基于慣導(dǎo)輔助地磁的手機(jī)室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

宋 鏢，程 磊，周明達(dá)，吳懷宇，陳 洋

（武漢科技大學(xué)冶金自動(dòng)化與檢測技術(shù)教育部工程研究中心，武漢430081）

基于慣導(dǎo)輔助地磁的手機(jī)室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

宋 鏢，程 磊*，周明達(dá)，吳懷宇，陳 洋

（武漢科技大學(xué)冶金自動(dòng)化與檢測技術(shù)教育部工程研究中心，武漢430081）

目前的室內(nèi)定位技術(shù)大都是需要建立足夠多的信號(hào)節(jié)點(diǎn)，這種有源信號(hào)受建筑物干擾衰減快導(dǎo)致其定位精度不足。為了避免這些存在的問題，通過深入研究室內(nèi)定位方法，提出了基于慣導(dǎo)輔助地磁匹配的適用于手機(jī)移動(dòng)終端的室內(nèi)定位方法。有別于傳統(tǒng)的室外定位系統(tǒng)，本文利用地球磁場在不同點(diǎn)的差異化信息，并通過選擇適當(dāng)?shù)牡卮牌ヅ渌惴ǎ梢詫?shí)現(xiàn)不依賴于外部設(shè)備的移動(dòng)個(gè)體室內(nèi)定位，同時(shí)通過慣導(dǎo)輔助地磁的組合定位方式有效增加地磁信息匹配效率，能獲得較高的室內(nèi)定位的精度。最后設(shè)計(jì)了基于android平臺(tái)的手機(jī)室內(nèi)定位軟件，可利用手機(jī)內(nèi)置的傳感器設(shè)備實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位功能，仿真及實(shí)驗(yàn)顯示該定位方法是有效的。

地磁應(yīng)用；傳感器；室內(nèi)定位；慣性導(dǎo)航；android

隨著科技的進(jìn)步，研究者們針對(duì)移動(dòng)定位技術(shù)方向的研究工作始終沒有停止腳步，在近些年取得了很大的進(jìn)展，包括紅外技術(shù)IR［1］、無線局域網(wǎng)WLAN［2］、藍(lán)牙技術(shù)Blue Tooth［3］、計(jì)算機(jī)視覺Computer Vision［4］、WIFI［5］、ZigBee［6］和地磁Magnetic等等。而慣導(dǎo)輔助地磁的室內(nèi)定位技術(shù)是最近幾年才提出來的一項(xiàng)新型的室內(nèi)定位手段，其突出優(yōu)勢在于可高精度、長時(shí)間、抗干擾地為室內(nèi)定位系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)、連續(xù)、精準(zhǔn)的位置信息，且安全可靠，成本低廉，對(duì)環(huán)境要求低。只需要通過地球提供的固有地磁場信息，利用Android智能手機(jī)內(nèi)置的傳感器即可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。

