国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

維特比算法的一種室內地磁導航方法

2017-01-12 10:03樓喜中
中國計量大學學報 2016年4期
關鍵詞:數字地圖慣性導航維特

樓喜中,方 俊,陟 力

(中國計量大學 信息工程學院,浙江 杭州 310018)

維特比算法的一種室內地磁導航方法

樓喜中,方 俊,陟 力

(中國計量大學 信息工程學院,浙江 杭州 310018)

慣性導航系統是目前室內定位和導航領域一項非常重要的技術,但是傳統慣性導航系統中是利用算法融合地磁羅盤及陀螺儀等數據,進而提高相對位置的精度,但卻無法修正已經產生的誤差.所以傳統慣性導航系統在內部構造復雜的室內很容易出現走錯房間,穿越墻體等錯誤路徑.為了解決這些問題,提出一種基于維特比算法的室內導航方法,利用自建室內地磁數字地圖結合維特比算法,動態(tài)計算可能路徑.利用維特比算法特性提高了輸出路徑的糾錯能力,可有效排除錯誤路徑的干擾.本導航方法能有效避免穿墻錯誤路徑的出現,更加符合實際行走路徑.試驗結果表明,相對傳統慣性導航系統,它在復雜室內環(huán)境下進入正確房間的準確率提高了23%.

慣性導航系統;維特比算法;地磁數字地圖

導航技術儼然成為現代社會生活中一項非常重要的技術,近年來,關于室內導航的研究課題也越來越多.室內導航技術層出不窮,有基于無線電的導航技術,如WLAN導航[1]、RFID導航[2-3]、GPS導航[4-6]和超寬帶定位技術等.但是這些導航技術前期的布置成本高,在室內極易因為建筑物的內部構造復雜從而造成信號干擾,產生誤差.

近年來,慣性導航技術成為熱點,它不需要大量布置成本,自主性強、抵抗外界干擾能力強等特點吸引眾多學者和機構的研究.它有捷聯慣導系統和平臺式慣導系統[7].慣性導航系統是利用慣性元件來測量運動人體的加速度,經過積分和運算得到速度和位置,從而達到對運動人體的定位和導航.這種技術非常依賴精確的步長、航向值等信息的收集,同時通過卡爾曼濾波[8]和粒子濾波[9]等算法減小傳感器帶來的誤差,提高步長等數據的精度.

上述傳統的慣性導航方法都是基于硬件誤差的減小和利用算法建立誤差模型提高數據精度的方式提高導航準確性,但是在進入極易混淆的相鄰房間的時候,受誤差的影響,會產生進錯房間等錯誤路徑,并在后續(xù)的行走過程中發(fā)生穿越墻體的情況.本文通過對導航區(qū)域自建地磁數字地圖,結合維特比算法,利用維特比算法中度量值計算判斷路徑可能性,拋棄無效路徑的方式有效避免穿越墻體的路徑產生.該方法結合慣性導航系統,提高導航系統的糾錯能力.由仿真試驗結果表明,相較傳統慣性導航技術中依賴高精度數據完成導航,本文提出的方法作為輔助手段可有效避免穿越墻體等錯誤路徑的產生.

1 基于維特比算法的室內導航

1.1 地磁數字地圖

由于地磁是遍布在近地空間的,而且地磁的數值大小相對比較固定.雖然室內空間布局和內部構造會對地磁大小產生影響,但是我們在制作地磁地圖的時候是將這些影響一起記錄進去的.同時室內空間對地磁的影響也增加了地磁地圖的磁場特征,有利于算法對路徑的篩選.制作地磁數字地圖具體步驟為:

1)利用慣性導航設備中的高精度磁傳感器在室內劃分好的網格點交點處收集磁場數據;

2)慣性導航設備在室內劃分好的網格點交點處停留一段時間s,再將慣性導航系統中的磁場強度值截取中間若干個,若干個的磁場強度值組成一個集合M,從而計算出集合M的均值Ma=M/Ms,Ms表示集合M的個數;

3)慣性導航系統將得到集合M的均值Ma依次錄入到磁場數據中的網格點交點中,從而完成自建立網格型的磁場數據庫.如圖1,其中地磁地圖中X軸代表實際室內空間的長度,Y軸代表實際室內空間的寬度,Z軸代表實際室內空間磁場強度大小.數字地圖中坐標(dx,dy,dz)中dz為二維平面位置(dx,dy)的磁場強度大小.dx表示X軸坐標,dy表示Y軸坐標.

