一种基于磁场信息的定位方法及装置

技术领域

本申请涉及磁图定位技术领域，具体涉及一种基于磁场信息的定位方法及装置。

背景技术

现阶段的声波定位技术，如Wi-Fi或者Bluetooth等是利用声波的反射作为接收信号的，室内金属材料较多，高频率(>20kHz)的信号无法透过金属，当多个信号经过反射后，接收到的信号误差增大，进而造成定位精度的丢失。

相比于声波定位，磁场定位技术的信号频率低(0.5-20kHz)，低频率信号容易透过导体材料，因此信号的反射较小，定位精度更高。

磁图定位系统的工作原理是磁感应，其中交流电在发射回路中运行，根据法拉第定律发射回路会感应时变磁场，进而在另一个作为接收器的线圈上感应电压。磁图定位的工作频率在低频3-30千赫(VLF)频带内或以下，因此又称为VLF磁图定位技术。磁图定位技术即使在矿难、岩爆、爆炸、洪水或火灾等事故中也能保持运行。

为了进一步提高磁图定位技术的抗干扰性和准确度，现提供一种基于磁场信息的定位技术，满足当前磁图定位需求。

发明内容

本申请提供一种基于磁场信息的定位方法及装置，对磁信号发射器进行合理布局，并构建空间磁场数据库，通过比对磁场分布图的方式进行磁图定位，有效避免外部干扰，在一定程度上提高了定位精度。

