一种用于室内导航的传感器装置及磁地图生成方法

摘要

一种用于室内导航的传感器装置和磁地图生成方法，包括正六面体电路板和设置在该正六面体电路板六个表面的磁传感器，获取当前楼层相对于地面的气压差ΔP和室内建筑设计施工平面图；以行走路径上的分叉口为断点，对室内平面图中所有的行走路径进行直线段离散分段处理得到离散直线段分段路径，对每一离散直线段分段路径和分叉口进行唯一地址编号，在每一个离散直线段分段路径上匀速行走，采集该离散直线段分段路径中每一点的磁感应强度平均值和磁场梯度数据，该磁感应强度平均值和磁场梯度数据构成磁地图数据；将离散直线段分段路径唯一地址编号和相应的磁场地图数据配对存储，从而生成用于室内导航的磁地图。本发明生成的磁地图路径精确、定位精度高。

说明书

技术领域

本发明属于基于地磁分布的室内导航领域，尤其涉及一种用于室内导航的磁地图生成方法。

背景技术

随着经济社会的快速发展，人们活动的室内空间变得日益庞大和复杂，在大型地下停车场、购物百货商场、大型物流仓库等室内场所确定自己或者AGV的位置，并沿着特定路径导航到室内某一目的地显得力不从心，尤其是盲人，缺乏视觉感知能力时室内导航更为困难，因此迫切需要一种室内定位导航技术。

尽管室内导航需求强烈，传统的导航技术却因各种技术限制，无法满足室内定位要求。比如，目前室外应用最广泛的GPS技术在室内使用时，卫星信号容易被建筑物阻隔，导致无法实现准确定位；尽管手机的无线通讯信号可以穿透多数建筑的墙壁，但移动通信基站的分布密度较低，利用手机无线通讯信号进行定位的精度不足；基于Wi-Fi的定位技术需要了解每一个Wi-Fi热点的准确位置，甚至对每一个Wi-Fi信号强度进行测量，测量成本太高，定位精度难以保证。

近年来出现了基于地磁分布的室内定位方法，其原理是基于大型建筑物墙壁中的钢筋和室内货架、桌脚等铁磁性物质对室内地球磁场的改变，利用磁场传感器检测室内不同位置的不同磁场大小来进行定位。其中，室内路径的磁场地图的“绘制”是成功导航的基础。现有磁场地图存在几个不足：第一，磁场是一个梯度场，而仅仅测量室内路径中每一点的磁场强度并没有充分利用磁场分布信息，很有可能限于传感器的测量精度和室内地磁场分布变化差异性太小导致测量“盲区”；第二，大型建筑物不同楼层间路径布局类似，磁场测量只能形成水平面的平面二维地图，缺乏高度这一第三维坐标信息；第三，室内行走路径复杂，建立磁地图时，无法对室内所有可能的完整行走路径逐一进行测量记录，也缺乏具体操作方法对室内平面图中的各条完整路径进行科学自动地分段，造成地图绘制时各条数据采集路段之间的交叉重叠测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种路径精确，定位精度高的用于室内导航的传感器装置及磁地图生成方法。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种用于室内导航的传感器装置，包括电路板和用于测量室内磁场的传感器，所述磁传感器共设置有六个，电路板为正六面体电路板，该六个磁传感器分别设置在该正六面体电路板的六个表面的中心位置。

一种磁地图生成方法，包括以下步骤：

S1,获取当前楼层相对于地面的气压差ΔP，根据公式Δh＝ΔP/(ρg)获得当前楼层相对于地面的高度Δh，其中ρ为空气密度，g为重力加速度；

S2,获取当前楼层的室内建筑设计施工平面图；

S3,以行走路径上的分叉口为断点，对室内平面图中所有的行走路径进行直线段离散分段处理得到离散直线段分段路径，对每一离散直线段分段路径和分叉口进行唯一地址编号，该分叉口包括行走路径上的拐弯路口、十字形路口和T字形路口；

S4,在每一个离散直线段分段路径上匀速行走，采集该离散直线段分段路径中每一点的磁感应强度平均值和磁场梯度数据，该磁感应强度平均值和磁场梯度数据构成磁地图数据；

S5,将离散直线段分段路径唯一地址编号和相应的磁场地图数据配对存储，从而生成用于室内导航的磁地图。

所述步骤S4中采集磁地图数据时，具体为：

S4.1，在正六面体电路板上建立XYZ坐标系，该XYZ坐标系的原点为正六面体电路板的几何中心，每一个传感器都在各自所在位置测量沿XYZ三个方向的磁感应强度，分别记为(x_i,y_i,z_i)，i＝1～6，该i＝1～6对应六个磁传感器；

S4.2，计算XYZ三方向磁感应强度平均值然后获得正六面体电路板几何中心点处的磁场梯度矩阵g＝[gradient_x gradienty_ygradient_z]，其中

