专利名称：用于基于磁场地图的定位系统的移动终端及其方法
技术领域：
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(particlefiIter)、马尔可夫定位(Markov localization)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。
发明内容
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(MU)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兀，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。
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MU传感器校正的磁场值以及通过使用MU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。
具体实施例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。S卩，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MU传感器130来校正磁场传感器120的倾斜误差。S卩，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MU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MU传感器校正的磁场值，估计移动终端的位置的处理器的不例。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不为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^^、、和Ciz，并且在三个轴测量的陀螺值可分别被表示为cox、coy和ωζ。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φ和偏航Ψ表示。倾斜误差计算器243可分别基于等式I和等式2计算俯仰Θ和横滚φ。[等式I]
权利要求
1.一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； 磁场传感器，被配置为测量在移动终端的位置处的磁场值； 惯性测量单元传感器，被配置为测量移动终端的加速度值和陀螺值； 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。
2.根据权利要求1所述的移动终端，其中，陀螺值包括移动终端的旋转值和方位值。
3.根据权利要求1所述的移动终端，其中，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； 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。
4.根据权利要求3所述的移动终端，其中，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； 磁场值校正实现器，被配置为基于倾斜误差校正磁场值。
5.根据权利要求4所述的倾斜误差包括俯仰、横滚和偏航。
6.根据权利要求1所述的移动终端，其中，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； 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； 方向信息权重设置单兀，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。
7.根据权利要求6所述的移动终端，其中，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； 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； 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； 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。
8.根据权利要求6所述的移动终端，其中，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； 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。
9.根据权利要求1所述的移动终端，其中，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； 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； 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； 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。
10.根据权利要求1所述的移动终端，其中，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。
11.一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；测量移动终端的位置处的磁场值；测量移动终端的加速度值和陀螺值；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。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，陀螺值包括移动终端的方位值和旋转值。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，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；基于磁场地图和校正的磁场值，确定移动终端的位置。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，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；基于倾斜误差校正磁场值。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，倾斜误差包括移动终端的俯仰、横滚和偏航。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，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；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。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，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；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；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；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。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，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；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。
19.根据权利要求11所述的方法，其中，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；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；基于加速度值确定移动终端的移动距离；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。
全文摘要
公开了一种用于基于磁场地图的定位系统的移动终端及其方法。所述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。
文档编号G01C21/00GK103148848SQ201210519569
公开日2013年6月12日 申请日期2012年12月6日 优先权日2011年12月7日
发明者金勇 , 金应善, 尹志贤 申请人:三星电子株式会社