CN102252675A - 室内地磁定位导航装置 - Google Patents

Abstract

一种新型的室内地磁定位和导航装置，本系统依托新型的MEMS谐振微磁传感器，搭载于自动遥控机器人上，对室内地磁场进行3分量(X、Y、Z)相对量测量，基于实测数据所建立的曲面SPLINE模型和局部地磁底图，经过叠加后形成综合底图，再利用单点匹配、图像匹配(Homography Algorithm，Imaging Mosaic Algorithm)等方式进行匹配、定位、导航，最后通过视频输出。

Description

室内地磁定位导航装置

技术领域

本发明涉及室内视频定位，谐振式微磁传感器以及地磁模型等技术领域。

背景技术

现代社会人类越来越多地在室内进行各种活动。在会议室、医院、商场等公共场所由于安全、反恐等原因，经常需要对一些特殊目标人物或物体进行定位跟踪。基于此，精度高，响应快的室内定位导航装置应运而生，并随着社会的发展而越来越显出其重要性。由于室内场合的特殊性，比如干扰源多、信号易受屏蔽、人为活动频繁等，因此对于硬件和定位技术的要求较高。目前常用的室内定位手段有GPS室内定位、无线室内定位、WiFi定位、光学定位等手段。近年来，有关室内定位导航的技术在世界各国都是研究的热点，其中较为主流的GPS技术尽管定位精度较高，但依然存在信号屏蔽、易被阻挡等问题的影响。Baranowski等于2009年7月申请了一种利用光学原理进行室内定位的专利，它是利用光学传感器对移动模块贴加标签，从而实现无线定位和追踪(专利号：US7564357)。该技术的优点是定位准确，缺点是适用范围较小，价格较贵；Stankiewicz等于2009年11月提出了基于人体移动、周围环境数据以及角度信息进行辅助导航的专利(专利号：US7620493)。它通过人相对于一个或多个物体的距离的确定，利用环境数据和当前位置确定下个位置，从而进行室内定位。所有位置和角度的计算可通过一个嵌入式程序完成。该专利的优点是设计简单、使用方便，缺点是定位对环境异质性要求较高、对于运动变化不明显的物体定位不是很准确；Smith等于2009年12月申请了在变化环境中对于一系列设备进行准确定位和跟踪的专利(专利号：US7626545)，该专利利用一系列传感器进行室内测量，利用一个处理器通过接收到的测量信息进行定位。该系统依赖高频率的处理器进行计算定位，精度较高，但需要高精度的传感器和定位仪器，导致成本较高。

发明内容

针对信号易受干扰、产品成本高、测区范围有限等问题，我们考虑利用地磁场进行定位导航。由于地磁场是地球的固有物理场，在任意一点都具有差异性和唯一性，因此可以通过对其进行测量、建模，并通过单点匹配、图像匹配进行定位、导航。本发明主要是提供一种基于室内地磁场进行定位导航的装置。利用地磁场这一自然源进行导航，属于被动式导航。由于是在室内进行操作，而室内环境存在很多铁磁干扰和电磁干扰，因此必须在消除或尽量抑制周围干扰后，方可进行较为准确可靠的地磁定位导航。其技术方案是这样实现的：通过一种谐振式巨磁阻抗非晶丝传感器固定在室内遥控小型机器人上进行测区的地磁场测量，该传感器测量测区地磁场的北向分量X，东向分量Y和垂直分量Z，其他分量可通过转换公式计算得到，若进行图像匹配，则利用4个传感器构成2×2的阵列式传感器组进行测区测量，机器人上还装载了无线数据发射装置，由于考虑到会对磁传感器产生铁磁干扰，因此大部份材料都是用了铜、铝等非铁磁性材料，并在传感器和发射板间使用铝制隔板进行格挡。在终端PC上安置了无线数据接收装置，在机器人行走时进行实测，在PC接受到预先测量的地磁数据后，建立起测区曲面Spline模型，将其与测区的实际分布相叠加，形成了测区的综合底图。实际进行测区定位时，可分为单点匹配和图像匹配两种方法，单点匹配也称为最优点匹配或最小距离匹配，通过设定一定值的容差在区域网格模型中选取最合适的测点，以此进行匹配；图像匹配是利用两种现较为常用的匹配方法--Homography算法和Imaging Mosaic算法完成，这两种方法各有特点，结合在一起使用，可提高局部图像匹配的准确度。经过算法匹配后，通过VC++程序在上位机即时地绘制出小车在综合底图上的运动轨迹，并通过对机器人输入下一目标点的磁场强度进行导航，最后将定位信息利用Labview技术进行实时视频输出。