目前，國內(nèi)外文獻(xiàn)主要是研究用于地磁定位中的地磁匹配算法及其相關(guān)仿真研究［7-10］，對(duì)于地磁定位技術(shù)用于手機(jī)的相關(guān)研究較少，而今是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的高峰期，對(duì)手機(jī)的室內(nèi)定位的需要是空前巨大的。谷歌、微軟、蘋果、博通等在內(nèi)的一些科技巨頭，還有一些世界有名的大學(xué)都紛紛致力于室內(nèi)定位技術(shù)方向的研究，其中包括采用有源RFID技術(shù)的電子標(biāo)簽Qubulus；杜克大學(xué)開發(fā)了通過采用遞歸、過濾和“無形的路標(biāo)”等方式進(jìn)行定位的UnLoc；Google公司通過手機(jī)基站、GPS及Wi-Fi信號(hào)獲得室內(nèi)精確定位；北京郵電大學(xué)鄧中亮教授提出的TC-OFDM定位與通信融合的新型信號(hào)體制，這是一種通過慣導(dǎo)與通信網(wǎng)相結(jié)合的室內(nèi)定位方式；李燕君［11］等人就WIFI室內(nèi)定位展開了深入研究，但需要實(shí)現(xiàn)對(duì)位置指紋庫進(jìn)行建立和維護(hù)；丁海強(qiáng)［12］等人針對(duì)基于RSSI的無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位算法精度不高的問題提出一種負(fù)約束條件下的似然估計(jì)定位算法，獲得較高精度，但此種定位方式需要在室內(nèi)至少鋪設(shè)三個(gè)以上的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無線傳感網(wǎng)絡(luò)。通過分析，可以發(fā)現(xiàn)這些定位方式均需要另外架設(shè)相應(yīng)設(shè)備，這無疑給室內(nèi)定位帶來了局限性；同時(shí)這種有源信號(hào)又會(huì)受到建筑物的影響，衰減快，能耗大，不適用于手機(jī)終端室內(nèi)定位。

本文從一種新的角度提出了基于慣導(dǎo)與地磁組合的定位算法方式進(jìn)行手機(jī)室內(nèi)定位，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的手機(jī)定位軟件，在不依賴于外部設(shè)備的同時(shí)，還能達(dá)到一個(gè)高精度的定位效果。

1 慣導(dǎo)輔助地磁室內(nèi)定位原理

2003年Boles等人就區(qū)域的地磁斑圖進(jìn)行了相應(yīng)的研究，并分析了利用地磁導(dǎo)航的可行性［13］，隨后Janne Haverinen等［14］提出了在煤礦下環(huán)境下的基于地磁異常的定位技術(shù)，并通過仿真實(shí)驗(yàn)分析了利用地磁信息進(jìn)行室內(nèi)定位的可行性。

地磁匹配定位技術(shù)需要構(gòu)建地磁基準(zhǔn)圖，其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)較大，匹配時(shí)間較長，加入慣導(dǎo)技術(shù)能有效縮小匹配范圍，提高匹配率和實(shí)時(shí)性，首先通過高精度的三軸磁力計(jì)（本文中使用手機(jī)）對(duì)區(qū)域的地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，獲得區(qū)域的地磁基準(zhǔn)圖信息，并上傳服務(wù)器。進(jìn)行地磁匹配定位時(shí)，需要將服務(wù)器上的地磁基準(zhǔn)圖導(dǎo)入到手機(jī)中，構(gòu)建手機(jī)內(nèi)部地磁基準(zhǔn)圖。當(dāng)載體運(yùn)動(dòng)到室內(nèi)定位環(huán)境下時(shí)，由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中得到定位的相對(duì)位置，基于這個(gè)相對(duì)位置能從地磁基準(zhǔn)圖中搜索出一個(gè)新的局域地磁基準(zhǔn)圖，由手機(jī)內(nèi)置磁傳感器實(shí)時(shí)地測量所處位置的磁矢量，將測量磁矢量與局域地磁基準(zhǔn)圖進(jìn)行相應(yīng)的匹配，使用地磁匹配算法處理后的數(shù)據(jù)返回到用戶手機(jī)中，將用戶所在位置顯示手機(jī)平面地圖上，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)用戶實(shí)時(shí)顯示自身的位置，地磁匹配系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 地磁匹配定位系統(tǒng)框圖

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要原理是通過將載體在慣性參考系的加速度對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，從而獲得一個(gè)三維空間的相對(duì)位置，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖

根據(jù)手機(jī)加速度計(jì)獲取的3個(gè)線加速度數(shù)值，經(jīng)過坐標(biāo)變換，導(dǎo)航計(jì)算，即可得到手機(jī)的位置、速度、姿態(tài)等導(dǎo)航信息［15］。