圖1 地磁數字地圖示意圖Figure 1 Magnetic field digital schematic map

1.2 維特比算法

維特比算法是一種在數字通信中經常使用的譯碼算法,于1976年由維特比(Viterbi)提出.作為隱馬爾科夫模型[10]基本算法之一,維特比算法主要解決的問題就是在給定模型的情況下,在對應的觀測值序列中找出最優(yōu)狀態(tài)序列[11].所以它是一種最優(yōu)的動態(tài)規(guī)劃算法,在眾多路徑當中找出最優(yōu)路徑,并且能夠回溯輸出整條路徑.在本文中,將它應用在解決室內導航中,利用其尋找最優(yōu)路徑的特性,動態(tài)規(guī)劃人體行走路徑.

維特比算法完成動態(tài)規(guī)劃的迭代計算過程如下:

(1)

(2)

δt(j)表示在觀察時刻t正處在狀態(tài)j產生出的路徑的最大概率即度量值,Ψt(j)表示一個狀態(tài)值,該值由上一狀態(tài)計算產生.

同時我們還能回溯最優(yōu)路徑,回溯公式為

(3)

1.3 基于維特比算法的導航方法

本方法通過提供基礎磁場數據計算每條可能路徑的度量值,輸出其中最大度量值對應的路徑作為室內導航結果.

在傳統慣性導航系統中,人行走的軌跡路徑取決于人體航向值、步長和步數三個數據.其算法的基本原理如圖2,(x0,y0)為行走起始點,(xi,yi)為行走的第i步點位置,H為人體行走航向值,航向值為繞Z軸旋轉角度,初始角度為設備中默認值,S為步長.利用這些信息可以推算人體行走路徑.

圖2 傳統慣性導航系統軌跡推算Figure 2 Traditional track estimate of inertial navigation

在此基礎上的可能路徑計算方式為:

1)根據人體航向值大小所在區(qū)間判斷人體行走方向,因為仿真試驗中使用的設備默認0°方向為正北,所以慣性導航系統中預設45°到135°為向東方向,135°到225°為向南方向,225°到315°為向西方向,315°到360°和0°到45°為向北方向.

3)依次計算可能位置,輸出路徑.因此可以實時計算出人體在行走過程中產生的所有可能路徑.

圖3 基于維特比算法慣性導航軌跡推算Figure 3 Inertial navigation track estimate base on Viterbi algorithm

圖4 基于維特比算法導航示意圖Figure 4 Navigation algorithm base on Viterbi algorithm

由此可以知道,如果一條可能路徑偏離了實際路徑,那么其地磁場序列和給定模型的序列誤差增大,導致其度量值增大,這條錯誤的路徑也就越容易被舍棄.而最貼近實際路徑的可能路徑會在排序中越來越高.為了防止可能路徑計算中遺漏正確路徑,導致最終偏離實際路線,出現進錯房間,穿越墻體等錯誤路徑出現,需要在算法中記錄室內極易混淆的區(qū)域,如兩個房間緊挨的區(qū)域.在此區(qū)域中,增加可能路徑方向上的選擇性,如圖5.

圖5 復雜區(qū)域可能位置選擇示意圖Figure 5 Select a possible location of complex regions

即保留前進方向上的下一位置點和與之垂直的方向上的相鄰四個點,同時保留與路徑前一位置相鄰兩點,共7個位置作為當前可能位置.

由于傳統導航方法中,路徑輸出始終只有一條,一旦出現偏離現象,后面路徑的規(guī)劃會始終基于此錯誤路徑之上,所以無法糾正自己的錯誤.但在本方法中,算法保留了正確路徑,后面路徑的規(guī)劃會同時基于這些可能路徑之上,進入正確房間的路徑的排序會越來越高,同時錯誤路徑將逐漸被舍棄.

此外,由于本導航方法中引入了地磁地圖,可以將室內不可能到達區(qū)域的地磁強度設置為零,如墻體,柱體內部.當可能路徑到達這些區(qū)域之后,當前位置的地磁誤差會非常大,導致其度量值非常大,這條錯誤路徑也會被舍棄.

錯誤路徑的舍棄在算法中能夠有效排除干擾,使后面可能路徑的計算能夠基于正確路徑,輸出最優(yōu)結果.

