一种基于磁场特征值的磁信标定向方法、存储介质及设备

1.本发明属于导航、制导与控制技术领域，具体涉及一种基于磁场特征值的磁信标定向方法。


背景技术：

2.社会飞速发展的今天，人类的生存空间也更加丰富多彩，复杂程度也远超之前，人们对高新技术也有了更大的需求，人类对特殊场景下的高精度定向技术也有了更高的需求。定向技术作为一种与人类生活密切相关的传统技术，在机器人技术、物联网技术、无人系统等领域同样扮演着不可或缺的角色，而由于室内、地下等复杂非视距场景的恶劣情况，传统的gnss卫星导航系统、视觉导航系统在室内、地下等场景无法提供高精度的定向服务，而惯性导航系统存在积累误差，无法长时间提供高精度的定向服务。
3.基于低频磁场的人工磁信标定向技术是一种具备高穿透能力的定向技术，能够在gps拒止的室内、地下等环境中提供高精度的定向服务，因此在非视距复杂场景定向技术领域具有十分巨大的研究价值。但是目前基于低频磁场的人工磁信标定向方法通常采用惯性测量元件所提供的传感器姿态信息来辅助人工磁信标系统实现复杂场景下的精确定向，这样不仅增大了系统成本，而且惯性单元解算的传感器姿态误差也进一步影响了人工磁信标系统的定向精度，导致人工磁信标系统的定向精度仍然较低。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为解决目前的基于低频磁场的人工磁信标定向方法的定向精度低的问题，而提出了一种基于磁场特征值的磁信标定向方法。
5.本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：
6.一种基于磁场特征值的磁信标定向方法，所述方法具体包括以下步骤：
7.步骤1、产生三路频率不同、幅值相同且相位依次相差60
°
的正弦激励信号，再分别对三路正弦激励信号进行放大，获得放大后的三路正弦激励信号；
8.利用放大后的三路正弦激励信号分别激励磁信标的三个通电螺线管，其中，第一个通电螺线管与全局坐标系的x轴重合，第二个通电螺线管与全局坐标系的y轴重合，第三个通电螺线管与全局坐标系的z轴重合，各个通电螺线管在空间中分别产生对应的时变磁场；
9.步骤2、将传感器放置在目标点处采集磁场数据，从采集的磁场数据中分别提取出各个通电螺线管的磁场矢量；
10.步骤3、根据提取出的各个通电螺线管的磁场矢量，提取出磁场矢量的特征值；
11.步骤4、根据提取出的磁场矢量特征值，构建用于磁信标定向的非线性方程组；
12.步骤5、基于步骤4构建的非线性方程组，对传感器与磁信标之间的相对方位进行最优估计。
13.进一步地，所述分别对三路正弦激励信号进行放大，所采用的是线性功率放大器；
14.所述传感器为三轴磁强计。
15.进一步地，所述各个通电螺线管的磁场矢量为：
[0016][0017][0018][0019]
其中，b
x
(t)为第一个通电螺线管在目标点处产生的磁场，by(t)为第二个通电螺线管在目标点处产生的磁场，bz(t)为第三个通电螺线管在目标点处产生的磁场，t为时间，m1为第一个通电螺线管的磁矩，m2为第二个通电螺线管的磁矩，m3为第三个通电螺线管的磁矩，μ0为磁场传播介质因子，r为目标点位置与磁信标之间的距离，ω1为第一个通电螺线管激励电流的频率，ω2为第二个通电螺线管激励电流的频率，ω3为第三个通电螺线管激励电流的频率，θ1为磁信标与目标点之间相对于x轴的偏航角，θ2为磁信标与目标点之间相对于y轴的偏航角，θ0为磁信标与目标点之间相对于z轴的偏航角，为磁信标与目标点之间相对于x轴的俯仰角，为磁信标与目标点之间相对于y轴的俯仰角，为磁信标与目标点之间相对于z轴的俯仰角；
[0020]
相对方位之间的角度关系为：
[0021][0022]
根据上述角度关系，将式(1)、式(2)和式(3)表示为：
[0023][0024][0025][0026]
传感器存在姿态变换时，磁场矢量表示为：
[0027][0028]
其中，c表示方向余弦阵，b'
x
(t)为传感器存在姿态变换时第一个通电螺线管在目标点处产生的磁场，b'y(t)为传感器存在姿态变换时第二个通电螺线管在目标点处产生的磁场，b'z(t)为传感器存在姿态变换时第三个通电螺线管在目标点处产生的磁场；