式中：v0，vm分別表示t0，tm時(shí)刻手機(jī)線速度，a為手機(jī)一個(gè)方向上的加速度，為t0到tm的平均速度，Δs為手機(jī)的相對(duì)位移。

2 慣導(dǎo)輔助地磁室內(nèi)定位算法

前面闡述了慣導(dǎo)結(jié)合地磁定位的基本原理，接下來針對(duì)定位算法進(jìn)行分析，不同經(jīng)緯度和高度下地球表面地磁場強(qiáng)度異同，這種異同就構(gòu)成了不同經(jīng)緯度和高度下的一種矢量特征；同時(shí)高精度低成本的手機(jī)內(nèi)置傳感器的出現(xiàn)，使得這項(xiàng)地磁定位技術(shù)應(yīng)用到手機(jī)上提供了可行性，于是地磁匹配算法設(shè)計(jì)便是本論文地磁室內(nèi)定系統(tǒng)的關(guān)鍵，合適的地磁匹配算法將能明顯提高系統(tǒng)的定位效率和匹配的準(zhǔn)確率。

2.1 最小距離度量法

若用2個(gè)向量Nuv和m的間距的某一個(gè)范數(shù)||ε||來表示它們之間的相似程度，則可以得到相似度度量算法的最小距離度量法，其中，最小距離度量法各匹配算法的定義如下［7］：

AD（絕對(duì)差法）：

MAD（平均絕對(duì)差法）：

SD（平方差法）：

MSD（平均平方差法）：

上式中的Nuv表示基準(zhǔn)圖中位置(u,v)上的N維特征向量；m表示實(shí)時(shí)測量的N維特征向量；N表示相關(guān)數(shù)據(jù)的總點(diǎn)數(shù)；D(u,v)為地磁匹配相關(guān)函數(shù)，Nuv+i表示基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫的位置(u,v+i)上的特征量，mi表示實(shí)時(shí)測量的第i個(gè)特征量。

2.2 相關(guān)度量法

相關(guān)度量法用向量m和Nuv之間的夾角θ來度量實(shí)時(shí)向量和基準(zhǔn)子向量之間的相似程度。為了便于計(jì)算，通常采用θ的某一個(gè)合適的函數(shù)(如cosθ)來定義相似度。相關(guān)度量法主要分為積相關(guān)法和歸一化積相關(guān)法兩類［7］。

PROD（積相關(guān)法）：

NPROD（歸一化積相關(guān)法）：

2.3 慣導(dǎo)輔助MSD算法

地磁場是地球上的自然場之一，它是一個(gè)矢量場，隨著所處位置以及時(shí)間的改變發(fā)生變化。傳感器測量中獲得的地磁矢量是由不同的場源產(chǎn)生的磁矢量之和，地磁場來源于三種磁源，分別是主地磁場(Mm)、地殼地磁場(Mc)以及干擾地磁場(Md)。綜上所述，傳感器測得的磁場的大小和方向的關(guān)系如式(7)所示［16］：

一般描述地球磁場時(shí)，會(huì)用它的總場強(qiáng)以及每個(gè)分量，磁場總場強(qiáng)用M表示，將它投射到東北平面得到H，稱作水平強(qiáng)度；將H投射到東西向軸，得到東西向場強(qiáng)Mx；同理，將H投射到南北向軸，得到南北向場強(qiáng)My；其中φ表示磁偏角，?表示磁傾角，各物理量的表示如圖3所示。

圖3 地磁場元素圖

M、H、φ、φ四要素與M在三個(gè)軸上投影(Mx，My，Mz)的關(guān)系如式(8)～(11)所示［17］。

由上式就可以得到地理磁場的基本特征量，根據(jù)地磁場的兩個(gè)特點(diǎn)，①地磁場是由主磁場和其他磁場組成，②其方向是由地磁北極（地理南極）指向地磁南極（地理北極），綜合分析驗(yàn)證得到地磁矢量從載體坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系下時(shí)，東西方向磁場分量Mx近似為零。

