黃 鶴，趙 焰，王春來，于廣濤

(1. 北京建筑大學(xué)，北京 100044； 2. 北京未來城市設(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3，于廣濤4

(1. 北京建筑大學(xué)，北京 100044； 2. 北京未來城市設(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，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，無需任何額外硬件設(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 地磁作為室內(nèi)定位研究

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。

2 室內(nèi)地磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

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。

3 地磁基準(zhǔn)圖的輸出

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)?？蒲袠且粚樱坏戎稻€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，無網(wǎng)格部分經(jīng)克里金差值算法計(jì)算而得。在無網(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

4 結(jié)束語(yǔ)

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，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