[0029][0030]
其中，α为传感器坐标系绕人工磁信标坐标系的x
(o)
轴旋转的角度，传感器坐标系绕人工磁信标坐标系的x
(o)
轴旋转后，将旋转后的坐标系的三个坐标轴分别记为轴、轴和轴；β为绕x
(o)
轴旋转角度α的基础上，继续绕y
(o)
轴旋转的角度，再将绕y
(o)
轴旋转后的传感器坐标系的三个坐标轴分别记为轴、轴和轴；γ为绕y
(o)
轴旋转角度β的基础上，继续绕z
(o)
轴旋转的角度，再将绕z
(o)
轴旋转后的传感器坐标系的三个坐标轴分别记为轴、轴和轴。
[0031]
进一步地，所述步骤3的具体过程为：
[0032][0033]
其中，h
xy
表示b'
x
(t)与b'y(t)之间的特征值，h
xz
表示b'
x
(t)与b'z(t)之间的特征值，h
yz
表示b'y(t)与b'z(t)之间的特征值，上角标t代表转置；
[0034]
将式(10)展开为：
[0035][0036]
进一步地，所述步骤4的具体过程为：
[0037][0038]
其中，|b'
x
(t)|为传感器存在姿态变换时第一个通电螺线管在目标点处产生的磁
场的磁感应强度，|b'y(t)|为传感器存在姿态变换时第二个通电螺线管在目标点处产生的磁场的磁感应强度，|b'z(t)|为传感器存在姿态变换时第三个通电螺线管在目标点处产生的磁场的磁感应强度；
[0039]
将用于磁信标定向的非线性方程组表示为：
[0040][0041]
其中，代表用于磁信标定向的非线性方程组。
[0042]
进一步地，所述步骤5的具体过程为：
[0043]
步骤51、初始化狼群的数量为n，随机生成每只狼的位置
[0044]
步骤52、将每只狼的位置依次带入到根据非线性方程组(14)建立的适应度函数中，计算得到每只狼的适应度函数值；
[0045]
步骤53、根据计算出的适应度函数值，从狼群中选择出j狼、k狼和l狼，其中，j狼为狼群中适应度函数值最大的狼，k狼为狼群中适应度函数值第二大的狼，l狼为狼群中适应度函数值第三大的狼，狼群中其余的狼为q狼；
[0046]
步骤54、分别计算狼群中个体与j狼、k狼、l狼之间的距离：
[0047][0048]
其中，i＝1,2,
…
,n，为狼群中第i只狼与j狼之间的距离，vj为j狼的位置，vi为狼群中第i只狼的位置，为根据式(16)生成的随机向量；为狼群中第i只狼与k狼之间的距离，vk为k狼的位置，为根据式(16)生成的随机向量；为狼群中第i只狼与l狼之间的距离，v
l
为l狼的位置，为根据式(16)生成的随机向量；
[0049][0050]
其中，和均为[0,1]范围内的随机数向量；
[0051]
步骤55、更新狼群中狼的位置：
[0052][0053][0054]
其中，为根据和j狼位置vj调整后狼群中第i只狼的位置，为根据式(19)生成的随机向量；为根据和k狼位置vk调整后狼群中第i只狼的位置，为根据式(19)生成的随机向量；为根据和l狼位置v
l
调整后狼群中第i只狼的位置，为根据式(19)生成的随机向量；v
′i为更新后的第i只狼位置；
[0055][0056]
其中，a为衰减因子；
[0057]
步骤56、利用步骤55中更新后的狼位置来重复执行步骤51至步骤55的过程，直至达到最大迭代次数时停止，将最后一次迭代输出的j狼对应的更新后位置作为最优估计结果。
[0058]
进一步地，所述适应度函数为：
[0059][0060]
其中，δζ为适应度函数。
[0061]
进一步地，所述衰减因子a＝2-2(j/max)，max为最大迭代次数，j为当前迭代次数。
[0062]
一种存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现所述的基于磁场特征值的磁信标定向方法。
[0063]
一种设备，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现所述的基于磁场特征值的磁信标定向方法。
[0064]
本发明的有益效果是：
[0065]
