一种基于空间配准与动态时间规整的室内地磁定位方法

本发明涉及室内定位与导航，尤其是涉及一种基于空间配准与动态时间规整的室内地磁定位方法。

背景技术：

1、全球卫星导航系统能够在室外环境中提供较为准确的位置服务，但在室内、地下停车场、隧道及矿井等遮挡环境中，卫星信号易受建筑物遮挡和多路径效应影响，难以实现连续、可靠的定位。现有室内定位技术主要包括wifi定位、蓝牙定位、超宽带定位、惯性导航定位和视觉定位等，其中，wifi定位及蓝牙定位容易受到多径效应和人体遮挡影响，超宽带定位需要部署专用基站，视觉定位对光照条件较为敏感且计算量较大。地磁定位利用建筑物内钢筋、金属管道及电气设备等铁磁性材料形成的稳定局部磁场畸变进行位置估计，具有无需额外部署基础设施、功耗低和信号稳定等优点，因而成为室内定位技术的重要发展方向。

2、然而，现有室内地磁定位技术仍存在指纹库构建效率低、维护困难及匹配定位精度不足等问题，传统人工逐点采集方式需要预先布设大量参考点，采集和维护成本较高，而采用连续行人航迹推算进行采集时，航向估计误差会随行走距离不断累积，并向前序及后续路径传播，导致轨迹畸变和指纹点空间分布不均，另外，在匹配定位方面，地磁轮廓匹配方法通常仅考虑平移误差，难以校正航向偏差引起的旋转误差，动态时间规整方法虽然能够处理序列错位问题，但缺乏空间约束，在大范围搜索时计算量较大且容易发生误匹配，最后，迭代最近等值线点方法对初始轨迹误差较为敏感，且存在最近点搜索效率低、收敛判据单一等问题，现阶段需要一种基于空间配准与动态时间规整的室内地磁定位方法。

技术实现思路

1、为了解决现有室内地磁定位技术中指纹库构建效率低、行人航迹推算误差易累积，而导致定位精度不足的技术问题，本发明提供一种基于空间配准与动态时间规整的室内地磁定位方法。

2、本发明提供的一种基于空间配准与动态时间规整的室内地磁定位方法，采用如下的技术方案：

3、一种基于空间配准与动态时间规整的室内地磁定位方法，包括：

4、获取目标室内通道的几何结构先验信息，并对采集路径进行分段，并沿分段后的采集路径同步采集带有统一时间戳的加速度数据和磁场数据；

5、根据获取的几何结构先验信息和加速度数据进行分段行人航迹推算，并将推算得到的轨迹点与对应的磁场数据进行匹配，生成地磁指纹点；

6、利用地磁指纹点构建空间索引，对满足空间邻近条件的地磁指纹点进行融合，对不满足空间邻近条件的地磁指纹点进行插入，得到地磁指纹库；

7、基于地磁指纹库构建地磁基准图并提取地磁等值线，结合实时短时行人航迹推算结果确定候选搜索区域，并在候选搜索区域内生成候选点集合；

8、根据候选点集合对实时行人航迹推算轨迹进行迭代最近等值线点空间配准，得到修正轨迹和候选匹配序列；

9、在修正轨迹和候选匹配序列的基础上，对实时地磁观测序列进行动态时间规整匹配，并根据匹配结果生成连续定位轨迹。

10、进一步地，所述采集带有统一时间戳的加速度数据和磁场数据，包括获取目标室内通道的平面拓扑、各分段的长度、转角位置以及各分段的行进方向，作为几何结构先验信息，根据几何结构先验信息，将采集路径在转角位置处划分为若干相互衔接的直线段，并使相邻直线段通过已知角点坐标进行空间衔接；

11、在沿每一直线段采集之前对采集设备进行静止姿态标定，并在标定完成后沿对应直线段按照固定采样频率同步采集带有统一时间戳的三轴加速度数据、三轴角速度数据和三轴磁场数据，根据各采样时刻对应的三轴磁场数据计算总磁场强度。

