基于地磁指纹地图和PDR的室内定位技术研究

发布时间：2020-11-21 02:55

　　 随着无线通信和物联网等技术的快速发展,基于位置的服务特别是室内定位得到越来越多的重视。在室内定位中,地磁信号由于时间稳定性和位置差异性可以作为位置指纹在预先建立的指纹库中进行匹配定位,但是室内地磁指纹的位置分辨率很低,很难直接进行定位;而基于惯性传感器信息的行人航迹推算(PDR)在短距离内定位精确但存在累积误差;将两者融合定位可以优势互补。为了提高定位精度,本文在地磁指纹地图构建方法和PDR算法以及二者融合算法方面进行一些探索研究。基于地磁指纹的定位方法分为离线建库和在线匹配两步。在离线建库中,为了在采集相同指纹点数的情况下,达到更高的构建精度,提出了一种模拟退火优化传统BP网络的模型预测方法:通过模拟退火优化BP网络(SA-BP)中的权值及阈值,避免其在训练过程中陷入局部最优解,提高模型的预测性能。在实际场景中的实验表明:该方法用相同的指纹点构建出来的指纹地图估值误差比利用普通克里金插值方法误差要低;同时在保证定位精度的前提下,也降低了采集工作量。基于惯性传感器的PDR定位算法分为步频检测,步长估计和方向估计三方面。为了提高PDR的定位精度,使用加速度数据并设置阈值及状态值的改变进行步频检测;引入步频参数构建非线性模型进行步长估计;并且提出了一种粒子群优化粒子滤波(PSO-IPF)的PDR定位算法。与此同时,为了提高对采集设备和行人运动状态的模式识别的准确率,利用粒子群优化支持向量机(PSO-SVM)中的高斯核函数的宽度?及惩罚因子C,构建出新的分类器。在实际场景中的实验表明:改进后的PDR算法比传统PDR算法有更高的定位精度。在融合定位算法中,提出了一种前向序列匹配算法,通过PDR将连续时刻获得的地磁信息序列化,利用隐马尔科夫模型(HMM)将定位数据进行融合。在实际场景中的实验表明:此定位算法比传统的混合定位算法(卡尔曼滤波,粒子滤波)有更高的定位精度。经过实际室内环境定位实验验证,本文提出的定位算法具有较优越的定位性能,其定位精度达到了0.921m,可以满足对室内定位精度的需求。
【学位单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TP212
【部分图文】：

中北大学学位论文71.2T/m左右[53,54]。同时相应的研究表明电视机，冰箱，电脑等物体对地磁信号影响较小[55,56]。下面对室内地磁场特性进行具体分析。2.1.2室内地磁特性分析在室内定位中，选用智能手机作为移动终端来采集数据，智能手机内嵌的磁传感器采集到的磁场值是X,Y,Z轴的三个分量,,xyzBBB。由于地磁场模值222xyzBBBB是一个变化非常小并基本不随手机摇晃变化的量，具有相对的稳定性。因此，本文主要对地磁模值在不同情况下的特性进行分析。（1）地磁的时间稳定性室内地磁在一般情况下是比较稳定的。图2-1为在不同时间中用同一手机沿着实验室同一走廊行走收集到的地磁信息，两次采集数据时间间隔一个月。图2-1不同时间段测量的磁场值比较Fig.2-1Comparisonofmagneticfieldvaluesmeasuredatdifferenttimeperiods由图2-1可以看出，两次不同的时间情况下，地磁信息虽然没有完全重合，但总体上是相对稳定不变的。（2）地磁在不同走廊下的差异性由于地磁信号受到建筑物的不同内部结构以及金属物体排放等的影响，所以不同的建筑物往往呈现出不同的地磁信号分布。图2-2为分别用智能手机沿着实验室2层走廊和图书馆2层走廊行走收集到的地磁场信息。

中北大学学位论文8图2-2不同走廊的地磁信号分布Fig.2-2Geomagneticsignaldistributionindifferentcorridors由图2-2可以看出，分别在实验楼2层和图书馆2层走廊测量得到的地磁数据，发现它们的地磁场强度由于内部的建筑结构不同而有着明显的差异。（3）装置差异性和高度分析由于不同手机一般装有不同的磁传感器，而且在采集数据及定位的过程中，不同的人手持手机的高度往往也不一样，有必要对这些情况进行研究，通过两个简单的实验来证明：首先使用小米7A手机与iphone6Plus手机对地磁数据进行采集收集，作为对装置差异性的研究；同时利用iphone6Plus手机分别在0.5米、1米和1.5米的三个不同高度处采集地磁信息，作为对不同高度的分析；图2-3和2-4分别为手机采集到的数据：图2-3不同智能手机采集的地磁场数据Fig.2-3Geomagneticdatacollectedbydifferentsmartphones

中北大学学位论文8图2-2不同走廊的地磁信号分布Fig.2-2Geomagneticsignaldistributionindifferentcorridors由图2-2可以看出，分别在实验楼2层和图书馆2层走廊测量得到的地磁数据，发现它们的地磁场强度由于内部的建筑结构不同而有着明显的差异。（3）装置差异性和高度分析由于不同手机一般装有不同的磁传感器，而且在采集数据及定位的过程中，不同的人手持手机的高度往往也不一样，有必要对这些情况进行研究，通过两个简单的实验来证明：首先使用小米7A手机与iphone6Plus手机对地磁数据进行采集收集，作为对装置差异性的研究；同时利用iphone6Plus手机分别在0.5米、1米和1.5米的三个不同高度处采集地磁信息，作为对不同高度的分析；图2-3和2-4分别为手机采集到的数据：图2-3不同智能手机采集的地磁场数据Fig.2-3Geomagneticdatacollectedbydifferentsmartphones
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本文编号：2892412