为实现上述目的，本申请提供以下方案。

第一方面，本申请提供了一种基于磁场信息的定位方法，所述方法包括以下步骤：

基于单个磁信号发射器的辐射范围，在定位空间内布设多个所述磁信号发射器；

测量所述定位空间中各磁信号路径的磁场强度，构建定位空间磁场数据库；

基于所述磁信号路径的磁场强度，建立所述定位空间的磁场分布图；

将待定位目标接收的磁场信号与所述磁场分布图进行比对，获得所述待定位目标的位置信息。

进一步的，测量所述定位空间中各磁信号路径的磁场强度，构建定位空间磁场数据库中：

利用磁场接收器接收各所述磁场发射器的模拟信号，获得所述磁场接收器对应区域的总磁场强度；

基于各所述磁场接收器对应区域的总磁场强度以及对应区域的位置信息，构建所述定位空间磁场数据库。

进一步的，基于所述磁信号路径的磁场强度，建立所述定位空间的磁场分布图中，包括以下步骤：

基于所述磁信号路径的磁场强度，获得对应区域的磁导率，构建FDTD模型；

根据所述FDTD模型，建立所述定位空间的磁场分布图。

进一步的，将待定位目标接收的磁场信号与所述磁场分布图进行比对，获得所述待定位目标的位置信息中，包括以下步骤：

在将待定位目标接收的磁场信号与所述磁场分布图进行比对，获得比对误差最小值对应的定位空间区域；

基于比对误差最小值对应的定位空间区域，获得所述待定位目标的位置信息。

进一步的，在将待定位目标接收的磁场信号与所述磁场分布图进行比对，获得比对误差最小值对应的定位空间区域中，包括以下步骤：

基于待定位目标接收的磁场信号，获得第一N维矩阵；

基于所述定位空间磁场数据库，获得各定位空间区域的第二N维矩阵；

计算所述第一N维矩阵与各所述第二N维矩阵的均方根误差或均方误差，获得比对误差最小值对应的定位空间区域。

进一步的，相邻的两个所述磁信号发射器的辐射范围相交或相切。

第二方面，本申请提供了一种基于磁场信息的定位装置，所述装置包括：

布设区域划分模块，其用于基于单个磁信号发射器的辐射范围，在定位空间内设计多个所述磁信号发射器的布设区域；

磁场数据库构建模块，其用于测量所述定位空间中各磁信号路径的磁场强度，构建定位空间磁场数据库；

磁场分布图建立模块，其用于基于所述磁信号路径的磁场强度，建立所述定位空间的磁场分布图；

目标定位模块，其用于将待定位目标接收的磁场信号与所述磁场分布图进行比对，获得所述待定位目标的位置信息。

进一步的，所述磁场数据库构建模块还用于利用磁场接收器接收各所述磁场发射器的模拟信号，获得所述磁场接收器对应区域的总磁场强度；

所述磁场数据库构建模块还用于基于各所述磁场接收器对应区域的总磁场强度以及对应区域的位置信息，构建所述定位空间磁场数据库。

进一步的，所述磁场分布图建立模块还用于基于所述磁信号路径的磁场强度，获得对应区域的磁导率，构建FDTD模型；

所述磁场分布图建立模块还用于根据所述FDTD模型，建立所述定位空间的磁场分布图。

进一步的，所述目标定位模块还用于在将待定位目标接收的磁场信号与所述磁场分布图进行比对，获得比对误差最小值对应的定位空间区域；

所述目标定位模块还用于基于比对误差最小值对应的定位空间区域，获得所述待定位目标的位置信息。。

进一步的，所述目标定位模块还用于基于待定位目标接收的磁场信号，获得第一N维矩阵；

所述目标定位模块还用于基于所述定位空间磁场数据库，获得各定位空间区域的第二N维矩阵；

所述目标定位模块还用于计算所述第一N维矩阵与各所述第二N维矩阵的均方根误差或均方误差，获得比对误差最小值对应的定位空间区域。

进一步的，相邻的两个所述磁信号发射器的辐射范围相交或相切。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请对磁信号发射器进行合理布局，并构建空间磁场数据库，通过比对磁场分布图的方式进行磁图定位，有效避免外部干扰，在一定程度上提高了定位精度。

附图说明

术语解释：

VLF：Very Low Frequency，甚低频；

FDTD：Finite Difference Time Domain，时域有限差分法；

RMSE：Root Mean Squared Error，均方根误差；

MSE：Mean Square Error，均方误差。

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中提供的基于磁场信息的定位方法的步骤流程图；

图2为本申请实施例中提供的基于磁场信息的定位方法的原理流程图；

图3为本申请实施例中提供的基于磁场信息的定位方法中磁信号发射器的辐射范围示意图；

图4为本申请实施例中提供的基于磁场信息的定位方法中磁信号发射器的位置优化示意图；

图5为本申请实施例中提供的基于磁场信息的定位方法中总磁场强度获取原理图；

图6为本申请实施例中提供的基于磁场信息的定位方法中数据间间隔设计示意图；

图7为本申请实施例中提供的基于磁场信息的定位方法中FDTD的求解原理图；

图8为本申请实施例中提供的基于磁场信息的定位方法中DTD数值模拟模型的迭代示意图；

图9为本申请实施例中提供的基于磁场信息的定位方法中磁图的定位与更新原理图；

图10为本申请实施例中提供的基于磁场信息的定位装置的结构框图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图对本申请的实施例作进一步详细说明。

本申请实施例提供一种基于磁场信息的定位方法及装置，对磁信号发射器进行合理布局，并构建空间磁场数据库，通过比对磁场分布图的方式进行磁图定位，有效避免外部干扰，在一定程度上提高了定位精度。