文獻(xiàn)［18］研究了地磁匹配技術(shù)幾種基本匹配算法，通過幾種匹配算法MAD法、MSD法、PROD法和NPROD法的對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)選擇MAD法或MSD法作為地磁匹配算法較好，匹配精度更高、匹配運(yùn)算量更小和匹配誤差收斂性更好。

由此，本文提出改進(jìn)型的慣導(dǎo)輔助MSD地磁匹配的算法來進(jìn)行室內(nèi)定位，其算法流程如圖4所示，首先通過慣導(dǎo)計(jì)算出載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的粗略的位置信息，利用這個(gè)相對(duì)位置從地磁基準(zhǔn)圖中搜索出局部地磁基準(zhǔn)圖，進(jìn)而通過地磁矢量的異同進(jìn)行室內(nèi)地磁匹配定位，以獲取準(zhǔn)確的位置參數(shù)，從而現(xiàn)實(shí)室內(nèi)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位。

圖4 定位算法流程圖

3 地磁定位關(guān)鍵技術(shù)

為了有效實(shí)現(xiàn)基于慣導(dǎo)輔助地磁定位，除了要解決上述地磁定位研究中的關(guān)鍵問題外，還需嘗試從以下幾個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)克難。

3.1 精確地磁基準(zhǔn)圖的構(gòu)建

能否精確地獲得地磁基準(zhǔn)圖是室內(nèi)定位精準(zhǔn)與否的關(guān)鍵所在，地球上每個(gè)經(jīng)緯度上地磁矢量是不同的，而相隔很近的兩點(diǎn)地磁矢量相差不大，這就會(huì)給地磁匹配算法增加一定的難度，在不增加匹配算法的計(jì)算量前提下，要想獲得相對(duì)較高的定位精度就需要獲得一個(gè)精準(zhǔn)的地磁基準(zhǔn)圖，即采用精度較高的三軸磁傳感器設(shè)備直接獲得三維的地磁矢量，本文將被測區(qū)域人為劃分成1 m×1 m的網(wǎng)格，在網(wǎng)格頂點(diǎn)處使用三軸磁傳感器（本文中使用手機(jī)）測量地磁矢量并存入數(shù)據(jù)庫中，即生成一個(gè)網(wǎng)格狀的地磁基準(zhǔn)圖，根據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的原則能將MSD地磁匹配的精度提高到1 m左右，同時(shí)通過慣導(dǎo)獲得的相對(duì)位置，更新地磁基準(zhǔn)圖，減少了匹配量，提高了定位的實(shí)時(shí)性。

3.2 合適的地磁匹配算法

目前，地磁匹配算法分為很多類，包括前面提到的最小距離度量法和相關(guān)度量法，以及本文提出的改進(jìn)型的慣導(dǎo)輔助MSD地磁定位算法，本文結(jié)合MSD地磁匹配算法的優(yōu)點(diǎn)，拓展為慣導(dǎo)輔助MSD地磁定位算法，既提高室內(nèi)定位的精度，還減少地磁匹配運(yùn)算量，提高室內(nèi)定位的實(shí)時(shí)性。

4 慣導(dǎo)輔助地磁定位實(shí)驗(yàn)

在完成了前期的一系列研究工作后，根據(jù)改進(jìn)型的慣導(dǎo)輔助MSD地磁定位算法及其執(zhí)行過程，對(duì)慣性導(dǎo)航輔助地磁定位技術(shù)運(yùn)用于室內(nèi)定位的定位效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

實(shí)驗(yàn)選擇在大型的購物中心（武漢奧山世紀(jì)城）進(jìn)行室內(nèi)定位導(dǎo)航，購物中心面積大約25萬m2，實(shí)驗(yàn)位于面積大約是300 m×200 m的A區(qū)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的路徑選擇是從商場的5號(hào)門進(jìn)入，在第1個(gè)路口左拐，第2個(gè)路口右拐，第3個(gè)路口再左拐，最后從商場4號(hào)門出去，實(shí)驗(yàn)記錄了室內(nèi)定位導(dǎo)航的整個(gè)過程，其實(shí)驗(yàn)路徑選擇如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)路徑選擇圖