X方向的磁场梯度向量为

Y方向的磁场梯度向量为

Z方向的磁场梯度向量为其中w为正六面体电路板边长，通过以上采集计算得到所有行走路径的磁地图数据；

S4.3，将磁地图数据进行保存。

所述步骤S4中采集磁地图数据时以50Hz或50Hz以上的频率进行采集。

所述步骤S5具体为：将每一离散直线段分段路径上的磁地图数据以采集测量时的时间为顺序存储为数据矩阵，并将该数据矩阵与直线段分段路径唯一地址编号配对存储。

本发明准确、快速、科学地规划平面磁地图测量路径，利用磁传感器测量磁场XYZ三个方向的分量数值和磁场三梯度数值，并且通过获得导航高度所在的楼层信息，解决现有的磁地图测量路径冗余、不精确和高度信息缺乏的技术难题。

附图说明

附图1为本发明中传感器装置的立体结构示意图；

附图2为本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如附图1所示，本发明揭示了一种用于室内导航的传感器装置，包括电路板1和用于测量室内磁场的磁传感器2，所述磁传感器共设置有六个，电路板为正六面体电路板，该六个磁传感器分别设置在该正六面体电路板的六个表面的中心位置。正六面体电路板的边长可根据需要设置1厘米、2厘米或者其他数值，在此并无特别限定，可根据实际使用场合和设备灵活设定。利用磁传感器检测磁场XYZ三个方向的分量数值及磁场梯度数值。

在正六面体电路板上建立XYZ坐标系，该XYZ坐标系的原点为正六面体电路板的几何中心，每一个传感器都在各自所在位置测量沿XYZ三个方向的磁感应强度，分别记为(x_i,y_i,z_i)，i＝1-6，该i＝1-6对应六个磁传感器。首先根据六个不同方向的磁传感器测量得到XYZ三方向的磁感应强度(x_i,y_i,z_i)，计算XYZ三方向磁感应强度平均值然后获得正六面体电路板1中心点即XYZ坐标系原点的磁场梯度矩阵g＝[gradient_x gradienty_y gradient_z]，其中

X方向的磁场梯度向量为

Y方向的磁场梯度向量为

Z方向的磁场梯度向量为其中w为正六面体电路板边长。从而可得到磁场三个方向的分量数值和磁场三梯度数值。

另外，本发明还揭示了一种磁地图生成方法，所述方法包括以下步骤：

S1,获取当前楼层相对于地面的气压差ΔP，根据公式Δh＝ΔP/(ρg)获得当前楼层相对于地面的高度Δh，其中ρ为空气密度，g为重力加速度。该ρ和g为常数，从而根据获取得到的气压差，即辅助可得到当前楼层的高度，不受绝对气压剧烈波动的影响，具有高度的稳定性，能够辅助AGV小车、盲人等非健康人对室内导航楼层高度信息的需求。

S2,获取当前楼层的室内建筑设计施工平面图。

S3,以行走路径上的分叉口为断点，对室内平面图中所有的行走路径进行直线段离散分段处理得到离散直线段分段路径，对每一离散直线段分段路径和分叉口进行唯一地址编号，该分叉口包括行走路径上的拐弯路口、十字形路口和T字形路口，或者其他的具有拐点的路口。通过地址编号后，室内所有的行走路径都是部分或者全部编号后的离散直线段分段路径和拐弯路口、十字形路口和T字形路口等分叉口不同顺序的排列组合。大大减小了磁地图绘制时的测量数据，也减小了磁数据存储容量要求。通过对路径进行唯一地址编号，从而确保路径的唯一性，不会造成冗余重叠，提高路径的精确性。

S4,在每一个离散直线段分段路径上匀速行走，采集该离散直线段分段路径中每一点的磁感应强度平均值和磁场梯度数据，该磁感应强度平均值和磁场梯度数据构成磁地图数据。以同一姿势手持或AGV等设备搭载传感器装置，保持磁传感器的X轴向前、Z轴向上的状态，人体或者AGV匀速在离散直线段分段路径上从起点走至终点，磁传感器以较高速的采样频率，通常为50Hz或者50Hz以上的变频进行数据采集，保证有充足的磁地图数据，并将磁地图数据存储在单片机的EEPROM、硬盘、SD卡等数字化存储介质内。

S5,将离散直线段分段路径唯一地址编号和相应的磁场地图数据配对存储，从而生成用于室内导航的磁地图。具体为：将每一离散直线段分段路径上的磁地图数据以采集测量时的时间为顺序存储为数据矩阵，并将该数据矩阵与直线段分段路径唯一地址编号配对存储。

通过本发明提供磁地图生成方法，利用手机、平板电脑等常见电子设备或单独作为外围硬件设备的气压计传感器获取楼层高度信息，具有便捷、准确、廉价的优点，能够辅助AGV小车、盲人等对室内导航的地图需求。将室内路径在拐弯路口、十字形路口、T字形路口等分叉口进行离散直线段分段避免了不同完整行走路径之间路径重叠部分的重复测量，极大地减小了地图绘制的工作量，节省了测量成本，解决了现有的磁地图测量路径冗余的问题。将复杂路径在拓扑结构上进行简单的直线段离散唯一编码，通过离散分段直线段和拐弯路口、十字形路口和T字形路口等分叉口不同顺序的排列组合实现不同完整路径，低了导航的复杂程度。

需要说明的是，以上所述并非是对本发明的限定，在不脱离本发明的创造构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。