为达到上述技术效果，本申请的总体思路如下：

一种基于磁场信息的定位方法，该方法包括以下步骤：

S1、基于单个磁信号发射器的辐射范围，在定位空间内布设多个磁信号发射器；

S2、测量定位空间中各磁信号路径的磁场强度，构建定位空间磁场数据库；

S3、基于磁信号路径的磁场强度，建立定位空间的磁场分布图；

S4、将待定位目标接收的磁场信号与磁场分布图进行比对，获得待定位目标的位置信息。

以下结合附图对本申请的实施例作进一步详细说明。

参见图1～9所示，本申请实施例提供一种基于磁场信息的定位方法，该方法包括以下步骤：

S1、基于单个磁信号发射器的辐射范围，在定位空间内布设多个磁信号发射器；

S2、测量定位空间中各磁信号路径的磁场强度，构建定位空间磁场数据库；

S3、基于磁信号路径的磁场强度，建立定位空间的磁场分布图；

S4、将待定位目标接收的磁场信号与磁场分布图进行比对，获得待定位目标的位置信息。

需要说明的是，本申请实施例的操作流程，具体如下：

第一步，磁信号发射器的布置和优化：

确定单个发射器的辐射范围，对磁信号发射器的数量和位置进行优化，在定位空间布置发射器。

第二步，磁信号的发射与采集：

采用传感器对每一条路径的磁场强度进行测量，测定若干条路径的磁场强度数据，形成定位空间磁场数据库。

第三步，建立FDTD模型：

将测量得到的磁场强度转换成每个区域(cell)的磁导率；

根据每个区域(cell)的磁导率建立FDTD模型；其中，

FDTD模型求解过程是由旋转电场E求解出旋转中心B的变化，再由变化的磁场B求解出感应电场H，然后反复迭代得到整个空间在时域的电磁场分布。

第四步，磁图的定位与更新：

根据FDTD模型建立空间区域的磁场分布图，然后根据定位目标接收到的磁场信号，两者的数据进行对比，确定定位目标的位置。

本申请实施例中，对磁信号发射器进行合理布局，并构建空间磁场数据库，通过比对磁场分布图的方式进行磁图定位，有效避免外部干扰，在一定程度上提高了定位精度。

进一步的，测量所述定位空间中各磁信号路径的磁场强度，构建定位空间磁场数据库中：

利用磁场接收器接收各所述磁场发射器的模拟信号，获得所述磁场接收器对应区域的总磁场强度；

基于各所述磁场接收器对应区域的总磁场强度以及对应区域的位置信息，构建所述定位空间磁场数据库。

进一步的，基于所述磁信号路径的磁场强度，建立所述定位空间的磁场分布图中，包括以下步骤：

基于所述磁信号路径的磁场强度，获得对应区域的磁导率，构建FDTD模型；

根据所述FDTD模型，建立所述定位空间的磁场分布图。

进一步的，将待定位目标接收的磁场信号与所述磁场分布图进行比对，获得所述待定位目标的位置信息中，包括以下步骤：

在将待定位目标接收的磁场信号与所述磁场分布图进行比对，获得比对误差最小值对应的定位空间区域；

基于比对误差最小值对应的定位空间区域，获得所述待定位目标的位置信息。

进一步的，在将待定位目标接收的磁场信号与所述磁场分布图进行比对，获得比对误差最小值对应的定位空间区域中，包括以下步骤：

基于待定位目标接收的磁场信号，获得第一N维矩阵；

基于所述定位空间磁场数据库，获得各定位空间区域的第二N维矩阵；

计算所述第一N维矩阵与各所述第二N维矩阵的均方根误差或均方误差，获得比对误差最小值对应的定位空间区域。

进一步的，相邻的两个所述磁信号发射器的辐射范围相交或相切。

具体的，基于本申请实施例的技术方案，其具体执行时的操作内容如下：

第一点，磁信号发射器的布置和优化流程：

第一步，确定磁信号发射器的辐射范围，如说明书附图的图3所示，该图两个发射器的辐射范围，两个发射器的距离需要保证辐射范围能够相切或者相交，相离的情况会导致有些位置信号采集的丢失；

第二步，采用人工神经网络等方法对发射器的位置进行优化，如说明书附图的图4所示，保证能够覆盖需要定位的每个位置，同时确保发射器的数量最少。

第二点，磁图数据的收集流程：

第一步，基于此前确定的N个磁信号发射器的位置，如说明书附图的图5所示，第i个发射器经过调制生成模拟信号，磁场接收器通过解调制得到第j个测量点对应的第i个磁信号发射器发射的信号，将j点对应的N个电磁信号进行积分处理，得到j点的总磁场强度Bsum

第二步，测量每条路径上的磁场数据，每个数据点之间的间隔a，如说明书附图的图6所示，间隔a推荐选定5～20m。

第三步，按照以上规则测量每条数据，每条数据之间的间隔b，如说明书附图的图6所示，间隔a推荐选定0.5-1.0m。

第四步，按照以上规则测量M条数据，形成几何位置与磁场数据的一一对应关系的磁场数据库。

第三点，FDTD模型的建立，在建立FDTD模型是存在两种情况，具体如下：

第一种情况，采用不考虑移动金属影响的磁图定位技术，采用传感器测定若干位置的磁场强度；

将测量得到的磁场强度转换成每个区域(cell)的磁导率；根据每个区域(cell)的磁导率建立空间区域的磁场分布图建立电磁波时域有限差分法(FDTD)模型；

FDTD的求解主要过程如说明书附图的图7所示，主要流程是：

第一步由旋转电场E求解出旋转中心B的变化；

第二步由变化的磁场B求解出感应电场H；

第三步由更新后的旋转电场E求解出旋转中心更新后B的变化；

第四步由更新后变化的磁场B求解出更新后的感应电场H；

通过以上几步迭代进行，得到整个空间在时域的电磁场分布。

需要说明的是，图7中，

第二种情况，采用考虑移动金属影响的磁图定位技术，建立考虑移动金属影响的FDTD模型：

第一种情况的上述磁图定位技术为地下等弱GPS信号条件下提供了新的解决方案，但是由于建筑中的感应部件的干扰，一般低频磁定位系统中的感应精度低(>1m)。

现有的磁图定位研究中考虑移动金属影响的研究较少，而移动金属又对磁图定位技术的精度影响巨大，因此针对这一问题本项目开展基于FDTD的考虑移动金属影响的高精度磁图定位研究十分具有意义。