4.2 慣導(dǎo)與慣導(dǎo)輔助地磁定位的對(duì)比仿真

本文對(duì)慣導(dǎo)輔助地磁定位算法與慣導(dǎo)定位算法進(jìn)行了對(duì)比性仿真實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。在MATLAB仿真環(huán)境下初始化載體運(yùn)動(dòng)路徑，其中綠色線表示實(shí)際路徑，藍(lán)色線所示慣導(dǎo)算法得到的路徑，紅色線表示慣導(dǎo)輔助地磁定位的路徑，由于加速度的偏移慣導(dǎo)會(huì)越來越偏移實(shí)際路徑，造成與實(shí)際路徑的誤差越來越大，但是利用慣導(dǎo)輔助地磁定位能一定程度上減少漂移誤差。

圖6 慣導(dǎo)定位和慣導(dǎo)輔助地磁定位的對(duì)比仿真

4.3 MSD地磁匹配算法實(shí)驗(yàn)

建立地磁基準(zhǔn)圖時(shí)要遍歷整個(gè)區(qū)域，將區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并在網(wǎng)格的頂點(diǎn)處進(jìn)行地磁矢量的測量，產(chǎn)生一個(gè)網(wǎng)格狀的地磁基準(zhǔn)圖。首先，在Android手機(jī)上獲取地磁傳感器數(shù)據(jù)，通過姿態(tài)解算將地磁矢量分解到地球坐標(biāo)系的三個(gè)方向，X軸方向磁場分量近似為零，可忽略，即可將地磁矢量從三維量轉(zhuǎn)化為二維量。然后，本文選擇MSD地磁定位算法進(jìn)行了相應(yīng)的定位匹配測試，其中Y軸分量，Z軸分量表示地磁矢量，X坐標(biāo)，Y坐標(biāo)表示當(dāng)前手機(jī)所處絕對(duì)位置，其測試結(jié)果如圖7所示。

4.4 慣性導(dǎo)航輔助地磁室內(nèi)定位實(shí)驗(yàn)

首先設(shè)置一個(gè)初始點(diǎn)，利用前面所述的改進(jìn)型的地磁定位匹配算法進(jìn)行室內(nèi)定位，通過分析地磁匹配算法用于室內(nèi)定位的有效性，結(jié)合慣性導(dǎo)航技術(shù)思路進(jìn)行位置估計(jì)，在估計(jì)位置區(qū)域內(nèi)使用局部地磁搜索并匹配的原則，設(shè)計(jì)了手機(jī)室內(nèi)定位應(yīng)用程序，并對(duì)定位效果進(jìn)行了測試，整個(gè)室內(nèi)定位實(shí)驗(yàn)過程使用視頻記錄，視頻總歷時(shí)3 min 40 s，圖8為每隔20 s取的視頻截圖一次，其中背景為商場的周圍情景，右下角是小米2 s的屏幕截圖，藍(lán)色的圈圈表示定位點(diǎn)，表示手機(jī)當(dāng)前位置，如圖8所示。

圖7 地磁匹配算法測試

圖8 實(shí)驗(yàn)定位效果

表1 定位匹配算法比較

由表1可以看出慣導(dǎo)輔助地磁定位算法可以提高10%的地磁匹配率，且減少了一半的檢測與匹配時(shí)間，同時(shí)定位精度達(dá)到了1 m，使用慣導(dǎo)輔助地磁算法更能滿足室內(nèi)定位精度和實(shí)時(shí)性要求。