2 仿真試驗

為了保證試驗數據的準確性,本文中使用的慣性導航模塊是DRM4000L.制作相關室內空間的地磁數字地圖方法如下:我們將導航模塊綁在腰間,按照事先劃分好的網格點,在上面停留一段時間s,點與點之間的距離設置為0.6米.為保證網格點上取到的地磁數據的準確性,我們停留5 s.將慣性導航模塊設置為每0.5 s記錄一次.因為開始檢測地磁和結束時的移動可能會帶來誤差,所以我們只取中間的5組地磁數據,根據Ma=M/Ms計算得出當前網格點的地磁數據.依次記錄,完成地磁數字地圖的制作,如圖6.

圖6 地磁數字地圖Figure 6 Magnetic field digital map

在仿真試驗中,慣性導航系統中預設45°到135°為向東方向,135°到225°為向南方向,225°到315°為向西方向,315°到360°和0°到45°為向北方向,當初始位置A為(11,4),同時在計算可能路徑時,步數發(fā)生更新,根據人體航向值判斷,A后的第一步為向東.此時在地圖中,(11,3),(11,4),(11,5)都是第二步可能落下的位置,系統會記錄可能路徑,同時計算度量值.

為了驗證本方法的性能,在測試時,測試人員的行走路線要盡量復雜,所以在試驗中,要求測試人員按照Z字型行走.同時要求走進兩個極易混淆的相鄰教室,兩個教室之間只有一道墻的距離.一共進行200組試驗,分兩種行走路線,其中100組的行走路線為(10,4)、(20,1)、(30,6)、(40,1)、(41,6)、(41,12)、(50,12).另100組的行走路線為(10,4)、(20,6)、(30,1)、(40,6),(41,6)、(41,12)、(50,12).點與點之間按照直線行走.根據上面方法描述的特性,在行走過程中,慣性導航系統輸出的原始路徑若是發(fā)生穿墻行為是不會糾正自己的.但是本方法中,若發(fā)生穿墻行為,最終算法會自動拋棄錯誤的幸存路徑,驗證本方法的糾錯能力.隨著測試人員的行走,可能路徑的數量會急速增加,需要設置合理的幸存路徑條數,將其余路徑排除.試驗中各計算設置32、64、128、256、512條幸存路徑的性能.

圖7 仿真試驗結果圖Figure 7 Simulation results

通過上面的200組試驗,傳統慣性導航算法成功進入131次,成功率為65.5%.維特比算法的導航方法成功進入177次,成功率為88.5%.不同幸存路徑最后正確率依次為51.5%,71%,88.5%,89.5%,90.5%.由于設置256條和512條幸存路徑對最終準確率的提升并不明顯,為了提高計算性能,選擇128條幸存路徑的試驗結果作為最終試驗結果.我們發(fā)現相較于傳統慣性導航算法,基于維特比算法的導航方法在復雜室內環(huán)境下進入正確房間的準確率提高了23%.圖7為其中一組試驗仿真結果,由圖7可以看出,慣性導航系統輸出路徑顯示從走廊進入A教室后穿越墻體進入B教室,這是和圖中實際行走路線不相符的錯誤路徑.在兩個相鄰的教室中還是發(fā)生混淆.而度量值最大的可能路徑區(qū)分出了兩個教室,在仿真輸出的幸存路徑中也有走入A教室的,但是由于偏離實際路徑,在后面的行走過程中逐漸被舍棄了.同時行走軌跡基本符合實際行走路線.有效克服傳統導航系統中因為誤差因素的影響進錯房間并發(fā)生穿墻的情況,同時解決了傳統慣性導航系統中只依賴精確步長和航向值等信息才能進行室內導航的缺點,提高室內導航糾錯能力.

3 結 語

本文中所述的基于維特比算法的室內導航方法的優(yōu)缺點如下所述.

優(yōu)點:1)不嚴重依賴精確步長和航向值等信息;2)具有糾錯能力,能夠拋棄錯誤路徑獲得最優(yōu)路徑.

缺點:1)和實際路徑之間的誤差較大;2)路徑方向改變不敏感.鑒于以上缺點,我們需要對本方法做進一步的改進,以便能夠在實際工程應用中得到更廣泛的運用.

[1] ZOU Han, JIANG Hao, LU Xiaoxuan, et al. An online sequential extreme learning machine approach to WiFi based indoor positioning[C]//2014 IEEE World Forum on Internet of Things (WF-IoT). Seoul: IEEE,2014:111-116.

[2] MILLER L E, BRYNER N P, FRANCIS M H, el al. RFID-assisted indoor localization and communication for first responders[C]//European Conference on Antennas & Propagation. Nice: IEEE,2006:1-6.