所述的消除或尽量抑制室内铁磁、电磁干扰是为了减少对磁测数据的影响，而这些干扰主要来自于人为源和天然源两部分。人为源主要是人体所携带的手机、钥匙等铁磁性物质以及周围的铁磁设备，还有周围及楼上楼下所使用的电器设备和导线电流；天然源主要源于日间电离层、磁层及其感应层的干扰。对于人为源，在实验过程中，我们将本身所携带的铁磁性物质都除去，测量场地周围20米内基本没有铁磁性物质和电子设备；对于天然源的干扰，我们通过在凌晨6点前或晚上6点后进行实验，这段时间太阳高能粒子活动强度最低，外部干扰最小。这样将所有外部干扰降到最低，可大幅提高传感器测量数据的真实有效性，从而使定位导航的精度有所提高。

所述的谐振式巨磁阻抗非晶丝传感器是本专利的关键部件，其所使用的非晶丝磁敏材料是由Co基或/和Ni基或/和Fe基等材料为主，添加其它一种或多种元素经特殊工艺加工而成的非晶丝，其直径可为1～200微米，其灵敏系数高达4000。所述的非晶丝磁敏材料在成为惠斯通电桥臂前采用PDMS灌封胶或环氧树脂灌封胶或橡胶或其它相似材料进行固封，形成一种嵌入式结构。该材料根据不同测量要求，可以固封成薄膜、长方体、立方体、球体等各种形状。该非晶丝磁敏材料可以设计成单根丝、相交的双丝、网状平面结构、网状二维结构、网状立体结构等多种结构形式。通过多种形式的组合，该非晶丝材料可以检测拉、压、弯、剪切、扭转等应力变形。

所述的小型机器人是一种智能型遥控清洁机器人，可进行定时、远距离遥控操作，并可进行直线、圆弧形行走，还可以自动寻找充电底座进行充电，利用以上特点，作为进行测区定位导航的载体。机器人整体外壳都由塑料构成，本身的磁场可通过预先测量其强度，通过差分消除。

所述的曲面Spline模型，其特点是其基于过点插值的方法建模并绘图，它能表达了地磁场的所有内源场部分，包含了许多地表浅层的异常信息，所以绘制的图形其等值线较为弯曲，在局部区域会出现若干正负异常，造成该现象的另一原因是实测点的数目及分布情况，不同的测点数及其分布状态，通过Spline模型会产生不同的分布图。因此通过均匀、高精度地对测区进行测量，所建立的Spline模型能够较为真实地反映测区磁场空间分布情况。

曲面Spline模型的表达式如下所示：

$W=a_0+a_{1}x+a_{2}y+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i{r}_i^2\ln (r_i^2+\mathrm{\ϵ})$

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{F}_i=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{F}_i=0$

其中，W是任意地磁分量；x是纬度，y是经度；r_i ²＝(x_i-x)²+(y_i-y)²；N是测点数；a₀、a₁、a₂和F_i是需求系数；ε是控制表面曲率变化的小量，为1×10^-7，共有N+3个系数。地磁场的强度单位：纳特(nT)，角度单位：角度(°)。

所述的单点匹配，是根据测点5个地磁分量测量值以及地磁场7分量的差异性和容错性，分别按照Z分量、F分量、H分量、Y分量和X分量的顺序进行测点匹配识别，在一些未测量区域，采用Spline方法进行线性内插以求出模型值。最后会设定一个容错区域，凡是满足该容错区域的背景实测点中选取离实测点距离最近且数值最为接近的点进行匹配，这就是最近距离判断和最优点匹配方法，通过该方法定位，经多次试验，准确率较高。该方法的前提是在容错域中的数据点要尽可能少，这样就便于判断和选择。当数据点较多时，该方法就容易出错。

