黃 鶴,趙 焰,王春來(lái),于廣濤
(1. 北京建筑大學(xué),北京 100044; 2. 北京未來(lái)城市設(shè)計(jì)高精度創(chuàng)新中心,北京 102616;3. 武警黃金第七支隊(duì),山東 煙臺(tái) 264000; 4. 國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京 100092)
地磁室內(nèi)定位基準(zhǔn)圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
黃 鶴1,2,趙 焰1,王春來(lái)3,于廣濤4
(1. 北京建筑大學(xué),北京 100044; 2. 北京未來(lái)城市設(shè)計(jì)高精度創(chuàng)新中心,北京 102616;3. 武警黃金第七支隊(duì),山東 煙臺(tái) 264000; 4. 國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京 100092)
近年來(lái),地磁作為室內(nèi)定位基準(zhǔn)已經(jīng)成為熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。本文深入研究了地磁室內(nèi)定位技術(shù),并通過大量試驗(yàn),分析了室內(nèi)磁性材料及電子設(shè)備對(duì)磁場(chǎng)的干擾,進(jìn)一步探究了室內(nèi)磁場(chǎng)特性,證明了磁場(chǎng)信息作為定位依據(jù)的可行性;利用Arduino IDE 研發(fā)了智能地磁數(shù)據(jù)采集平臺(tái),該平臺(tái)搭載多種傳感器,如HMC5983磁傳感器和慣性導(dǎo)航傳感器等,采集一定密度的室內(nèi)地磁數(shù)據(jù),利用克里金法對(duì)該地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行差值處理,生成2 cm間隔大小的柵格地磁圖,作為室內(nèi)定位基準(zhǔn)圖保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。
磁場(chǎng);室內(nèi)定位;數(shù)據(jù)采集平臺(tái);克里金法;地磁基準(zhǔn)圖
室內(nèi)定位[1]作為實(shí)現(xiàn)基于位置服務(wù)(LBS)的實(shí)質(zhì)性拓展,可有效解決“LBS最后一米”的瓶頸問題。近年來(lái),無(wú)需任何額外硬件設(shè)施投入的地磁室內(nèi)定位技術(shù)獲得重大研究進(jìn)展,成為低成本、低復(fù)雜度、高精度室內(nèi)定位最有前景的技術(shù)方案之一。地磁場(chǎng)是地球固有的基本特性,是一種具有大小和方向且隨空間分布和時(shí)間而變化的無(wú)處不在的矢量場(chǎng),近地空間上任意一點(diǎn)都有唯一的磁場(chǎng)矢量與之對(duì)應(yīng)?,F(xiàn)代建筑物特有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及金屬材料,所鋪設(shè)的電力系統(tǒng)、電氣和電子設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等均影響著相對(duì)恒定的地磁場(chǎng),形成地磁干擾場(chǎng)。
在地磁室內(nèi)定位[2]技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程中,地磁基準(zhǔn)圖的建立是非常重要的環(huán)節(jié)。首先,室內(nèi)空間地磁信息利用移動(dòng)平臺(tái)搭載的HMC5983磁傳感器和慣性導(dǎo)航傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,因此需要對(duì)地磁傳感器進(jìn)行相關(guān)的前期改正,如硬鐵改正等,保證數(shù)值的真實(shí)性;其次,在建立某室內(nèi)空間地磁基準(zhǔn)圖之前,要充分了解該空間復(fù)雜的地磁干擾環(huán)境,包括固定要素和移動(dòng)要素對(duì)地磁的干擾強(qiáng)度、范圍等特點(diǎn)。室內(nèi)空間地磁干擾要素的特征分析具有重要的研究意義。
1.1 磁場(chǎng)不隨時(shí)間的推移而變化
