一种基于磁尺的磁钉定位方法与流程

本发明涉及一种基于磁尺的磁钉定位方法，具体地，涉及一种利用磁尺的检测数据检测磁钉有无，并由其计算磁钉相对于车辆的位置的方法。

背景技术：

当将设计好的磁尺安装在车辆上后，磁尺检测其所在空间位置上的磁场。这样，同一时刻磁尺所在空间的磁场就可以由磁尺返回的一帧数据表示。这帧数据中的每一个数据就代表磁尺上一个磁传感单元所在处特定方向上（一般为垂直路面方向上）的磁场分量。基于这些数据，首先需要检测磁钉的有无。当检测有磁钉时需要计算磁钉相对于磁尺的位置。其次，在计算过程前，需要考虑传感器的零漂、非线性、随机噪声和地磁等干扰的滤除。所有这些技术合在一起组成磁钉定位技术。下面首先对现有的磁钉定位技术做介绍。

美国path演示项目中，研究了三中磁钉定位方法，分别是：峰值匹配算法、向量比例算法和差分峰值匹配算法。峰值匹配算法能够克服垂直方向上车体颠簸对横向偏差计算的影响，如果横向偏差计算精度要求不高，那么该算法的复杂度较低、实时性较好。但该算法得到的横向偏差计算精度不高，需要使用至少两个方向上的磁场测量值，并对磁传感器的测量精度要求较高。同时，周围其他干扰磁场也会影响测量的准确性。向量比例算法是在检测到磁场峰值后，利用垂直方向磁场分量和横向磁场分量的比值来建图和匹配，算法实现简单，但当磁钉在传感器正下方区域时，会有计算奇异问题。差分峰值匹配算法利用两个传感器测量值的差进行建图和匹配，可以消除周围干扰磁钉的影响。但需要两个高精度的磁传感器。

美国加州ahmct研究中心采用了磁场比值算法来进行磁钉定位。磁场比值算法利用两个传感器的三轴磁场数据构造比值函数，然后通过在一定约束下的优化来得到横向偏差计算的表达式。这种算法得到的是磁场测量值与横向偏差的直接函数关系，实验中得到的横向偏差最大误差为9mm，算法最大的优点是横向偏差的计算对纵向车辆的颠簸具有很强的鲁棒性。但这种算法仅仅利用了阵列磁传感器中的两个来计算横向偏差，所以算法对传感器的精度要求比较高，从而使得其对传感器硬件设计的要求较高。此外，该算法需要通过离线实验来拟合获取磁场比值与横向偏差之间的函数关系。

葡萄牙科英布拉大学采用的磁钉定位算法分为4个步骤：阈值检测、微分峰值检测、纵向拟合检测、交叉拟合检测。这种方法的优点是考虑了更多的传感器信息，有更强的抗噪声干扰能力。但这种方法并没有考虑垂直方向上车辆颠簸引起的干扰。另外，两次模型拟合都是非线性优化问题，从而使得计算比较复杂。

国内，国家智能交通系统工程技术研究中心的磁导航课题组采用了序列算法和阵列算法，这种方法只是通过比较各个传感器的输出并排序来找到响应最强的传感器，从而确定横向偏差。这种方法直观、简单，但测量精度不高。

上海交通大学cyberc3无人车研究团队在对各种磁钉定位算法深入研究基础上，借鉴美国加州ahmct研究中心磁场比值的思想，提出序列磁场比值算法。该算法得出与横向偏差成线性关系的磁场比值函数形式，大大降低计算复杂度。但该算法的近似条件太过苛刻，使得无法综合考虑多个传感器的测量数据来降低噪声干扰。此外，该算法需要两个方向上的磁场分量，这使得传感器硬件设计复发度提高。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种在简单、造价低廉磁传感器测量数据上，实现磁钉检测和磁钉定位的方法。