所述的Homography算法和Imaging Mosaic算法，其中Homography算法(HomographyAlgorithm)，它是以图像的几何变换关系进行校准匹配；另一种是图像匹配(Imaging MosaicAlgorithm)，它对前后两幅图像的相同区域对比后，根据图像中特征点的匹配来实现定位导航。较适宜应用于地磁定位匹配。Homography算法的采用减小了图像匹配时对场景的依赖，线性几何的变换可以使大为降低图像匹配的运算量，为实时匹配奠定了基础。本课题组提出图像镶嵌的算法则可以简化绘制参考图像的约束条件。这种算法的采用可以使得探测器在很短的时间内在探测区域自动测绘参考图。在战争或者非常时期自动绘制地磁参考图将为我们提供非常大的帮助。图像匹配首先通过测量阵列数据以及曲面Spline模型建立其局部模型图，将其与测区综合底图相比对，分别利用homography和图像匹配两种方法进行定位匹配，最后输出区域位置信息。

本发明与现有技术相比，具有以下显著特点和积极效果：

1.本发明使用了谐振式巨磁阻抗非晶丝传感器进行室内测量，具有灵敏度高、反应快、精度高、稳定性好、抗冲击能力强的特点；

2.将曲面Spline模型应用于室内区域建模，该方法能较为真实地反映测区的地磁场真实分布情况，为准确地定位和导航奠定了重要的基础；

3.利用单点匹配和图像匹配两种方式进行定位，定位准确率较高；

4.结合Labview技术实现实时视频输出结果。

附图说明

图1为室内地磁定位导航装置的整体结构示意图；

图2为室内定位导航的数据采集和发射的结构示意图；

图3为主机电路板原理框图；

图4为上位机分析软件功能框图。

具体实施方式

本专利主要分为三部分：数据采集，模型建立和匹配定位导航。附图1、附图2和附图3所示，室内地磁定位导航装置由室内遥控小型机器1，定位导航主机2两部分组成。主机整体用铝合金材料制成，通过铜螺丝固定在小机器人上，为了减少小机器人本身带来的铁磁影响，将主机固定在相距机器人上表面约5cm处，3为主机的数据发射天线，该天线的有效辐射半径约为50m。为了防止外界的干扰，主机周围的铝板厚约3mm，在实际运行中会在顶部加上盖板，以确保仪器的稳定工作。

图2为室内定位导航的主机，其中5为无线数据发射板的电池，为可充电式磷酸铁锂电池，220mAh、9.6V，4为固定该电池的铝板隔断，厚约3mm，6为谐振式微磁传感器，用于测量地磁场3分量，也同样被相同厚度的铝板进行固定，进行隔断的另一个作用是防止电池、数据发送板对传感器产生铁磁和电磁干扰，8为传感器的接口部分，采用的是485接口，10为无线数据发射电路板，9为其接口，通过数据线将5和6连接起来，并和10相连接，将6测得的地磁数据通过无线天线3进行传输，而5为其提供电力供应，隔断7则将该电路板进行专门隔开，以便与监测和更换。

图3为无线数字传输电路板原理框图，其中11为RS485接口，用以实现远距离传输，同时也能实现与PC的数据通信，12为GPS接口，采集GPS数据实现对磁场数据和航向角的补偿和矫正，13为SD卡的接口，用于实时对所测地磁场数据进行存储，图14为微磁传感器接口，用于连接谐振式微磁传感器，并传输3分量数据，15为无线传输接口，用于实现数据的无线传输，16为电源电路部分，实现整个系统的电源管理，17为内部时钟，为系统提供准确的及时、定时功能，辅助SD存储文件等工作，18为USB接口，用以实现地磁场数据的高速传输。在系统1整体启动后，16开始工作，首先进行参数初始化，接着利用6进行地磁数据采集，利用14采集数据，也可同时利用12进行辅助定位，接口15接收到数据后，通过数据线将数据传到ARM处理器中进行数据预处理(筛选等)，同时17开始工作，并将处理后的数据通过13进行存储，再通过3进行无线传输到PC，同时也可利用11进行数据远距离传输，或直接利用1 8进行快速数据存储，为下一步的匹配工作做准备。