地磁場(chǎng)源于地球內(nèi)部,在不受外太空的干擾條件下十分穩(wěn)定。為研究室內(nèi)磁場(chǎng)穩(wěn)定性,進(jìn)行如下試驗(yàn):將HMC5983磁傳感器安置在無(wú)外界磁干擾的室內(nèi)環(huán)境中,設(shè)置采樣間隔為30 min,采集一個(gè)月的磁場(chǎng)值數(shù)據(jù)。圖1為磁場(chǎng)值隨時(shí)間的變化圖,橫軸為時(shí)間,縱軸為磁場(chǎng)值。數(shù)據(jù)出現(xiàn)多次異常增大或減小現(xiàn)象,但反觀其周圍數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),僅一點(diǎn)出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常,周圍點(diǎn)數(shù)據(jù)正常, 磁場(chǎng)波動(dòng)在10~500 nT之間,是所在位置平均磁場(chǎng)值(51.65 μT)的0.96%。該試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)值隨時(shí)間變化波動(dòng)僅是本地平均磁場(chǎng)值的0.96%,時(shí)間不是影響地磁室內(nèi)定位的干擾因素。
圖1 磁場(chǎng)值隨時(shí)間變化
1.2 磁場(chǎng)隨空間的改變而變化
磁場(chǎng)值變化可以直接通過地磁傳感器測(cè)量得出,并以非常簡(jiǎn)潔的矢量形式提供三軸(x、y、z軸)方向磁場(chǎng)值及總磁場(chǎng)值。設(shè)磁傳感器采樣間隔為500 ms,傳感器自身坐標(biāo)系y軸指向北方向,距固定鐵磁性材料垂直于走廊中軸線方向10 cm處沿走廊方向以0.2 m/s的速度拉動(dòng),采集走廊一維地磁場(chǎng)。如圖2所示,坐標(biāo)軸橫軸代表磁傳感器行進(jìn)的距離,單位為m;縱軸代表磁場(chǎng)值,單位為μT;磁傳感器沿走廊方向經(jīng)過每個(gè)設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)值曲線,每一個(gè)谷值可標(biāo)記為一個(gè)鐵磁性設(shè)備。從數(shù)據(jù)中得知,此次試驗(yàn)磁場(chǎng)值變化范圍為22.56~56.79 μT,該變化范圍之廣可以充分說明,在室內(nèi)環(huán)境下地磁場(chǎng)隨空間的變化十分明顯。
該套室內(nèi)定位系統(tǒng)由多個(gè)模塊組合而成,如圖3所示,包括地磁數(shù)據(jù)采集模塊、航跡推算模塊、無(wú)線通信模塊、避障模塊、主控模塊等。
圖2 建筑物走廊一維地磁圖分布
2.1 地磁數(shù)據(jù)采集模塊
采集數(shù)據(jù)前首先需要對(duì)HMC5983進(jìn)行硬鐵補(bǔ)償試驗(yàn),確保地磁數(shù)據(jù)的真實(shí)性。磁傳感器自身的各個(gè)電子元器件設(shè)計(jì)時(shí)位置是相對(duì)恒定的,通電后產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)恒定的干擾場(chǎng),該干擾磁場(chǎng)稱為硬鐵干擾場(chǎng)。在磁傳感器輸出值上加一個(gè)定值便可消除硬鐵干擾[3]的影響。磁傳感器繞自身坐標(biāo)系z(mì)軸旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的x軸和y軸磁場(chǎng)值應(yīng)形成圓圈,其圓心應(yīng)位于自身坐標(biāo)系,但硬鐵干擾的存在使圓心有所偏離。以磁傳感器z軸為旋轉(zhuǎn)軸均勻旋轉(zhuǎn)一周,并記錄整個(gè)過程中磁場(chǎng)x軸和y軸方向的磁場(chǎng)分量,如圖4所示。硬鐵補(bǔ)償改正數(shù),即標(biāo)度系數(shù)(xsf,ysf)和x軸、y軸磁場(chǎng)值偏移量(xoff,yoff)的計(jì)算方法如下
圖3 移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)造實(shí)例
(1)
式中,(xmax,xmin)及(ymax,ymin)分別為磁場(chǎng)x軸和y軸方向的最大值和最小值;(hx,hy)為x軸、y軸方向的原始磁場(chǎng)值;(xv,yv)為硬鐵補(bǔ)償后的x軸、y軸方向磁場(chǎng)值。
2.2 航跡推算模塊
2.2.1 慣性導(dǎo)航傳感器
航跡推算模塊由慣性導(dǎo)航傳感器[4]和車輪編碼器組成。將慣性導(dǎo)航傳感器固定在移動(dòng)平臺(tái)幾何中心,組成移動(dòng)平臺(tái)捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。本文采用四元數(shù)法[5]求解姿態(tài)矩陣,并利用四元數(shù)輸出的姿態(tài)角數(shù)據(jù)和陀螺儀輸出的角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波,得到更加精確的姿態(tài)角??柭鼮V波步驟如圖5所示。
