[发明专利]室内地磁定位导航装置

权利要求书

1.一种室内地磁定位和导航装置，该装置由室内遥控小型机器人、谐振式微磁传感器、无线数传电路板、上位机、下位机软件构成。其特征在于：系统依托新型的MEMS谐振微磁传感器，搭载于自动遥控机器人上，对室内地磁场进行3分量(X、Y、Z)相对量测量，基于实测数据所建立的曲面Spline模型和局部地磁底图，经过叠加后形成综合底图，再利用单点匹配、图像匹配(Homography Algorithm，Imaging Mosaic Algorithm)等方式进行匹配、定位，最后通过视频输出。针对当前室内定位技术的一些问题，我们利用地磁场进行定位导航。由于地磁场是地球的固有物理场，在任意一点都具有差异性和唯一性，因此完全可以通过对其进行测量、建模，并通过单点匹配、图像匹配进行定位、导航。本发明主要是提供一种基于室内地磁场进行定位导航的装置。利用地磁场这一自然源进行导航，属于被动式导航。由于是在室内进行操作，而室内环境存在很多铁磁干扰和电磁干扰，因此必须在消除或尽量抑制周围干扰后，方可进行较为准确可靠的地磁定位导航。其技术方案是这样实现的：通过一种谐振式巨磁阻抗非晶丝传感器固定在室内遥控小型机器人上进行测区的地磁场测量，该传感器测量测区地磁场的北向分量X，东向分量Y和垂直分量Z，其他分量可通过转换公式计算得到，若进行图像匹配，则利用4个传感器构成2×2的阵列式传感器组进行测区测量，机器人上还装载了无线数据发射装置，由于考虑到会对磁传感器产生铁磁干扰，因此大部份材料都是用了铜、铝等非铁磁性材料，并在传感器和发射板间使用铝制隔板进行格挡。在终端PC上安置了无线数据接收装置，在机器人行走时进行实测，在PC接受到预先测量的地磁数据后，建立起测区曲面Spline模型，将其与测区的实际分布相叠加，形成了测区的综合底图。实际进行测区定位时，可分为单点匹配和图像匹配两种方法，单点匹配也称为最优点匹配或最小距离匹配，通过设定一定值的容差在区域网格模型中选取最合适的测点，以此进行匹配；图像匹配是利用两种现较为常用的匹配方法--Homography算法和Imaging Mosaic算法完成，这两种方法各有特点，结合在一起使用，可提高局部图像匹配的准确度。经过算法匹配后，在机器人上贴加一张有色标记纸，通过C++程序在上位机即时地绘制出小车在综合底图上的运动轨迹，并通过对机器人输入下一目标点的磁场强度进行导航，最后将定位信息进行实时视频输出。

2.权利要求1所述的室内地磁定位和导航装置仪，其特征在于：为消除或尽量抑制室内铁磁、电磁干扰是为了减少对磁测数据的影响，而这些干扰主要来自于人为源和天然源两部分。人为源主要是人体所携带的手机、钥匙等铁磁性物质以及周围的铁磁设备，还有周围及楼上楼下所使用的电器设备和导线电流；天然源主要源于日间电离层、磁层及其感应层的干扰。对于人为源，在实验过程中，我们将本身所携带的铁磁性物质都除去，测量场地周围20米内基本没有铁磁性物质和电子设备；对于天然源的干扰，我们通过在凌晨6点前或晚上6点后进行实验，这段时间太阳高能粒子活动强度最低，外部干扰最小。这样将所有外部干扰降到最低，可大幅提高传感器测量数据的真实有效性，从而使定位导航的精度有所提高。

3.权利要求1所述的室内地磁定位和导航装置，其特征在于：谐振式巨磁阻抗非晶丝传感器是本专利的关键部件，其所使用的非晶丝磁敏材料是由Co基或/和Ni基或/和Fe基等材料为主添加其它一种或多种元素经特殊工艺加工而成的非晶丝，其直径可为1～200微米，其灵敏系数高达4000。所述的非晶丝磁敏材料在成为惠斯通电桥臂前采用PDMS灌封胶或环氧树脂灌封胶或橡胶或其它相似材料进行固封，形成一种嵌入式结构。该材料根据不同测量要求，可以固封成薄膜、长方体、立方体、球体等各种形状。该非晶丝磁敏材料可以设计成单根丝、相交的双丝、网状平面结构、网状二维结构、网状立体结构等多种结构形式。通过多种形式的组合，该非晶丝材料可以检测拉、压、弯、剪切、扭转等应力变形。

4.权利要求1所述的室内地磁定位和导航装置，其特征在于：小型机器人是一种智能型遥控清洁机器人，可进行定时、远距离遥控操作，并可进行直线、圆弧形行走，还可以自动寻找充电底座进行充电，利用以上特点，作为进行测区定位导航的载体。机器人整体外壳都由塑料构成，本身的磁场可通过预先测量其强度，通过差分消除。