12、进一步地，所述将推算得到的轨迹点与对应的磁场数据进行匹配，包括对加速度数据计算合成幅值，并对合成幅值依次进行带通滤波和峰值检测，得到对应分段内的有效步数；

13、根据有效步数、预设固定步长和对应分段的已知长度确定单段距离缩放系数，利用单段距离缩放系数以及对应分段的起点坐标和行进方向角，对各步态点进行坐标分配，得到分段行人航迹推算的轨迹点；

14、根据各轨迹点对应的步态时刻获取总磁场强度，并生成包含横坐标、纵坐标、累积行走距离、总磁场强度和初始权重的地磁指纹点，所述轨迹点的坐标表达式为：

15、，

16、其中，、分别为第k个轨迹点的横坐标和纵坐标，、分别为对应分段起点的横坐标和纵坐标，为对应分段的已知长度，n为对应分段内检测得到的有效步数，为对应分段的行进方向角。

17、进一步地，所述得到地磁指纹库，包括以已有地磁指纹点的二维空间坐标构建k维树空间索引，对于新增地磁指纹点，利用k维树空间索引检索与其空间距离最近的已有地磁指纹点；

18、当新增地磁指纹点与已有地磁指纹点之间的空间距离小于预设融合距离阈值时，根据累积采样权重对磁场强度、空间坐标和权重进行融合；

19、当空间距离大于或等于预设融合距离阈值时，将新增地磁指纹点插入地磁指纹库，并更新k维树空间索引，融合结果满足公式：

20、，

21、，

22、其中，为融合后的磁场强度，为已有地磁指纹点的权重，为新增地磁指纹点的权重，为新增地磁指纹点的磁场强度，为已有地磁指纹点的磁场强度，为融合后的权重。

23、进一步地，所述结合实时短时行人航迹推算结果确定候选搜索区域，包括将地磁指纹库中的离散地磁指纹点映射至预设网格，并对预设网格中各网格节点的磁场值进行插值计算，构建连续地磁基准图；

24、根据实时磁场观测值，从连续地磁基准图中提取对应的地磁等值线，利用实时采集的加速度数据和角速度数据进行短时行人航迹推算，得到当前定位时刻的预测位置；

25、以预测位置为中心、以预设搜索半径确定候选搜索区域，地磁等值线上偏离预测位置的重复地磁特征区域进行排除。

26、进一步地，所述在候选搜索区域内生成候选点集合，包括利用空间索引，在对应地磁等值线与候选搜索区域内搜索最近等值线点，根据地磁特征差异、行人航迹推算距离约束、时间连续性约束和方向一致性约束计算候选点评价值，并选取候选点评价值满足预设筛选条件的若干候选点，生成候选点集合，所述候选点评价值的表达式为：

27、，

28、其中，为候选点s的候选点评价值，、、和分别为地磁特征差异、预测位置距离、时间连续性和方向一致性的权重系数，为候选点对应的地磁值，为实时测量得到的地磁值，为候选点的位置，为pdr预测位置，为当前时刻的候选点位置，为前一时刻的已匹配点位置，为候选点对应的轨迹方向角，为pdr航向角，为欧氏距离。

29、进一步地，所述得到修正轨迹和候选匹配序列，包括将实时行人航迹推算轨迹确定为当前轨迹，在候选点集合中搜索与当前轨迹中各轨迹点对应的最近等值线点，形成最近等值线点集合；以刚体变换后的轨迹点与对应最近等值线点之间的距离误差平方和最小为目标，求解旋转矩阵和平移向量，并利用旋转矩阵和平移向量更新当前轨迹，直至满足预设收敛条件或者达到预设最大迭代次数，将最终得到的轨迹确定为修正轨迹，并按照时间顺序关联所述修正轨迹及对应的最近等值线点，生成候选匹配序列。