圖4 磁傳感器硬鐵補(bǔ)償前后的磁場(chǎng)值比較
圖5 卡爾曼濾波在姿態(tài)角數(shù)據(jù)更新中的應(yīng)用
根據(jù)四元數(shù)計(jì)算公式得出,姿態(tài)角存在很大的波動(dòng)性,采用卡爾曼濾波[6]在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)濾波前和濾波后航向角數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如圖6所示。
圖6 航行角數(shù)據(jù)濾波前和濾波后對(duì)比
濾波前角度數(shù)據(jù)誤差見表1,濾波后角度數(shù)據(jù)誤差見表2。
表1 濾波前角度的數(shù)據(jù)及誤差 (°)
表2 濾波后角度的數(shù)據(jù)及誤差 (°)
經(jīng)濾波后,航向角數(shù)據(jù)有明顯的改善,最大誤差從-4.5°減小到0.12°,經(jīng)改善的航向角誤差平均值為0.29°,大大提高了航向角精度。
2.2.2 車輪編碼器
三輪移動(dòng)平臺(tái)[7]優(yōu)點(diǎn)很多,其運(yùn)行過程中穩(wěn)定性好,是輪式機(jī)器人常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)。
圖7是雙輪差動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中的分析圖。
在該試驗(yàn)中,假設(shè)移動(dòng)平臺(tái)為剛性機(jī)構(gòu),且車輪和地面不打滑,則差動(dòng)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在點(diǎn)B位置的姿態(tài)為
q=(xB,yB)
式中,(xB,yB)是點(diǎn)B在二維平面的坐標(biāo);θ為移動(dòng)平臺(tái)的航向角,即移動(dòng)平臺(tái)的速度方向和坐標(biāo)系x軸的夾角。點(diǎn)B和點(diǎn)A的距離為L(zhǎng),直線BA和平臺(tái)中軸線的夾角為β,則有
圖7 移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析
(2)
上式兩邊對(duì)t求導(dǎo)得
(3)
式中,vx、vy分別為x軸方向速度分量及y軸方向速度分量。根據(jù)車輪編碼器可測(cè)的后輪兩輪的角速度,左右輪角速度分別設(shè)為ωL和ωR,則存在如下關(guān)系
(4)
式中,D為左右兩輪中間軸長(zhǎng)??傻?/p>
(5)
式中,r移動(dòng)平臺(tái)后輪半徑。在起始點(diǎn)A處,β=0,L=0,差動(dòng)運(yùn)行方程可簡(jiǎn)化為
(6)
因VM=ωMR,故移動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)彎半徑為
(7)
當(dāng)ωL=ωR時(shí),移動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)彎的角速度為θ′=0,即移動(dòng)平臺(tái)沿著直線運(yùn)動(dòng);當(dāng)ωL=-ωR時(shí),轉(zhuǎn)彎半徑為0,表示移動(dòng)平臺(tái)此時(shí)繞著自身的點(diǎn)A原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
該試驗(yàn)中,需要正確獲取兩種數(shù)據(jù):一是移動(dòng)平臺(tái)真實(shí)的行走軌跡,即實(shí)際軌跡;二是當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)行進(jìn)時(shí)左右兩輪的線速度。將車輪行走4 m,經(jīng)過10次試驗(yàn)后,得到一組試驗(yàn)數(shù)據(jù),行走距離及定位精度見表3。10次試驗(yàn)中,最大誤差為12 mm,最小誤差為2 mm,平均誤差為6.8 mm,說明移動(dòng)平臺(tái)后兩輪在不打滑條件下,直行精度很高。
表3 車輪編碼器精度 mm
由于航向角會(huì)發(fā)生較大變化,會(huì)對(duì)定位精度造成很大影響,因此需要慣性導(dǎo)航傳感器輔助測(cè)量軌跡。通過折線行走試驗(yàn)可以驗(yàn)證導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)對(duì)復(fù)雜行走路線的能力。試驗(yàn)首先沿著X軸行走2.5 m,之后沿著Y軸行走 2.5 m,得到的實(shí)際軌跡和推算軌跡之間的關(guān)系,如圖8所示。