图4为上位机分析软件功能框图，主要将实测地磁数据19传到PC中，进行数据检测20，将其中一些异常的数据进行剔除等操作，接着将检测后的数据存在PC硬盘内21，基于若干个已测数据建立测区的曲面Spline模型22，并绘制出测区高分辨率的地磁底图，在利用上位机软件进行图像融合23，将地磁底图和测区实际照片进行图像叠加，形成综合底图，接着就涉及匹配和导航的工作。利用小机器人在实际行走过程中所测的任意点3分量数据传输到PC中，基于综合底图进行单点匹配或图像匹配24，以实现较好的匹配定位，最后相匹配好的图像，并利用识别软件在上位机视频输出定位轨迹图25，同时由于已经建立了综合底图，通过预设下一个目标位置的3分量信息以进行测区导航26。

以上所述，仅是本发明的较佳实施方式，不应被视为对本发明范围的限制，而且本发明所主张的权利要求范围并不局限于此，凡熟悉此领域技艺的人士，依照本发明所披露的技术内容，可轻易思及的等效变化，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种室内地磁定位和导航装置，该装置由室内遥控小型机器人、谐振式微磁传感器、无线数传电路板、上位机、下位机软件构成。其特征在于：系统依托新型的MEMS谐振微磁传感器，搭载于自动遥控机器人上，对室内地磁场进行3分量(X、Y、Z)相对量测量，基于实测数据所建立的曲面Spline模型和局部地磁底图，经过叠加后形成综合底图，再利用单点匹配、图像匹配(Homography Algorithm，Imaging Mosaic Algorithm)等方式进行匹配、定位，最后通过视频输出。针对当前室内定位技术的一些问题，我们利用地磁场进行定位导航。由于地磁场是地球的固有物理场，在任意一点都具有差异性和唯一性，因此完全可以通过对其进行测量、建模，并通过单点匹配、图像匹配进行定位、导航。本发明主要是提供一种基于室内地磁场进行定位导航的装置。利用地磁场这一自然源进行导航，属于被动式导航。由于是在室内进行操作，而室内环境存在很多铁磁干扰和电磁干扰，因此必须在消除或尽量抑制周围干扰后，方可进行较为准确可靠的地磁定位导航。其技术方案是这样实现的：通过一种谐振式巨磁阻抗非晶丝传感器固定在室内遥控小型机器人上进行测区的地磁场测量，该传感器测量测区地磁场的北向分量X，东向分量Y和垂直分量Z，其他分量可通过转换公式计算得到，若进行图像匹配，则利用4个传感器构成2×2的阵列式传感器组进行测区测量，机器人上还装载了无线数据发射装置，由于考虑到会对磁传感器产生铁磁干扰，因此大部份材料都是用了铜、铝等非铁磁性材料，并在传感器和发射板间使用铝制隔板进行格挡。在终端PC上安置了无线数据接收装置，在机器人行走时进行实测，在PC接受到预先测量的地磁数据后，建立起测区曲面Spline模型，将其与测区的实际分布相叠加，形成了测区的综合底图。实际进行测区定位时，可分为单点匹配和图像匹配两种方法，单点匹配也称为最优点匹配或最小距离匹配，通过设定一定值的容差在区域网格模型中选取最合适的测点，以此进行匹配；图像匹配是利用两种现较为常用的匹配方法--Homography算法和Imaging Mosaic算法完成，这两种方法各有特点，结合在一起使用，可提高局部图像匹配的准确度。经过算法匹配后，在机器人上贴加一张有色标记纸，通过C++程序在上位机即时地绘制出小车在综合底图上的运动轨迹，并通过对机器人输入下一目标点的磁场强度进行导航，最后将定位信息进行实时视频输出。

2.权利要求1所述的室内地磁定位和导航装置仪，其特征在于：为消除或尽量抑制室内铁磁、电磁干扰是为了减少对磁测数据的影响，而这些干扰主要来自于人为源和天然源两部分。人为源主要是人体所携带的手机、钥匙等铁磁性物质以及周围的铁磁设备，还有周围及楼上楼下所使用的电器设备和导线电流；天然源主要源于日间电离层、磁层及其感应层的干扰。对于人为源，在实验过程中，我们将本身所携带的铁磁性物质都除去，测量场地周围20米内基本没有铁磁性物质和电子设备；对于天然源的干扰，我们通过在凌晨6点前或晚上6点后进行实验，这段时间太阳高能粒子活动强度最低，外部干扰最小。这样将所有外部干扰降到最低，可大幅提高传感器测量数据的真实有效性，从而使定位导航的精度有所提高。

