一种基于双磁信标的定位定向方法
【专利摘要】一种基于双磁信标的定位定向方法，以两个相互垂直且线圈直径、匝数与通电电流已知的两组螺线管制作两个磁信标，然后将两个磁信标安装在已知位置作为信号源，定位目标安装磁强计，通过磁强计的实时测量数据；设定两个磁信标的输出频率，磁信标1中x轴频率为f1、y轴频率为f2，磁信标2中的x轴频率为f3、y轴频率为f4，两个磁信标在整个坐标系中的初始位置；从待定位目标所安装的磁力计上以大于磁信标最大频率的二倍以上的采样频率提取n个数据；对采集到的数据进行傅立叶分解，分别得到两个磁信标对应频率的两组信号，根据H1、H2、H3、H4确定目标，确定目标所在位置的方向向量：根据两方向向量，确定目标所在位置，根据两方向向量可确定两条直线。
【专利说明】
一种基于双磁信标的定位定向方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种基于双磁信标的定位定向方法，属于定位定向方法技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着科技的发展，人们对定位服务的需求也日益强烈。在室外，随着GPS、北斗等卫 星导航系统的完善和普及，定位精度服务已经基本满足人们的日常需求;然而这种定位方 式，由于建筑物对信号强度的极大衰减导致室内卫星导航系统定位精度很差，甚至无法完 成定位。复杂的室内环境给导航定位带来很大的困难。
[0003] 目前，室内导航定位方法主要有以下几种：1、基于无线网络(WiFi、RFID、蓝牙等） 的定位技术，该技术主要利用接收信号强度索引（RSSI)进行测距定位，当在信号的发射端 和接收端存在障碍物时，信号强度会因室内的厚木板、水泥墙等引起大幅度的衰减，造成了 接收端信号不稳定，从而导致导航定位精度变差。2、基于可见光的定位方法，该方法在存在 遮挡或光线无法到达的环境中时无法实现导航定位，具有很大局限性。3、基于地磁信号的 定位方法，该方法主要利用室内的地磁场信息实现导航定位，但是室内环境比较复杂，特别 是墙内的钢筋等导磁性材料和众多电子设备的存在，对地磁信号的影响较大，无法实现精 确定位。4、基于惯性导航系统的方法，该方法虽然短时间内能够提供精确的导航定位信息， 但是由于其存在积累误差，随时间的增加，误差越来越大，不适合单独使用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种基于双磁信标 的定位定向方法。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006] -种基于双磁信标的定位定向方法，
[0007] 步骤1、以两个相互垂直且线圈直径、匝数与通电电流已知的两组螺线管制作两个 磁信标，然后将两个磁信标安装在已知位置作为信号源，定位目标安装磁强计，通过磁强计 的实时测量数据，分别解算出两个磁信标在目标位置所产生的方向矢量，通过两个方向矢 量的交点最后可以解算出目标的位置方向信息；
[0008] 步骤2、设定两个磁信标的输出频率，磁信标1中x轴频率为fi、y轴频率为f 2，磁信标 2中的x轴频率为f 3、y轴频率为f 4,两个磁信标在整个坐标系中的初始位置(Plx，Ply, Plz), (P2x , P2y , P2z )；
[0009] 步骤3、从待定位目标所安装的磁力计上以大于磁信标最大频率的二倍以上的采 样频率提取n个数据，n越大定位精度越高，记为Hi，i = 1 ???]!;
[0010] 步骤4、对采集到的数据进行傅立叶分解，分别得到两个磁信标对应频率的两组信 号，其中出=(11^，111\，1112)为磁信标1中1轴产生的磁场强度、112=(1^，1^，112 2)为磁信标1中7 轴产生的磁场强度、^13=(113\，1^，1132)为磁信标2中1轴产生的磁场强度，以及114=(114\，114\， h4Z)为磁信标2中y轴产生的磁场强度；
[0011]步骤5、根据m、H2、H3、H4确定目标，确定目标所在位置的方向向量： =:(m) N2 = //；； v:,mZ:)
[0013] ^((^：, -：2 - lh.J： )Ah：x：~hi,zi)? (^：-h?.,-x2)j =(m) rx = n^n2
[0014] 7；A)，(H-7;72i.)) =(m) A-, = /7,x(.v,,v,,z,)
[0015] ~ -^5,^)) N4^=H4x(x"y4,z4)
[0016] =((/?,,^-^j;J,(/?4_.v4-/? t,-J,(/?+iv.l-/；4],v+)) =(m) 尾=#3x#4
[0017] =((7m_rj - nhC^nx^))