为了考虑移动金属材料的影响，maxwell方程中引入金属导电率σ，变化后的maxwell方程组如下：

其中，FDTD数值模拟模型的迭代过程如说明书附图的图8所示，将变化后的Maxwell方程组变换成差分形式，并通过MALAB进行编程，反复迭代得到磁场分布随时间的变化。

需要说明的是，图8中，

第四点，磁图的定位与更新流程：

将新进入物体接收到的磁场信号与FDTD模型中的磁场数据进行对比，进行位置确定；

如说明书附图的图9，其为磁图的定位与更新原理图，当得到磁场分布图后，接着利用磁图进行定位和位置更新，主要步骤如下：

移动的接收器接收到各个发射器发射的信号，并且进行处理；将处理后的磁场数据与磁场分布图中的信号对比，返回误差值最小的区域；

将该区域标记为接收器所在位置，并对磁场分布图进行更新。

需要说明的是，磁图的定位与更新是的算法具体如下：

第一，测试到的数据为一个N维矩阵O，

第二，数据库中的数据同样是一个N维矩阵，记作P，

第三，计算不同位置的权重，通过误差值的方法有均方根误差或均方误差，其中，

均方根误差计算公式为：

均方误差计算公式为：

参见图10所示，基于与方法实施例相同的发明构思，本申请实施例提供一种基于磁场信息的定位装置，该装置包括：

布设区域划分模块，其用于基于单个磁信号发射器的辐射范围，在定位空间内设计多个所述磁信号发射器的布设区域；

磁场数据库构建模块，其用于测量所述定位空间中各磁信号路径的磁场强度，构建定位空间磁场数据库；

磁场分布图建立模块，其用于基于所述磁信号路径的磁场强度，建立所述定位空间的磁场分布图；

目标定位模块，其用于将待定位目标接收的磁场信号与所述磁场分布图进行比对，获得所述待定位目标的位置信息。

需要说明的是，本申请实施例的操作流程，具体如下：

第一步，磁信号发射器的布置和优化：

确定单个发射器的辐射范围，对磁信号发射器的数量和位置进行优化，在定位空间布置发射器。

第二步，磁信号的发射与采集：

采用传感器对每一条路径的磁场强度进行测量，测定若干条路径的磁场强度数据，形成定位空间磁场数据库。

第三步，建立FDTD模型：

将测量得到的磁场强度转换成每个区域(cell)的磁导率；

根据每个区域(cell)的磁导率建立FDTD模型；其中，

FDTD模型求解过程是由旋转电场E求解出旋转中心B的变化，再由变化的磁场B求解出感应电场H，然后反复迭代得到整个空间在时域的电磁场分布。

第四步，磁图的定位与更新：

根据FDTD模型建立空间区域的磁场分布图，然后根据定位目标接收到的磁场信号，两者的数据进行对比，确定定位目标的位置。

本申请实施例中，对磁信号发射器进行合理布局，并构建空间磁场数据库，通过比对磁场分布图的方式进行磁图定位，有效避免外部干扰，在一定程度上提高了定位精度。

进一步的，所述磁场数据库构建模块还用于利用磁场接收器接收各所述磁场发射器的模拟信号，获得所述磁场接收器对应区域的总磁场强度；

所述磁场数据库构建模块还用于基于各所述磁场接收器对应区域的总磁场强度以及对应区域的位置信息，构建所述定位空间磁场数据库。

进一步的，所述磁场分布图建立模块还用于基于所述磁信号路径的磁场强度，获得对应区域的磁导率，构建FDTD模型；

所述磁场分布图建立模块还用于根据所述FDTD模型，建立所述定位空间的磁场分布图。

进一步的，所述目标定位模块还用于在将待定位目标接收的磁场信号与所述磁场分布图进行比对，获得比对误差最小值对应的定位空间区域；

所述目标定位模块还用于基于比对误差最小值对应的定位空间区域，获得所述待定位目标的位置信息。。

进一步的，所述目标定位模块还用于基于待定位目标接收的磁场信号，获得第一N维矩阵；

所述目标定位模块还用于基于所述定位空间磁场数据库，获得各定位空间区域的第二N维矩阵；

所述目标定位模块还用于计算所述第一N维矩阵与各所述第二N维矩阵的均方根误差或均方误差，获得比对误差最小值对应的定位空间区域。

进一步的，相邻的两个所述磁信号发射器的辐射范围相交或相切。

需要说明的是，本申请实施例提供的基于磁场信息的定位装置，其对应的技术问题、技术手段以及技术效果，从原理层面与基于磁场信息的定位方法的原理类似。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。