为实现以上目的，所发明的磁钉定位方法采用以下技术方案。

提出一种基于磁尺的磁钉定位方法，其特征在于包含磁尺数据预处理，地磁场滤除，磁钉检测方法和磁钉横向偏差计算方法。

所述磁尺数据预处理，包含传感器零漂处理、传感器非线性处理和随机噪声处理等滤波处理。

所述地磁场滤除，根据磁钉磁场的数据与地磁场数据的差异模式来设计适当的算法滤除地磁场，而尽可能减小对磁钉磁场的影响。

所述基于磁钉检测方法，根据磁钉磁场数据特有的特征给出磁钉有无的状态，方法解决难点在于尽可能避免出现磁钉的漏检或误检，实现磁钉的准确计数。

所述磁钉横向偏差计算方法，利用由磁尺各个磁场检测单元测量的，反映磁钉磁场在空间分布特征的数据，由近似磁场模型曲线方程通过曲线拟合的方法计算出由模型参数表示的横向偏差，对于方法的要求是计算出的横向偏差对于磁尺测量噪声具有较强的鲁棒性。

所述磁尺是指将单点磁场测量传感器在空间上线性分布，从而可以测量空间中一条线上若干个点处的磁场大小。由于在外形上类似于尺子，故名磁尺。

所述磁钉定位是指磁钉相对于车辆的相对位置定位，由于磁尺在车辆上的安装位置固定，所以磁钉相对于车辆的定位可以转换为磁钉相对于磁尺的定位。

优选地，所述磁钉定位方法与具体实现方法的硬件和软件环境无关：硬件环境包括但不限于微处理器，数字处理器（dsp），工业控制计算机，fpga等计算平台；软件环境包括但不限于各类开发语言，开发编译环境等。

所述磁钉检测方法能够发现位于磁尺临近处（磁尺前后±10厘米）的磁钉，从而根据磁尺在车辆上的安装参数得到磁钉相对于车辆的纵向（车前进方向）距离。

优选地，所述地磁场滤除是根据局部小范围内同方向的地磁场基本相同，所以在磁尺各个磁场检测单元上的叠加分量恒定，而磁钉磁场在磁尺各个磁场检测单元出的测量值安装其磁场分布曲线分布，所述地磁滤除方法正是根据地磁场和磁钉磁场的这种差异，将地磁场干扰从测量数据中滤除。

优选地，所述磁钉横向偏差计算中的横向偏差指磁钉相对于磁尺上某一固定点的在磁尺长所在方向上的距离，可选的固定点包括但不限于磁尺中心点、磁尺端点。

所述横向偏差可以根据磁尺在车辆上的安装参数换算为磁钉相对于车辆的横向偏差。

所述的磁钉横向偏差计算将用高斯曲线模型代替磁场分布曲线，从而将非线性多参数优化问题化为线性的多参数估计问题，大大降低计算复杂度。

和现有的其他方法相比，本发明提出的基于磁尺的磁钉定位方法，能够充分融合磁尺传感器多数据信息，提高横向偏差计算精度。同时使得磁尺设计，可以选用价格低廉的低精度磁传感芯片。此外，方法仅需要垂直方向的磁场分量，这使得磁尺设计上ad转换通道减少，电路设计复杂度降低。综合多数据的融合测量也使得单个磁传感单元的故障对于系统不是致命的，大大增强系统的可靠性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为本发明较佳实施例的算法示意图；

图中：1为预处理模块，2为地磁剔除模块，3为磁钉检测模块，4为磁钉定位模块，5为磁钉计数模块。

图2所示为用该方法进行地磁滤除的实验结果图。

图3为基于高斯曲线拟合的横向偏差计算的典型数据结果。

图4为通过一个磁钉时帧数据拟合的误差曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为本发明所提处的基于磁尺的磁钉定位方法的一种实施算法流程图。在本实施例中，整个算法由5个模块组成，分别是预处理模块1、地磁剔除模块2、磁钉检测模块3、磁钉定位模块4、磁钉计数模块5。算法中有一个依赖于有无磁钉的分支。当一帧磁尺数据到来时，算法开始执行。

在预处理中，本实施例采用磁传感芯片的置位和复位模式来消除传感器的零漂和非线性，并采用均值滤波来消除随机误差，考虑到检测的快速性，这里采用时序上3个数据求和平均的策略。