圖8 折線行走實(shí)驗(yàn)曲線
試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,移動(dòng)平臺(tái)直線行走過程中出現(xiàn)偏差,但是偏差并不大,因此,需要慣性導(dǎo)航傳感器在轉(zhuǎn)彎過程中提高精度。
2.2.3 兩傳感器數(shù)據(jù)融合算法
移動(dòng)平臺(tái)在復(fù)雜的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí),將編碼器所測(cè)實(shí)時(shí)速度及慣性導(dǎo)航傳感器測(cè)得角度進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,航跡推算更加精確。在短距離航跡推算過程中,軌跡精度很高,如圖9所示。
圖9 兩傳感器數(shù)據(jù)融合航跡輸出
2.2.4 克里金地磁圖數(shù)據(jù)差值算法
差值方法是數(shù)值計(jì)算中重要的方法,由于地磁場(chǎng)擁有空間波動(dòng)的特質(zhì),采用克里金數(shù)據(jù)差值方法[8]效果好、更便捷。它是一種用于空間差值的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法,是一種求最優(yōu)、線形、無(wú)偏的空間內(nèi)插方法,根據(jù)已經(jīng)采集的三維地磁數(shù)據(jù)加權(quán)后得到未測(cè)量位置的地磁數(shù)據(jù)。
2.3 主控模塊
本文應(yīng)用Arduino Mega 2560板[9]作為智能移動(dòng)平臺(tái)主控模塊,自動(dòng)采集模式下,移動(dòng)平臺(tái)上的避障模塊采集環(huán)境信息,實(shí)時(shí)調(diào)整移動(dòng)平臺(tái)姿態(tài),保證能夠正常通過障礙區(qū);人工遙控模式下,人為控制移動(dòng)平臺(tái)躲避障礙物。因此,在智能移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)過程中,可通過航跡推算模塊,獲取移動(dòng)平臺(tái)的姿態(tài)信息及航程信息,并通過串口調(diào)試工具計(jì)算進(jìn)一步得到移動(dòng)平臺(tái)室內(nèi)坐標(biāo)信息。
利用搭載多個(gè)HMC5983磁傳感器的移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行室內(nèi)三維地磁數(shù)據(jù)和二維平面坐標(biāo)[10]數(shù)據(jù)采集。
如圖10所示,建筑物結(jié)構(gòu)圖為筆者所在學(xué)校科研樓一層;等值線圖為該建筑物室內(nèi)總磁場(chǎng)值基準(zhǔn)圖;圖中比例尺單位為納特(nT)。圖中網(wǎng)格部分是數(shù)據(jù)采集區(qū)域,無(wú)網(wǎng)格部分經(jīng)克里金差值算法計(jì)算而得。在無(wú)網(wǎng)格區(qū)域,由于不存在真實(shí)值,差值精度不高。圓形區(qū)域磁場(chǎng)值明顯高于外圍磁場(chǎng),因該處為承重墻,內(nèi)部鋼筋密集,磁干擾強(qiáng)度大。方形區(qū)域內(nèi),磁場(chǎng)值有明顯減弱趨勢(shì),該區(qū)域存在一個(gè)防盜門,使得該區(qū)域磁場(chǎng)值驟然減小。這些變化是鐵磁性材料所致,因此室內(nèi)地磁定位標(biāo)識(shí),可作定位的基準(zhǔn)。
圖10 地磁基準(zhǔn)圖
本文首先研究了地磁場(chǎng)的特性,通過研究地磁場(chǎng)特性,找到地磁室內(nèi)定位的方法與步驟。結(jié)合本文研究的內(nèi)容,地磁室內(nèi)定位技術(shù)還有很長(zhǎng)的路要走,對(duì)地磁特性還需要進(jìn)一步研究,移動(dòng)平臺(tái)還需要改善。本文研究成果存在一定的局限性,航跡推算模塊精度輸出有限,試驗(yàn)場(chǎng)地僅僅局限于小范圍的室內(nèi)走廊,還未能在大范圍的室內(nèi)場(chǎng)地進(jìn)行地磁基準(zhǔn)圖構(gòu)建工作。下一步研究著重放在航跡推算裝置上,如何在大測(cè)區(qū)中輸出高精度的二維平面坐標(biāo)是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。隨著傳感技術(shù)、慣導(dǎo)技術(shù)、智能技術(shù)和計(jì)算技術(shù)等的不斷提高,該室內(nèi)地磁圖數(shù)據(jù)采集平臺(tái)一定能夠在數(shù)據(jù)采集方面有突飛猛進(jìn)的飛躍。
