手机用户的室内定位问题越来越成为研究的热点并且已经取得了很好的成果。
[0003] 现有的各种室内方案大部分都是基于无线信号传播的定位技术，然而这种方法都 需要部署基础设施，限制了系统大规模应用，而且由于无线信号易收到传播环境的干扰(如 多径、非视距干扰等）以及人体对无线信号的吸收等，使得这些技术的定位性能大大下降。 惯性导航技术作为一种相对定位技术，具有短程内定位精度高的特点，但是存在累计误差 较大的缺点。而融合无线定位技术与惯性导航的混合定位系统具有精度高、便于实现的特 点受到众多研究者的认可。
[0004] 如今，越来越多的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。因此，利用地磁场有进行高精度室内定 位的潜力。与无线信号不同，地磁场不受人体的影响，室内地磁场的分布主要受到建筑物结 构、材料的影响。建筑材料中的钢铁等成分会对地磁场产生长期稳定的干扰而产生一种地 磁异常场。这种地磁异常场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。
[0005] 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。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种不依赖于外部架设额外的设备，仅通过用户随身携带的 智能手机即可实现较高精度个人室内定位的方法。本发明利用建筑物对地磁场影响而产生 异常且稳定的地磁场强度信号作为一种与位置对应的指纹，通过卡尔曼滤波融合地磁指纹 与惯导信息进行用户室内定位。本发明的技术方案如下：
[0007] 一种地磁修正惯导的智能手机用户室内定位方法，包括离线阶段和在线阶段，
[0008] 离线数据采集阶段包括以下步骤：
[0009] 1)根据建筑物平面地图把待定位区域划分成小的网格，第w个网格表示Bw，其网格 中心RP表示为/，丨:；
[0010] 2)智能手机用户拿着内置磁力计的智能手机在每个网格中心采集地磁强度数据 一段时间；
[0011] 3)对每个网格采集的地磁强度数据求平均值，构建离线地磁指纹库并存储，离线 地磁指纹库由Nf个指纹构成，每个指纹存储为/1V = [X二.v丨，纪].其中，.V丨）为离线地磁指 纹的位置，兵:为该指纹的地磁场强度平均值；
[0012] 在线定位阶段包括以下步骤：
[0013] 1)初始化，智能手机通过磁力计获得一个初始的地磁强度信息则，用则与指纹库中 的所有指纹的地磁场强度平均值进行比较，将最接近的几个指纹位置的平均值作为初始化 位置(x〇，y〇);
[0014] 2)用户拿着智能手机开始走动，通过对智能手机的加速度计数据的处理，检测步 伐并对步长dk进行估计，通过对陀螺仪数据的处理获得运动的方向与正北方向的夹角(K， 规定前一次定位的结果记为(xk-i，yk-i)，当前定位结果记为(xk，yk)，当前得到的地磁强度为 mk；
[0015] 3)获得当前状态的预测值：
[0017]其中，X(k-1 |k-l)为上一次定位的状态，X(k-1 |k-l) = [xk-i，yk-i，dk, <i>k]T，X(k|k-1)为本次定位的状态矩阵，A为状态矩阵：
[0019] 4)计算预测阶段的协方差矩阵p(k|k-l):
[0021]其中P(k-l|k-l)为上一时刻更新后的协方差矩阵，若k = 0,则令？仏|1〇=〇4是一 个置信参数，若不相信用户是匀速运动的，设定的大些；
[0022] 5)计算卡尔曼增益；
[0023] 6)计算观测结果Z(k) = [.Y丨.v丨i/A 以(xf，.vp为中心，2Xdk为半径，在指 纹库中计算与当前获得地磁强度ΠΗ最相似的三个指纹，其加和平均值作为(?. _Vp ;
[0024] 7)更新状态，得到当前定位位置(a，yk);
[0025] 8)更新协方差矩阵:P(k|k) = (l_Kg(k)) · P(k|k-1)。
[0026] 本发明的定位方法已经在智能手机中实现，开发运行在Andro i d系统的APP，利用 手机自带的磁力计获得地磁强度数据，利用加速度传感器来获得进行步伐检测与步长估 计，利用陀螺仪获得运动的方向与正北方向的夹角。为判断本发明定位系统的精度与鲁棒 性，雇佣了五个人手持安卓智能手机在一个室内环境中进行定位实验，定位区域被划分为 lm乘lm的网格，每名志愿者随机走动约500米，本发明的平均定位误差大约在1.20m左右，并 且五名志愿者定位的最大平均误差约1.35m，最小约1.13m，基本满足高精度室内定位的需 求，并且易于推广。
【附图说明】
[0027] 图1为智能手机传感器坐标轴示意图。
[0028]图2为系统的流程框图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本发明的地磁修正惯导的智能手机用户室内定位方法做进一步 的描述。
[0030] 智能手机作为一种随身携带的电子设备，自带磁力计、加速度计以及陀螺仪等多 种传感器。本发明通过智能手机自带的磁力计来获得地磁场强度数据，通过加速度计和陀 螺仪获得用户的运动数据，利用卡尔曼滤波算法融合运动信息与地磁信息，通过地磁信息 匹配修正惯导的累计误差。