在地磁剔除模块中，本实施例假设地磁场在局部范围内是恒定不变的，从而采用基于帧数据方差的地磁滤除方法：当帧数据方差小于阈值时，认为磁尺附件没有磁钉，磁尺数据测量到的是这一区域的地磁场；而当方差大于某一阈值时，认为磁尺处于磁钉磁场和地磁场叠加的磁场范围内。当磁尺仅处于地磁场时，记录下当前磁尺的数据作为该区域的地磁场估计，而当磁尺处于磁钉磁场和地磁叠加的磁场时，当前磁尺读数减去最近记录的地磁数据，即可得到磁钉磁场的测量。图2所示为用该方法进行地磁滤除的实验结果图，图中所示为500帧数据的地磁滤除前后的数据曲线。

磁钉检测模块的主要功能是根据当前磁尺的返回数据可靠地判断有无磁钉。磁钉有无的判断实际上是实现磁钉的纵向定位，并为磁钉计数提供可靠地依据。本实施例中采用基于帧数据方差的磁钉检测方法。有无磁钉磁场使得磁尺数据帧的方差显著增大，而其它干扰磁场不会。所以数据帧的方差显著增大表明磁尺正接近一个磁钉。实际实施中，方差阈值的设置采用了滞环策略，即判断磁钉“有”的阈值大于判断磁钉“无”的阈值，这样可以避免同一个磁钉处出发多个检测信号。此外，磁钉检测信号还通过磁尺数据的正负来判断磁钉的极性。在本实施例中，当磁钉n极朝上时，磁尺数据大部分具有正的幅值较大的值，而只有小部分具有负的幅值较小的值。所以可以通过帧数据和来判断磁钉的极性。磁钉极性信号主要用来在磁钉计数标定点处修正磁钉计数器。

在磁钉定位模块中，当检测到有磁钉时，利用当前数据帧计算磁钉相对于磁尺的横向偏差。本实施例采用基于高斯曲线拟合的横向偏差计算方法。这种曲线拟合的方法综合了磁尺上多个（5个以上）磁传感单元的数据，从而克服了单个磁传感单元测量不准对计算结果的影响。此外，选择高斯曲线拟合的好处是高斯曲线在数学上可以近似垂直方向上磁钉磁场的模型曲线，而且高斯曲线拟合方法在实现上能够克服利用磁场模型曲线拟合的非线性缺点，从而计算量大大减小。图3所示为基于高斯曲线拟合的横向偏差计算的典型数据结果。结果为抽取的磁尺经过一个磁钉时一系列数据帧的原始数据、拟合参数绘出的高斯曲线和横向偏差。为了在一张图中显示不同帧的结果，除了左上角帧外，其余各帧都进行了坐标平移。从图中可以看出，曲线很好地拟合了测量数据。横向偏差的计算结果也呈现出很好地稳定性。图4所示为图3中数据帧拟合的误差曲线，图中给出了均方差误差rms和最大误差。图中可以看出，最大拟合误差都小于0.12gauss，最大rms误差都小于0.06gauss。一般地磁场大小在0.5gauss左右，所以从误差数值上看，拟合精度是很高的。

磁钉计数模块根据磁钉检测信号实现对已经过磁尺的磁钉进行计数。本实施例中，磁钉计数的策略主要分为两方面。一方面是当磁钉检测信号为“有”时，对当前磁钉计数值进行加一操作。另一方面是当磁钉极性检测信号标示当前磁钉为磁钉标记点，根据标记点信息修正磁钉计数值。两个方面的策略保证了磁钉计数值可靠地标示车辆在磁钉轨迹线上的纵向位置。

在算法结束后，该方法得到当前磁钉有效的横向偏差计算值和磁钉计数值。

当磁尺检测到磁钉时，可以知道磁钉相对于车辆的纵向位置，由此时磁尺数据计算得到的横向偏差反映了磁钉相对于车辆的横向位置。综合两者可以得到车辆相对于当前磁钉的位置。从而实现了磁钉的定位。

从本实施例施行结果上看，本发明提出磁钉定位方法得到高精度的横向偏差计算值和可靠地磁钉计数值。横向偏差计算精度在0.8cm以内。磁钉计数可靠性在0.1%以内。