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Design of the Acquisition System of Indoor Positioning Reference Map Based on Magnetic Field Data
HUANG He1,2,ZHAO Yan1,WANG Chunlai3,YU Guangtao4
(1. Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044,China; 2. Beijing Advanced Innovation Center for Future Urban Design,Beijing 102616,China; 3. No.7 Gold Geological Party of CAPF, Yantai 264000, China; 4. State Nuclear Power Planning Design&Research Institute,Beijing 100092,China)
In recent years, as an indoor positioning benchmark, geomagnetism has become a hot research field. This paper deeply studied geomagnetic indoor positioning technology,analyzed the interference of the indoor magnetic materials and electronic equipment to the magnetic field by a large number of experiments, and explored the characteristics of indoor magnetic field to prove the feasibility of magnetic field information as a basis for positioning; developed a data acquisition platform for intelligent geomagnetism using Arduino IDE. The platform is equipped with a variety of sensors, such as the HMC5983 magnetic sensor, inertial navigation sensors and so on. We can use it to collect the geomagnetic data of a certain density, and use the Kriging method to process the difference of geomagnetic data. The final result is the generation of 2 cm interval of the size of the grid geomagnetic map to become the indoor positioning reference map stored in the database.
magnetic field; indoor positioning; data acquisition; Kriging method; geomagnetic reference map
黃鶴,趙焰,王春來(lái),等.地磁室內(nèi)定位基準(zhǔn)圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)繪通報(bào),2017(2):54-59.
10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0048.
2016-06-27
2011年度校設(shè)科研基金(Z11063);北京市教委2013年度科技發(fā)展計(jì)劃(KM201310016005);現(xiàn)代城市測(cè)繪國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(20131201NZ)
黃 鶴(1977—),男,博士,教授,研究方向?yàn)榈厍蛐螤罴爸亓?chǎng)、室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)及其應(yīng)用等。E-mail:huanghe@bucea.edu.cn
P208
A
0494-0911(2017)02-0054-06