本发明基于任意两组存在姿态变换的磁场矢量之间姿态矩阵相互抵消的思路，即任意两组磁场矢量可以通过相乘的方式得到一个不受姿态影响的特征值，使该特征值不受到传感器姿态影响，定向结果不存在累计误差，本发明的定向方法仅需要一个三轴传感器
和一套三轴人工磁信标，在提高定向精度的同时，减少了定向系统的复杂度，降低了定向系统成本，极大地提高了磁信标定向系统在在工业生产、洞穴探索领域的适用性。
附图说明
[0066]
图1为本发明的一种基于磁场特征值的磁信标定向方法的流程图；
[0067]
图2为三轴人工磁信标磁场激励图；
[0068]
图3为人工磁信标与磁传感器之间相对方位关系图；
[0069]
图中，p(x,y,z)为目标点位置，o是全局坐标系的原点，m
x
表示人工磁信标中x轴向螺线管的磁矩指向，my表示人工磁信标中y轴向螺线管的磁矩指向，mz表示人工磁信标中z轴向螺线管的磁矩指向；
[0070]
图4为人工磁信标所在坐标系与传感器坐标系之间的转换关系的示意图；
[0071]
默认条件下，传感器坐标系、全局坐标系和人工磁信标坐标系一致；
[0072]
人工磁信标坐标系：以人工磁信标的几何中心为原点，三个坐标轴与全局坐标系的三轴指向一致，分别记为x
(o)
轴、y
(o)
轴和z
(o)
轴；
[0073]
传感器坐标系：以传感器的几何中心为原点，三个坐标轴与全局坐标系的三轴指向一致，分别记为x
(m)
轴、y
(m)
轴和z
(m)
轴。
具体实施方式
[0074]
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于磁场特征值的磁信标定向方法，所述方法具体包括以下步骤：
[0075]
步骤1、信号激励装置产生三路频率不同、幅值相同且相位依次相差60
°
的正弦激励信号，再分别对三路正弦激励信号进行放大，获得放大后的三路正弦激励信号；
[0076]
比如，第二路正弦激励信号比第一路正弦激励信号的相位提前60
°
，第三路正弦激励信号再比第二路正弦激励信号的相位提前60
°
。
[0077]
利用放大后的三路正弦激励信号分别激励磁信标的三个通电螺线管，其中，第一个通电螺线管与全局坐标系的x轴重合，第二个通电螺线管与全局坐标系的y轴重合，第三个通电螺线管与全局坐标系的z轴重合，各个通电螺线管在空间中分别产生对应的时变磁场；
[0078]
步骤2、将传感器放置在目标点处采集磁场数据，从采集的磁场数据中分别提取出各个通电螺线管的磁场矢量；
[0079]
步骤3、根据提取出的各个通电螺线管的磁场矢量，提取出磁场矢量的特征值；
[0080]
步骤4、根据提取出的磁场矢量特征值，构建用于磁信标定向的非线性方程组；
[0081]
步骤5、基于步骤4构建的非线性方程组，对传感器与磁信标之间的相对方位进行最优估计。
[0082]
本发明是一种基于磁场特征值的人工磁信标定向方法，该方法由比奥萨法尔定理和磁偶极子模型分析出通电螺线管的磁场分布规律，由此推导出正交三轴人工磁信标在任意一测量点处的磁场表达式，进一步分析出磁场传感器存在姿态时磁场表达式，并据此获得任意两个轴之间磁场特征值与相对方位之间的关系，该特征值不受传感器姿态影响，由上述关系构建出非线性方程组，最后利用灰狼优化器获取最优相对方位估计。
[0083]
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述分别对三路正弦激励信号进行放大，所采用的是线性功率放大器；
[0084]
所述传感器为三轴磁强计。
[0085]
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
[0086]
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述各个通电螺线管的磁场矢量为：
[0087]
根据比奥萨法尔定理和磁偶极模型，三轴人工磁信标的磁场矢量可以表示为：
[0088][0089][0090][0091]
其中，b
x
