一种室内纯磁场导航的方法

摘要

本发明公开了一种室内纯磁场导航的方法。使用与导航区域一边等长的通电螺线管平行放置在室内的最长边，通上电流产生空间磁场；设定室内导航区域中目标的空间坐标点，计算得到空间目标点两个垂直分量的磁场大小；设定导航物体所在导航区域坐标点为初始坐标点；通过测量经过点的磁场大小信息及基于卡尔曼滤波的导航方法来预测将要行进的下一点的坐标位置，逐步靠近目标点；当在行进至某一点测得的两个垂直分量磁场大小信息与之前设定的目标点计算得到的磁场大小一致，则导航结束，导航物体到达设定的目标点。本发明公开的室内磁场导航方法不需要基于事先存储的磁场信息，不需要与任何其他设备通信，不需要依赖其他导航手段。

主权项

一种室内纯磁场导航的方法，其特征在于：使用与导航区域一边等长的通电螺线管平行放置在室内的最长边，通上电流产生空间磁场；设定室内导航区域中目标的空间坐标点，计算得到空间目标点两个垂直分量的磁场大小；设定导航物体所在导航区域坐标点为初始坐标点；通过测量经过点的磁场大小信息及基于卡尔曼滤波的纯磁场导航方法来预测将要行进的下一点的坐标信息，逐步靠近目标点；当在某一目标点测得的两个垂直分量磁场大小信息与之前设定的目标点计算得到的两个垂直分量的磁场大小一致，则导航结束，导航物体到达设定的目标点；所述的基于卡尔曼滤波的纯磁场导航方法为：(1)根据目标点坐标(x_e,y_e)和通电螺线管长度l、半径a、每米的匝数n、通电电流大小I，计算出目标点两个垂直分量的磁场大小信息，记为Bx_e和By_e；(2)设定导航物体所在导航区域坐标点为初始坐标点，记为(x₀，y₀)，用双轴磁传感器测得初始位置的磁场大小信息，即位Bx₀和By₀；记初始误差均方值P₀＝0，初始磁场测量值Z₀＝[Bx₀,By₀]；(3)从初始坐标点开始，一边测量经过路径上的磁场信息一边靠近目标点，整个过程分为k个步进，通过在第k步经过点(x_k，y_k)磁场大小及梯度信息来预测行进下一步(第k+1步)即将经过点的空间坐标点位置，记第k步测得的磁场大小信息为Bx_k和By_k，记Zm(k)＝[Bx_k,By_k]^T，记第k步所在点测得的磁场梯度信息为X_dotk和Y_dotk，记第k步X_dotk和Y_dotk与y轴的夹角分别为θ₁和θ₂，记下一步行进的测量前预测方向与y轴夹角为根据方程求出；然后求出下一步测量前的坐标预测值其中m为每一步测量的步长距离；求出测量前下一步磁场预测值(4)行进至测量前的坐标预测点，根据下一步测量前的坐标预测值及该点磁场测量值Z_m(k+1)，计算得到k+1步位置测量后预测状态值根据公式${\hat{M}}_{k+1}={\hat{M}}_{k+1}^{-}+K_{k+1}·(Z_m(k+1)-Z_f(k+1)),$其中：$K_k=P_k^{-}{N}^T{({\mathrm{NP}}_k^{-}{N}^T+R)}^{-1},$$P_k^{-}={\mathrm{AP}}_{k-1}{A}^T+Q,$初始时，P₀＝0；A＝1；N＝Zm(k)对M_k的导数；Q为处理噪声均方值，设为[100,100；100,100]R为测量噪声均方值，设为[100；100]*[100,100]；得到下一步(k+1步)测量后坐标预测点后，行进至该点，重复之前的步骤，以此类推，直到行进至点时，测量到的两个垂直分量的磁场与目标点的两个垂直分量的磁场相同，即认为到达了目标点，导航方法结束。