[发明专利]一种基于自适应粒子滤波器算法的地磁室内定位系统

权利要求书

1.一种基于自适应粒子滤波器算法的地磁室内定位系统，特征在于：包含一个高效的地磁指纹数据收集单元和一个自适应粒子滤波器单元；

所述高效的地磁指纹数据收集单元是利用手机磁强计快速地收集室内地磁信号，转化为地磁指纹模型，最终通过插值得到高密度(地磁指纹，位置)数据库；

所述高效的地磁指纹数据收集单元：首先将所要收集地磁数据的区域用平行的直线路径分割；接着收集者需要拿着运行着地磁数据收集程序的手机，沿着这些路径匀速缓慢行走，收集每条路线上的地磁数据；最后，通过插值的方式，将两条线之间的地磁数据补齐，从而得到高密度的地磁指纹数据库；

所述地磁数据收集程序是基于智能手机开发的应用软件，用户能够在该程序上设置和选择路线，该应用软件收集地磁数据和重力加速度数据，并进行数据处理，转换为所述自适应粒子滤波器单元需要的地磁指纹模型，最后和其匹配的位置一起存入数据库；

所述地磁指纹模型包括两种，地磁密度指纹模型和HV地磁指纹模型，在存入数据库时，只需要保存位置对应的HV地磁指纹模型，地磁密度指纹模型通过从HV地磁指纹模型中计算得来；

所述地磁密度指纹模型，是指将三轴地磁向量数据的大小，即模值，当作地磁读数；所述HV地磁指纹模型是指通过加速度获取竖直方向，然后从三轴的地磁向量读数中抽取水平分量和竖直分量，形成一个新的二维地磁向量，所述二维地磁向量不受手机朝向变化的影响，而且比地磁密度指纹多了一个分量，作为度量模型的观察值时能够加快定位速度；

所述自适应粒子滤波器单元精确地估计用户的位置和朝向，包括：自适应行为模型，度量模型，自适应重采样模型，定位精度评估和定位失效检测模型，其中各个模型都不依赖于手机的朝向，并且能够容忍用户行为估计误差；

所述自适应行为模型是通过惯性传感器对用户的行为进行估计，包括计步，步长估计和连续两步之间朝向变化估计，根据用户行为变化来更新每个粒子的状态；

所述度量模型将地磁指纹作为观察值，匹配手机读数和地磁指纹数据库中指纹数据，重新评估更新后的每个粒子的权重；

所述自适应重采样模型重新筛选粒子，使得重采样后，粒子集将更加贴近真实状态的后验分布；

所述定位精度评估和定位失效检测模型用来评估当前定位精度，并启发式地检测是否发生定位失效的情况，一旦发生失效，则启动恢复程序。

2.根据权利要求1所述的地磁室内定位系统，其特征在于：

所述计步算法通过处理手机加速度传感器数据得到；人在行走时，加速度会发生周期性的变化；首先使用低通滤波器和均值滤波器来平滑原始的加速度数据降低误差，接着设置相邻波峰和波谷之间加速度大小阈值和时间差上界和下界的阈值过滤掉干扰情况，最后通过数波峰或者波谷数量实现计步功能；

所述步长估计算法是一种动态自适应的步长估计算法，在普通粒子滤波算法中步长被设置为一个常量，但是不同的人步长各异，即使同一个人步长也时常发生变化，所以本发明通过对重采样后的粒子步长求加权平均值得到一个建议步长；并通过一个队列缓存最近N个建议步长，将这N个建议步长的平均值作为下一次迭代时的步长；

所述连续两步之间朝向变化估计算法，首先是通过对从陀螺仪读取的角速度进行积分，得到两步之间手机x,y,z三轴上角度变化，继而利用加速度传感器获取到重力的方向，也就是竖直方向，通过坐标系变化，得到两步之间手机围绕竖直方向变化的角度，即用户朝向变化值。

3.根据权利要求1所述的地磁室内定位系统，其特征在于：

所述度量模型是一种新型的混合的模型，综合利用了两种不同的地磁指纹模型，分别是HV地磁指纹模型和地磁密度指纹模型，在定位的初始阶段，使用HV地磁指纹模型，能够加快粒子滤波器收敛速度，更快的完成定位；为了提高定位鲁棒性和稳定性，完成定位后切换到地磁密度指纹模型来继续追踪定位；

所述度量模型使用地磁指纹作为观察值进行匹配和评估权重时，并非使用地磁指纹的绝对值来评估，而是使用连续两步之间地磁指纹的差值作为观察值，这样能够避免不同手机读数存在偏差的问题，即不需要去一一校准所有的手机。