[3] 韓晶.基于RFID標簽的定位原理和技術[J].電子科技,2011,24(7):64-67. HAN Jin. Position principles and location techniques based on RFID tags[J]. Electronic and Technology,2011,24(7):64-67.

[4] 李天文.GPS原理及應用[M].北京:科學出版社,2010:18-21.

[5] 施閣,盧江麗,孫延偉,等.航模動力及飛行環(huán)境無線實時監(jiān)測系統設計[J].中國計量學院學報,2009,20(1):22-26. SHI Ge, LU Jiangli, SUN Yanwei, el al. Aeromodelling's power and flight environment wireless real-time monitoring system[J]. Journal of China University of Metrology,2009,20(1):22-26.

[6] 雷波,陳華德,李青,等.基于動態(tài)差分GPS的滑坡位移監(jiān)測系統[J].中國計量學院學報,2011,22(63):203-207. LEI Bo, CHENG Huade, LI Qing, el al. Design of landslide displacement monitoring system based on dynamic differential GPS[J]. Journal of China University of Metrology,2011,22(63):203-207.

[7] TITTERTON D H, WESTON J L. Strapdown inertial navigation technology[J]. Aerospace & Electronic Systems Magazine IEEE,1997,20(7):33-34.

[8] GREWAL M S, ANDREWS A P. Kalman Filtering Theory and Practice Using MATLAB[M]. 3th ed.[S. 1.]: Circuit Theory & Design.2001:100-123.

[9] RISTIC B, ARULAMPALAM S, GORDON N. Beyond the kalman filter-particle filters for tracking applications[J]. IEEE Trans of Aerospace & Electronic Systems,2004,19(7):37-38.

[10] RABINER L. A tutorial on hidden markov models and selected applications in speech recognition[J]. Proceedings of the IEEE,1989,77(2):257-286.

[11] 劉功生,張春良,岳夏.基于HMM算法體系的逆維特比算法理論研究[J].機電工程技術,2014,43(11):7-10. LIU Gongsheng, ZHANG Chunliang, YUE xia. Research on theory of inv-viterbi algorithm based on the basic algorithm system of HMM[J]. M&E Engineering Technology,2014,43(11):7-10.

An indoor magnetic navigation method based on Viterbi algorithm

LOU Xizhong, FANG Jun, ZHI li

(College of Information Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

The inertial navigation system is the most important technology of indoor navigation and positioning. The traditional inertial navigation system that uses the algorithm merge magnetic compass, gyroscopes and other data to improve the accuracy of a relative position can not correct the errors. Therefore, in a complex internal structure, it is easy to walk into a wrong room, walk through a wall and so on. In order to solve these problems, a kind of interior navigation method based on the Viterbi algorithm by using the self-built indoor digital maps to dynamically calculate possible paths was proposed. The Viterbi algorithm could improve the error correction capability and could effectively eliminate interferences caused by wrong paths. This navigation method could effectively avoid wrong paths through the wall appearing. Compared with the conventional inertial navigation system, the accuracy of the walk in correct rooms in complex indoor environments increased by 23%.

inertial navigation system; Viterbi algorithm; magnetic digital map

2096-2835(2016)04-0429-06

10.3969/j.issn.2096-2835.2016.04.013

2016-09-27 《中國計量大學學報》網址:zgjl.cbpt.cnki.net

TN96

A

猜你喜歡
數字地圖慣性導航維特
詩意街頭
基于慣性導航量程擴展的滾動再次受控方法
基于FPV圖傳及慣性導航系統對機器人的控制
一種自適應H∞濾波的運動學約束慣性導航方法
數字地圖在綠化市容行業(yè)中的應用分析
對車輛自定位特征的評估
長安鈴木維特拉
極區(qū)間接橫向慣性導航方法
一種用于輔助駕駛的傳感器融合數字地圖系統
改變!拉力賽版維特拉
焦作市| 清镇市| 兴城市| 绥宁县| 深圳市| 进贤县| 四子王旗| 德惠市| 海口市| 河东区| 色达县| 西丰县| 遂平县| 宁陕县| 平泉县| 苏州市| 阳春市| 中江县| 万宁市| 涟源市| 枣阳市| 珠海市| 白朗县| 丹巴县| 江永县| 金溪县| 全椒县| 景东| 武功县| 洪江市| 肥西县| 伊宁市| 道孚县| 舞钢市| 东乡| 固始县| 隆林| 南通市| 涡阳县| 泸水县| 陆川县|