(t)为第一个通电螺线管在目标点处产生的磁场，by(t)为第二个通电螺线管在目标点处产生的磁场，bz(t)为第三个通电螺线管在目标点处产生的磁场，t为时间，m1为第一个通电螺线管的磁矩，m2为第二个通电螺线管的磁矩，m3为第三个通电螺线管的磁矩，μ0为磁场传播介质因子，r为目标点位置与磁信标之间的距离，ω1为第一个通电螺线管激励电流的频率，ω2为第二个通电螺线管激励电流的频率，ω3为第三个通电螺线管激励电流的频率，θ1为磁信标与目标点之间相对于x轴的偏航角，θ2为磁信标与目标点之间相对于y轴的偏航角，θ0为磁信标与目标点之间相对于z轴的偏航角，为磁信标与目标点之间相对于x轴的俯仰角，为磁信标与目标点之间相对于y轴的俯仰角，为磁信标与目标点之间相对于z轴的俯仰角，如图3所示；
[0092]
根据图3可以分析出相对方位之间的角度关系为：
[0093][0094]
根据上述角度关系，将式(1)、式(2)和式(3)表示为：
[0095][0096]
[0097][0098]
传感器坐标系与人工磁信标坐标系不一致时，即传感器存在姿态变换时，磁场矢量表示为：
[0099][0100]
其中，c表示方向余弦阵，b'
x
(t)为传感器存在姿态变换时第一个通电螺线管在目标点处产生的磁场，b'y(t)为传感器存在姿态变换时第二个通电螺线管在目标点处产生的磁场，b'z(t)为传感器存在姿态变换时第三个通电螺线管在目标点处产生的磁场；
[0101][0102]
其中，α为传感器坐标系绕人工磁信标坐标系的x
(o)
轴旋转的角度，传感器坐标系绕人工磁信标坐标系的x
(o)
轴旋转后，将旋转后的坐标系的三个坐标轴分别记为轴、轴和轴；β为绕x
(o)
轴旋转角度α的基础上，继续绕y
(o)
轴旋转的角度，再将绕y
(o)
轴旋转后的传感器坐标系的三个坐标轴分别记为轴、轴和轴；γ为绕y
(o)
轴旋转角度β的基础上，继续绕z
(o)
轴旋转的角度，再将绕z
(o)
轴旋转后的传感器坐标系的三个坐标轴分别记为轴、轴和轴，即获得传感器真实坐标系的三个坐标轴x
(m)
、y
(m)
和z
(m)
，具体过程如图4所示。
[0103]
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
[0104]
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤3的具体过程为：
[0105][0106]
其中，h
xy
表示b'
x
(t)与b'y(t)之间的特征值，h
xz
表示b'
x
(t)与b'z(t)之间的特征值，h
yz
表示b'y(t)与b'z(t)之间的特征值，上角标t代表转置；
[0107]
将式(10)展开为：
[0108]
[0109]
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
[0110]
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述步骤4的具体过程为：
[0111][0112]
其中，|b'
x
(t)|为传感器存在姿态变换时第一个通电螺线管在目标点处产生的磁场的磁感应强度，|b'y(t)|为传感器存在姿态变换时第二个通电螺线管在目标点处产生的磁场的磁感应强度，|b'z(t)|为传感器存在姿态变换时第三个通电螺线管在目标点处产生的磁场的磁感应强度；
[0113]
磁场矢量的特征值去除磁场强度影响因素的过程可以表示为：
[0114][0115]
将用于磁信标定向的非线性方程组表示为：
[0116][0117]
其中，代表用于磁信标定向的非线性方程组。
[0118]
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
[0119]
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤5的具体过程为：
[0120]
步骤51、初始化狼群的数量为n，再根据定义的搜索空间随机生成每只狼的位置且每只狼的分数为1/n；
[0121]
步骤52、将每只狼的位置依次带入到根据非线性方程组(14)建立的适应度函数
中，计算得到每只狼的适应度函数值；
[0122]