[0031] 手机传感器坐标如图1所示，以用户手持智能手机于胸前，手机y轴指向运动方向 且屏幕向上为具体实例进行说明，手机内的三轴加速度、磁力计以及陀螺仪以大约25Hz的 速度获取数据。可以采用峰值检测机制对Z轴加速度数据处理来进行步伐检测，对Y轴加速 度数据处理来估计步伐长度。离线阶段待定为区域网格大小可以在0.6m到lm之间，每个指 纹采集的时间保证地磁强度数据在1〇〇组以上即可。本发明的定位方法根据这些数据实时 地估计用户位置并显示，如图2所示，步骤如下：
[0032]在线定位阶段包括以下步骤：
[0033] 1)初始化，系统通过磁力计获得一个初始的地磁强度信息则，用mo与指纹库中的所 有指纹的地磁场强度平均值疋进行比较，将最接近的三个指纹位置的平均值作为初始化位 置（x〇，y〇)。
[0034] 2)用户拿着手机开始走动，定位系统会通过对加速度计数据的处理和观察，检测 步伐并对步长dk进行估计，通过对陀螺仪数据的处理获得运动的方向与正北方向的夹角 Φ k。规定一次定位的结果记为(xk-i，yk-i)，当前定位结果记为(xk，yk)，当前得到的地磁强度 为mk〇
[0035] 3)获得当前状态的预测值：
[0037]其中X(k_l | k-Ι)上一次定位的状态，X(k_l | k_l) = [xk-1，yk-1，dk, ΦιΟ^Χ^Ι?-Ι) 为本次定位的状态矩阵。A为状态矩阵：
[0039] 4)计算预测阶段的协方差：
[0041] 其中P(k-l|k-l)为上一时刻更新后的协方差矩阵。在本例中，设定q = l。
[0042] 5)计算卡尔曼增益：
[0044]其中Η为测量系统矩阵，R为测量系统的协方差矩阵：
[0046] 6)计算观测结果Z(k) = [^ 4爽]7"。.以(xf? yf)为中心，2Xdk为半径，在指 纹库中计算与当前获得地磁强度ΠΗ最相似的三个指纹，其加和平均值作为(％，.Vp。
[0047] 7)更新状态：
[0048] X(k | k) =X(k | k_l )+Kg(k) (Z(k)-H · X(k | k_l)) = [xk yk di Φ i]T，
[0049] 得到当前定位位置(xk，yk)。
[0050] 8)更新协方差矩阵:P(k|k) = (l_Kg(k)) ·Ρ〇?|??-1)。
[0051] 9)当系统再次检测到行人运动一步，重复(3)到(8)步得到位置。
【主权项】
1. 一种地磁修正惯导的智能手机用户室内定位方法，包括离线阶段和在线阶段， 离线数据采集阶段包括W下步骤： 1) 根据建筑物平面地图把待定位区域划分成小的网格，第W个网格表示Bw，其网格中屯、 RP表示为巧； 2) 智能手机用户拿着内置磁力计的智能手机在每个网格中屯、采集地磁强度数据一段 时间； 3) 对每个网格采集的地磁强度数据求平均值，构建离线地磁指纹库并存储，离线地磁 指纹库由沪个指纹构成，每个指纹存储为九二[碱戌戚1，其中(據父)为离线地磁指纹的 位置，孩:为该指纹的地磁场强度平均值； 在线定位阶段包括W下步骤： 1) 初始化，智能手机通过磁力计获得一个初始的地磁强度信息m日，用m日与指纹库中的所 有指纹的地磁场强度平均值进行比较，将最接近的几个指纹位置的平均值作为初始化位置 (x〇,y〇)； 2) 用户拿着智能手机开始走动，通过对智能手机的加速度计数据的处理，检测步伐并 对步长dk进行估计，通过对巧螺仪数据的处理获得运动的方向与正北方向的夹角(Κ，规定 前一次定位的结果记为(祉-1，yk-i)，当前定位结果记为(祉，yk)，当前得到的地磁强度为mk; 3) 获得当前状态的预测值：其中，乂化-1|4-1)为上一次定位的状态，乂化-1|4-1)=山-1，71<-1，(11<，(^^，乂化|4-1)为 本次定位的状态矩阵，A为状态矩阵：4) 计算预测阶段的协方差矩阵P化I k-1):其中P化-l|k-l)为上一时刻更新后的协方差矩阵，若k = 0,则令P化|k)=Q，q是一个置 信参数，若不相信用户是匀速运动的，设定的大些； 5) 计算卡尔曼增益； 6) 计算观测结果片，I'P为中屯、，2Xdk为半径，在指纹库 中计算与当前获得地磁强度mi最相似的Ξ个指纹，其加和平均值作为(％，妓）; 7) 更新状态，得到当前定位位置(祉，yk); 8) 更新协方差矩阵:P化|k) = (l-Kg化））· P化|k-l)。
【文档编号】G01C21/16GK106092095SQ201610382296
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月31日 公开号201610382296.7, CN 106092095 A, CN 106092095A, CN 201610382296, CN-A-106092095, CN106092095 A, CN106092095A, CN201610382296, CN201610382296.7
【发明人】窦智, 马永涛
【申请人】天津大学