30、进一步地，所述预设收敛条件，包括计算第k次迭代后的轨迹点相对于第k1次迭代后的轨迹点的位置残差，并计算第k次迭代后的轨迹点在地磁基准图中的磁场值与对应实时磁场观测值之间的地磁残差、以及轨迹中相邻轨迹点间距的轨迹平滑度；

31、当位置残差小于位置残差阈值、地磁残差小于地磁残差阈值且轨迹平滑度小于轨迹平滑度阈值时，判定迭代最近等值线点空间配准收敛，所述预设收敛条件满足如下公式：

32、，

33、其中，为第k次迭代后的第i个轨迹点，为第k1次迭代后的第i个轨迹点，为第k次迭代后的第i个轨迹点在地磁基准图中的磁场值，为第i个实时磁场观测值，为位置残差阈值，为地磁残差阈值，为轨迹平滑度阈值。

34、进一步地，所述根据匹配结果生成连续定位轨迹，包括根据实时采集的三轴磁场数据计算总磁场强度，形成实时地磁观测序列；

35、采用中位数绝对偏差方法检测实时地磁观测序列中的异常采样点，并利用相邻有效采样点对所述异常采样点进行修正，对修正后的实时地磁观测序列进行平滑滤波；

36、按照预设空间间隔对平滑滤波后的实时地磁观测序列进行空间重采样，对空间重采样后的实时地磁观测序列进行标准化处理，并将标准化处理后的实时地磁观测序列划分为若干沿时间顺序连续的滑动窗口序列。

37、进一步地，所述根据匹配结果生成连续定位轨迹，包括针对每一滑动窗口序列和每一候选匹配序列，计算滑动窗口序列中各地磁观测值与候选匹配序列中各地磁参考值之间的局部距离，构建局部距离矩阵；

38、根据局部距离矩阵构建累积代价矩阵，并在构建累积代价矩阵时施加约束带，使动态时间规整路径仅位于约束带内；

39、将累积代价矩阵的终点值确定为对应候选匹配序列的动态时间规整距离，并自累积代价矩阵的终点向起点回溯，得到对应的最优对齐路径；

40、根据各候选匹配序列对应的动态时间规整距离对候选定位结果进行排序，并按照动态时间规整距离的倒数进行加权融合，得到当前滑动窗口序列的融合定位结果。

41、综上所述，本发明具有如下的有益技术效果：

42、1、本发明通过获取目标室内通道的几何结构先验信息，将采集路径划分为若干相互衔接的直线段，并基于各分段的已知长度、起点坐标和行进方向进行分段行人航迹推算，使行人航迹推算误差被限制在单个分段内，避免了航向误差和位置误差在连续采集过程中的跨段累积，从而提高了地磁指纹点坐标的准确性和空间分布的均匀性。

43、2、本发明通过利用地磁指纹点的空间坐标构建空间索引，并根据空间邻近条件对新增地磁指纹点进行加权融合或插入，实现了地磁指纹点的快速检索、重复点融合和新点插入，并便于对局部区域进行增量更新，降低了指纹库的维护成。

44、3、本发明通过基于地磁指纹库提取地磁等值线，并结合实时短时行人航迹推算结果确定候选搜索区域，将候选位置限定在地磁等值线与候选搜索区域内，同时结合地磁特征差异、预测位置距离、空间连续性和方向一致性筛选候选点，缩小了候选位置的搜索范围，降低了重复地磁特征导致误匹配的概率。

45、4、本发明通过迭代最近等值线点空间配准对实时行人航迹推算轨迹进行平移和旋转校正，并利用位置残差、地磁残差和轨迹平滑度构成复合收敛条件，再基于修正轨迹和候选匹配序列进行受限动态时间规整匹配及候选结果融合，实现了空间约束与序列匹配的协同处理，提高了地磁序列匹配的鲁棒性和室内连续定位的精度及轨迹平滑性。