步骤53、根据计算出的适应度函数值，从狼群中选择出j狼、k狼和l狼，其中，j狼为狼群中适应度函数值最大的狼，k狼为狼群中适应度函数值第二大的狼，l狼为狼群中适应度函数值第三大的狼，狼群中其余的狼为q狼；
[0123]
步骤54、分别计算狼群中个体(即狼群中的狼)与j狼、k狼、l狼之间的距离：
[0124][0125]
其中，i＝1,2,
…
,n，为狼群中第i只狼与j狼之间的距离，vj为j狼的位置，vi为狼群中第i只狼的位置，为根据式(16)生成的随机向量；为狼群中第i只狼与k狼之间的距离，vk为k狼的位置，为根据式(16)生成的随机向量；为狼群中第i只狼与l狼之间的距离，v
l
为l狼的位置，为根据式(16)生成的随机向量；
[0126][0127]
其中，和均为[0,1]范围内的随机数向量；
[0128]
步骤55、更新狼群中狼的位置：
[0129][0130][0131]
其中，为根据和j狼位置vj调整后狼群中第i只狼的位置，为根据式(19)生成的随机向量；为根据和k狼位置vk调整后狼群中第i只狼的位置，为根据式(19)生成的随机向量；为根据和l狼位置v
l
调整后狼群中第i只狼的位置，为根据式(19)生成的随机向量；v
′i为更新后的第i只狼位置；
[0132][0133]
其中，a为衰减因子；
[0134]
步骤56、利用步骤55中更新后的狼位置来重复执行步骤51至步骤55的过程，直至达到最大迭代次数时停止，将最后一次迭代输出的j狼对应的更新后位置作为最优估计结果。
[0135]
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
[0136]
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述适应度函数为：
[0137][0138]
其中，δζ为适应度函数。
[0139]
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
[0140]
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述衰减因子a＝2-2(j/max)，max为最大迭代次数，j为当前迭代次数。
[0141]
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
[0142]
具体实施方式九：
[0143]
本实施方式为一种存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现所述的基于磁场特征值的磁信标定向方法。
[0144]
具体实施方式十：
[0145]
本实施方式为一种设备，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现所述的基于磁场特征值的磁信标定向方法。
[0146]
仿真验证
[0147]
对基于磁场特征值的磁信标定向技术进行仿真验证，将本发明方法与惯导单元辅助的磁信标定向技术进行比较。在仿真验证中，激励电流的幅值均为10a、频率分别为10hz、20hz、30hz。环境中存在均值为40000nt的常值干扰磁场、幅度为10nt的白噪声。磁信标在整个坐标系中的初始位置为(0m 0m 0m)，目标所在位置如表1所示。
[0148]
表1实验目标先验坐标
[0149][0150]
按照采样频率为1000hz对叠加磁场进行采样，并按照上述实施方案中的步骤2和步骤4进行相对方位的解算，实验结果表明，同等仿真条件下，基于特征值的磁信标定向技术能够实现不受环境干扰的目标定向，定向精度与惯导辅助的基于特征矢量的磁信标定向方法的对比结果如表2所示，可以看出本发明方法的定向精度更优，本发明提出的基于磁场矢量特征值的定向技术能够解决传感器姿态影响下的定向精度受影响的问题，与惯导辅助的特征矢量方法相比，本发明方法在保证定向精度的同时，还有效降低了磁信标定向系统的成本与复杂度。
[0151]
表2定向仿真结果对比
[0152][0153]
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。