3.权利要求1所述的室内地磁定位和导航装置，其特征在于：谐振式巨磁阻抗非晶丝传感器是本专利的关键部件，其所使用的非晶丝磁敏材料是由Co基或/和Ni基或/和Fe基等材料为主添加其它一种或多种元素经特殊工艺加工而成的非晶丝，其直径可为1～200微米，其灵敏系数高达4000。所述的非晶丝磁敏材料在成为惠斯通电桥臂前采用PDMS灌封胶或环氧树脂灌封胶或橡胶或其它相似材料进行固封，形成一种嵌入式结构。该材料根据不同测量要求，可以固封成薄膜、长方体、立方体、球体等各种形状。该非晶丝磁敏材料可以设计成单根丝、相交的双丝、网状平面结构、网状二维结构、网状立体结构等多种结构形式。通过多种形式的组合，该非晶丝材料可以检测拉、压、弯、剪切、扭转等应力变形。

4.权利要求1所述的室内地磁定位和导航装置，其特征在于：小型机器人是一种智能型遥控清洁机器人，可进行定时、远距离遥控操作，并可进行直线、圆弧形行走，还可以自动寻找充电底座进行充电，利用以上特点，作为进行测区定位导航的载体。机器人整体外壳都由塑料构成，本身的磁场可通过预先测量其强度，通过差分消除。

5.权利要求1所述的室内地磁定位和导航装置，其特征在于：曲面Spline模型，其特点是其基于过点插值的方法建模并绘图，它能表达了地磁场的所有内源场部分，包含了许多地表浅层的异常信息，所以绘制的图形其等值线较为弯曲，在局部区域会出现若干正负异常，造成该现象的另一原因是实测点的数目及分布情况，不同的测点数及其分布状态，通过Spline模型会产生不同的分布图。因此通过均匀、高精度地对测区进行测量，所建立的Spline模型能够较为真实地反映测区磁场空间分布情况。首先需建立Spline模型并绘制测区的整体地磁底图。通过实时测量地磁数据，分别利用传感器单点测量，也利用基于阵列式传感器进行测量，传感器呈2×2矩阵分布，因此每测一次就会有4组数据，然后通过模型实时绘制局部图形，基于测区实际分布形成综合底图后，再分别利用单点匹配或图像匹配进行定位导航。

6.权利要求1所述的室内地磁定位和导航装置，其特征在于：单点匹配，是根据测点5个地磁分量测量值以及地磁场7分量的差异性和容错性，分别按照Z分量、F分量、H分量、Y分量和X分量的顺序进行测点匹配识别，在一些不曾测到的区域，采用Spline方法进行外插作为测量值。最后会有一个绝对值±10nT的容错区域，凡是满足该容错区域的背景实测点中选取离实测点距离最近且数值最为接近的点进行匹配，这就是最近距离判断和最优点匹配方法，通过该方法定位，经多次试验，准确率较高。该方法的前提是在容错域中的数据点要尽可能少，这样就便于判断和选择。当数据点较多时，该方法就容易出错。

7.权利要求1所述的室内地磁定位和导航装置，其特征在于：Homography算法和ImagingMosaic算法，其中Homography算法是以图像的几何变换关系进行校准匹配；ImagingMosaic算法是对前后两幅图像的相同区域对比后，根据图像中特征点的匹配来实现定位导航。较适宜应用于地磁定位匹配。Homography算法的采用减小了图像匹配时对场景的依赖，线性几何的变换可以使大为降低图像匹配的运算量，为实时匹配奠定了基础。本课题组提出图像镶嵌的算法则可以简化绘制参考图像的约束条件。这种算法的采用可以使得探测器在很短的时间内在探测区域自动测绘参考图。在战争或者非常时期自动绘制地磁参考图将为我们提供非常大的帮助。图像匹配首先通过测量阵列数据以及曲面Spline模型建立其局部模型图，将其与测区综合底图相比对，分别利用homography和Imaging Mosaic匹配两种方法进行定位匹配，最后输出区域位置信息。

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