5 結(jié)束語

從實(shí)驗(yàn)可以看出室內(nèi)定位使用慣導(dǎo)輔助地磁的技術(shù)是可行的，通過測量區(qū)域內(nèi)的地磁信息，建立較精準(zhǔn)的地磁基準(zhǔn)圖，利用慣性導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行相對(duì)定位，獲得移動(dòng)載體的三維空間中的相對(duì)位置，在此基礎(chǔ)上縮小地磁基準(zhǔn)圖的匹配范圍，減少地磁匹配計(jì)算量，使用地磁匹配算法MSD進(jìn)行絕對(duì)定位，就能獲得較好的室內(nèi)定位精度，同時(shí)不依賴于外界設(shè)備。此方式適用于商業(yè)中心、會(huì)展中心以及地下停車庫等的室內(nèi)定位，定為精度可以達(dá)到1.0 M，其商業(yè)市場價(jià)值巨大。

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宋 鏢（1990-），男，湖北孝感人，碩士研究生，于2010年在武漢科技大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，研究方向?yàn)闄C(jī)器人視覺伺服控制，584811733@qq.com；

程 磊（1976-），男，湖北武漢人，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人及復(fù)雜系統(tǒng)、現(xiàn)任中國人工智能學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)常務(wù)委員，湖北省人工智能學(xué)會(huì)理事；主持包括國家自然科學(xué)基金在內(nèi)的省部級(jí)及以上縱向項(xiàng)目9項(xiàng)；獲國家教學(xué)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國際國內(nèi)學(xué)術(shù)論文獎(jiǎng)6項(xiàng)；發(fā)表論文40余篇，其中三大索引收錄24篇，chenglei@wust.edu.cn；

吳懷宇(1961-)，男，湖北武漢人，教授，主要研究方向?yàn)榉?wù)機(jī)器人及其控制；主持國家及省部級(jí)基金7項(xiàng)；獲省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)；教育部科技成果鑒定2項(xiàng)；獲湖北省自然科學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文一等獎(jiǎng)1項(xiàng)；國家發(fā)明專利2項(xiàng)，實(shí)用新型專利2項(xiàng)；專著1部；發(fā)表論文50余篇，其中SCI收錄5篇，EI收錄30篇，ISTP收錄17篇，wuhy@wust.edu.cn。

The Design of Cellphone Indoor Positioning System Based Magnetic Assisted Inertial Navigation Technology*

SONG Biao，CHENG Lei*，ZHOU Mingda，WU Huaiyu，CHEN Yang
(Engineering Research Center of Metallurgical Automation and Measurement Technology，Ministry of Education，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China)

To implement indoor positioning，sufficient signal nodes fast attenuated by the interference of the construction and consequently cause the low positional accuracy，are mostly required.In order to avoid the existing problem，by further studying the technologies of indoor positioning，a positioning algorithm with inertial navigation technology assisted geomagnetic matching that suits for cellphone terminal indoor positioning is presented.Different from the traditional outdoor positioning system，by taking advantage of differentiated information of Earth's magnetic field at different points and selecting an appropriate geomagnetic matching algorithm，the indoor positioning of cellphone devices without depending on external devices can be achieved，simultaneously applying the combined localization method of inertial navigation-assisted geomagnetic positioning improve the indoor positioning accuracy.Finally，a cellphone indoor positioning software which is based on Android platform is novelly and successfully designed with mobile built-in sensors，Simulations and experiments show that this localization method is effective.

geomagnetic application；sensor；indoor positioning；inertial navigation；android

TP317

A

1004-1699(2015)08-1249-06

??5100

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.08.025

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（60705035，61075087，61203331）；湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金重點(diǎn)項(xiàng)目（Z201102）；河南省高等學(xué)?？刂乒こ讨攸c(diǎn)學(xué)科開放基金項(xiàng)目（KG2011-01）；湖北省教育廳科研計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（D20131105）；湖北省科技計(jì)劃自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2010CDA005）

2015-01-07 修改日期：2015-05-18