基于微慣性系統(tǒng)的室內(nèi)定位方法研究.pdf

1、隨著近年來(lái)科技的發(fā)展，人們?cè)诟鞣N場(chǎng)合下對(duì)于精確的位置服務(wù)(Location Based Services，LBS)的需求也越來(lái)越多。GPS可以精確地提供戶(hù)外的位置信息，但在室內(nèi)環(huán)境下容易受到復(fù)雜環(huán)境的干擾導(dǎo)致信號(hào)微弱不能完成定位服務(wù)?，F(xiàn)有的室內(nèi)定位系統(tǒng)如超聲波、WLAN、超寬帶、RFID等雖然在一定程度上可以達(dá)到較高的定位精度，但是其缺點(diǎn)是需要在環(huán)境中提前安裝基礎(chǔ)設(shè)施，不能滿(mǎn)足未知環(huán)境下的定位需求。而慣性傳感器具有自主性強(qiáng)、不需要外部基

2、礎(chǔ)設(shè)施、輸出頻率高、短時(shí)精度高的優(yōu)點(diǎn)，特別是近年來(lái)微機(jī)電(Micro-Electro-Mechanical，MEMS)技術(shù)的發(fā)展，使其具有體積小、易攜帶等優(yōu)點(diǎn)。本文主要基于低成本微慣性測(cè)量單元(Micro Inertial Measurement Unit，MEMS IMU)設(shè)計(jì)了導(dǎo)航定位算法，主要的研究?jī)?nèi)容包括以下幾部分:
　　第一，充分調(diào)研了MEMS慣性傳感器室內(nèi)定位的研究現(xiàn)狀，前期通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了人體不同部位在移動(dòng)過(guò)程中的

3、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)分析的結(jié)果結(jié)合MEMS慣性傳感器的誤差特性和人體腳步的運(yùn)動(dòng)特征設(shè)計(jì)了鞋綁式的MEMS慣性傳感器室內(nèi)定位方案。
　　第二，針對(duì)低成本的MEMS慣性傳感器陀螺噪聲大、漂移嚴(yán)重的問(wèn)題，研究了磁力計(jì)輔助MEMS慣性傳感器粗對(duì)準(zhǔn)的方法。利用加速度計(jì)的輸出計(jì)算俯仰角和橫滾角，根據(jù)磁力計(jì)的特點(diǎn)，利用磁力計(jì)計(jì)算航向角，很好地解決了陀螺精度低造成的對(duì)準(zhǔn)誤差大的問(wèn)題。
　　第三，針對(duì)傳統(tǒng)單一閾值零速區(qū)間檢測(cè)算法存在的不足，通過(guò)真實(shí)

4、的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)充分分析了在不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下MEMS慣性傳感器輸出的加速度特點(diǎn)。設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)于多種步態(tài)的零速區(qū)間檢測(cè)算法。采用掃描定時(shí)間內(nèi)MEMS慣性傳感器輸出的加速度信息進(jìn)行判斷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，再根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)匹配相應(yīng)閾值方法。利用實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了不同狀態(tài)下的行走實(shí)驗(yàn)，對(duì)適應(yīng)于多步態(tài)的零速區(qū)間檢測(cè)算法進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法解決了傳統(tǒng)單一閾值在多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下不匹配的問(wèn)題，大大提高了零速檢測(cè)的精度。并根據(jù)檢測(cè)到的零速區(qū)間設(shè)計(jì)了一種計(jì)步算法。

5、r>　　第四，根據(jù)前面檢測(cè)到零速區(qū)間，設(shè)計(jì)了零速修正(Zero Velocity Update，ZUPT)加零角速度修正(Zero Augular Rate Update，ZARU)卡爾曼濾波算法。通過(guò)在零速區(qū)間觸發(fā)擴(kuò)展卡爾曼濾波器很好地對(duì)行走過(guò)程中傳感器的累積誤差進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償。
　　第五，為了驗(yàn)證定位算法的準(zhǔn)確度和有效性，利用低成本的MEMS IMU作為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)的不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下分別進(jìn)行了慢速行走實(shí)驗(yàn)、上下樓梯實(shí)驗(yàn)、大