[0018]其中（xi,yi,zi)为在磁信标1中，x轴正方向的实际方向向量，（xi,yi,zi) = (1,0, 0)，（X2,y2,z2)为在磁信标1中，y轴正方向的实际方向向量，（X2,y2,z2) = (0,1,0)，（X3,y3, z3)为在磁信标2中，x轴正方向的实际方向向量，（x3，y 3，Z3) = (l，0,0)，（X4，y4，Z4)为在磁信 标2中，y轴正方向的实际方向向量，（14,74,24) = (〇，1，〇);及1为垂直于平面〇^1?的法向量， 为垂直于平面〇mP的法向量，因此，况垂直于 〇1P，尾垂直于〇1P，于是或为〇1P的方向向 量，同理可得爲为02P的方向向量；
[0019]步骤6、根据两方向向量，确定目标所在位置，根据我、尾两方向向量可确定两条 直线：
[0022]则目标点P为两条直线的交点：
[0023] Rlx*ki-R2xk*k2 = -pix+p2x
[0024] Rly*kl_R2yk*k2 = -Ply+P2y
[0025] 然后分别得到lu、k2，则目标位置
[0029] 其中磁强计所测量的数据均为通过姿态矩阵将目标本地坐标系下的磁场测量数 据转换到所建立的模型坐标系后的数据。
[0030] 本发明的有益效果：1、相对WiFi等无线信号，旋转磁场的频率更低（1K~10KHZ)， 信号穿透力强，具有更大的作用域。2、利用旋转磁场矢量方向不变的特性进行定位，而不是 直接使用接收信号的强度进行定位，避免了因环境影响导致信号强度大幅衰减的问题。3、 提高了定位的速度和精度，降低了导航定位的误差。
【附图说明】
[0031] 图1为本发明基于双磁信标的定位定向方法示意图。
【具体实施方式】
[0032]下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为 前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
[0033]如图1所示，本实施例所涉及的一种基于双磁信标的定位定向方法，步骤如下： [0034] 步骤1、以两个相互垂直且线圈直径、匝数与通电电流已知的两组螺线管制作两个 磁信标，然后将两个磁信标安装在已知位置作为信号源，定位目标安装磁强计，通过磁强计 的实时测量数据，分别解算出两个磁信标在目标位置所产生的方向矢量，通过两个方向矢 量的交点最后可以解算出目标的位置方向信息；
[0035] 步骤2、设定两个磁信标的输出频率，磁信标1中x轴频率为、y轴频率为f2，磁信标 2中的x轴频率为f 3、y轴频率为f 4,两个磁信标在整个坐标系中的初始位置(pix，Ply, piz), (p2x,P2y,P2z)；
[0036] 步骤3、从待定位目标所安装的磁力计上以大于磁信标最大频率的二倍以上的采 样频率提取n个数据，n越大定位精度越高，记为Hi，i = 1 ???]!;
[0037] 步骤4、对采集到的数据进行傅立叶分解，分别得到两个磁信标对应频率的两组信 号，其中&=(11^，11^，111 2)为磁信标1中1轴产生的磁场强度、112=(112\，1^，1122)为磁信标1中7 轴产生的磁场强度、出=(1^，113\，113 2)为磁信标2中1轴产生的磁场强度，以及114=(114，114\， h4z)为磁信标2中y轴产生的磁场强度；
[0038]步骤5、根据压、出、出、114确定目标，确定目标所在位置的方向向量： 及丨="丨x(w丨）
[0039] =((/V^i - ^!,-i ).(/V. V, =(w-) ;Y. - //2 )
[0040] ^={(jh,zi ~}h.Ji = (U!，〔） ^ =N^N,
[0041] ^((7；^； -7； 7；J,(7； 7；,-7；J； ),(7；,7； -7； 7；,)) = (Ur,i?1?) #3 -//,x(.V,,V,,Z,)
[0042] =(m) N.=H4x(x4,y4,z4)
[0043] -/；4_>4)^(^4.-V4 -^4vZ4)4A4^4 -^4,-m)) =(m) r2=：n3xN4
[0044] =((7；、HJ4、)，(7；人-H )，(m J4、)) =(m)
[0045]其中（xi，yi，zi)为在磁信标1中，x轴正方向的实际方向向量，（xi，yi，zi) = (1，0， 0)，（X2，y2，z2)为在磁信标1中，y轴正方向的实际方向向量，（X2，y2，z2) = (0,1，0)，（X3，y3, z3)为在磁信标2中，x轴正方向的实际方向向量，（x3，y 3，Z3) = (l，0,0)，（X4，y4，Z4)为在磁信 标2中，y轴正方向的实际方向向量，（14,74,24) = (〇，1，〇);#1为垂直于平面〇^1?的法向量， f2为垂直于平面咐洲勺法向量，因此，風垂直于 〇1P，尾垂直于〇1P，于是藏为〇1P的方向向 量，同理可得1 2为〇2?的方向向量；
[0046]步骤6、根据两方向向量，确定目标所在位置，根据尾、馬两方向向量可确定两条 直线：
[0049] 贝1J目标点P为两条直线的交点：
[0050] Rlx*ki-R2xk*k2 = -pix+p2x
[0051] Rly*kl_R2yk*k2 = -Ply+P2y [0052]分别得到lu、k2，则目标位置
[0056]其中磁强计所测量的数据均为通过姿态矩阵将目标本地坐标系下的磁场测量数 据转换到所建立的模型坐标系后的数据。
[0057]实施例1:对双信标定位系统定位精度进行验证，其中信标1的磁场与目标之间存 在衰减系数为〇. 91的障碍物，将本实施例与根据磁场强度确定位置的方法进行比较：
[0058] 首先设定两个磁信标的输出频率，磁信标1中x轴频率为f 1 = 2Hz、y轴频率为f 2 = 5Hz，磁信标2中的x轴频率为f 3 = 7Hz、y轴频率为f4 = 9Hz，两个磁信标在整个坐标系中的初 始位置（pix，piy，piz) = (100，〇,〇)，（p2x，p2y，p2z) = (-100，0,0)，目标所在位置为（15，60， 10)〇
[0059]再在从待定位目标所安装的磁力计上以f = 100Hz为采样频率提取n= 100次采样 数据，记为Hi，i = 1，100;按照上述实施方式中步骤3至步骤5进行计算，贝lj可得到定位结 果如表1所示
[0060]表 1
[0062]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，这些【具体实施方式】都是基于本发明 整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域 的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的 保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【主权项】
1. 一种基于双磁信标的定位定向方法，其特征在于， 步骤1、以两个相互垂直且线圈直径、匝数与通电电流已知的两组螺线管制作两个磁信 标，然后将两个磁信标安装在已知位置作为信号源，定位目标安装磁强计，通过磁强计的实 时测量数据，分别解算出两个磁信标在目标位置所产生的方向矢量，通过两个方向矢量的 交点最后可以解算出目标的位置方向信息； 步骤2、设定两个磁信标的输出频率，磁信标1中X轴频率为fi、y轴频率为f2,磁信标2中 的1轴频率为€3、7轴频率为€4，两个磁信标在整个坐标系中的初始位置化1\415^12)，（口2\， P2y ,P2z)； 步骤3、从待定位目标所安装的磁力计上以大于磁信标最大频率的二倍以上的采样频 率提取η个数据，η越大定位精度越高，记为Hi，i = 1 ···]!; 步骤4、对采集到的数据进行傅立叶分解，分别得到两个磁信标对应频率的两组信号， 其中111=〇1^，11^，1112)为磁信标1中1轴产生的磁场强度、!12=(112\，1^，1122)为磁信标1中7轴 产生的磁场强度、H3= (h3x，h3y，h3z)为磁信标2中X轴产生的磁场强度，以及H4= (h4x，h4y，h4z) 为磁信标2中y轴产生的磁场强度； 步骤5、根据Hi、H2、H3、H4确定目标，确定目标所在位置的方向向量：其中（xi，yi，zi)为在磁信标1中，x轴正方向的实际方向向量，（xi，yi，zi) = (l，0,0)，（X2, 72,22)为在磁信标1中，7轴正方向的实际方向向量，（12,72,22) = (0，1，0)，（13,73,23)为在磁 信标2中，X轴正方向的实际方向向量，（13,73, 23) = (1，0,0)，（14,74,24)为在磁信标2中，7轴 正方向的实际方向向量，（X4,y4,Z4) = (〇, 1，〇);#!为垂直于平面ο?χιΡ的法向量，#2为垂直 于平面oiyiP的法向量，因此，硬垂直于0iP，4垂直于οιΡ，于是戽为οιΡ的方向向量，同理可 得4为〇 2P的方向向量； 步骤6、根据两方向向量，确定目标所在位置，根据義、爲两方向向量可确定两条直线：则目标点P为两条直线的交点： Rlx 氺 kl_R2xk 氺 k2 = _Plx+P2x Rly 氺 kl_R2yk 氺 k2 = _Ply+P2y 然后分别得到h、k2，则目标位置 P = ( kl^Rlx+pix , kl^Rly+piy , kl^Rlz+Plz ) = ( Px , Py , Pz )其中磁强计所测量的数据均为通过姿态矩阵将目标本地坐标系下的磁场测量数据转 换到所建立的模型坐标系后的数据。
【文档编号】G01C21/04GK105928511SQ201610239443
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】李清华, 郑元勋, 解伟男, 张大成, 刘元
【申请人】哈尔滨工业大学