低成本MEMSIMU室內(nèi)行人定位技術(shù)研究.pdf

1、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（如GPS）已經(jīng)廣泛存在于智能手機(jī)、平板電腦、汽車、飛機(jī)、輪船等設(shè)備上，在陸上、航空、航海等領(lǐng)域?qū)Ш蕉ㄎ话l(fā)揮著巨大的作用。但是，GPS在城市的室內(nèi)環(huán)境、城市甬道、立交橋下及茂密的樹林里受到削弱甚至屏蔽，從而失去導(dǎo)航定位功能。隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市里的高樓、立交和地鐵等建筑越來(lái)越多，在此環(huán)境中人們的導(dǎo)航和定位受到了很大的影響。因此，精確的室內(nèi)行人定位技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)挑戰(zhàn)，最近幾年吸引著越來(lái)越多的研究人員致力于此研究。室

2、內(nèi)行人定位技術(shù)主要有基于無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)（WiFi）技術(shù)、無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)、超聲定位、圖像識(shí)別技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)，其中基于低成本微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）慣性測(cè)量單元（IMU）的室內(nèi)行人定位技術(shù)以其獨(dú)立性、可靠性等優(yōu)點(diǎn)受到了研究人員的青睞，發(fā)展迅速。
　　低成本MEMS IMU模塊作為室內(nèi)行人定位技術(shù)的硬件，主要由加速度計(jì)、陀螺儀、磁傳感器和氣壓計(jì)等組成?；贛EMS IMU模塊的室內(nèi)行人定位原理是加

3、速度計(jì)進(jìn)行步態(tài)分析和步長(zhǎng)估計(jì)，Kalman濾波算法融合陀螺儀和磁傳感器計(jì)算出航向，利用MEMS IMU模塊及室內(nèi)環(huán)境的先驗(yàn)知識(shí)求出高度估計(jì)，從而得到行人的室內(nèi)行人定位。
　　本文自主設(shè)計(jì)出兩款微型低成本MEMS IMU模塊，通過(guò)高精度二軸轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，并通過(guò)Allan方差對(duì)其噪聲進(jìn)行誤差分析并進(jìn)行校準(zhǔn)，其精度已達(dá)到國(guó)外同等產(chǎn)品水平。對(duì)本文數(shù)據(jù)融合所需求的Kalman濾波算法進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)和闡述，包括四元數(shù)機(jī)理、無(wú)跡Kalma

4、n濾波、狀態(tài)噪聲和測(cè)量噪聲傳遞方程。根據(jù)步態(tài)分析原理和步長(zhǎng)估計(jì)原理把MEMS IMU模塊在行人身體不同的固定位置分為“腰式”和“鞋式”，并分別進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，結(jié)果顯示“腰式”更加準(zhǔn)確。因?yàn)榈统杀綧EMS陀螺儀具有隨時(shí)間漂移的特性，磁傳感器容易遭受室內(nèi)鋼筋混凝土及電子設(shè)備等磁場(chǎng)源的干擾的特性，導(dǎo)致航向估計(jì)誤差較大。因此，本文充分利用陀螺儀不受室內(nèi)環(huán)境磁場(chǎng)源干擾和磁力計(jì)不隨時(shí)間漂移的互補(bǔ)特性，并采用四元數(shù)無(wú)跡Kalman濾波算法獲得穩(wěn)定可靠

5、的航向估計(jì)，通過(guò)IMU模塊固定在行人腰上進(jìn)行室內(nèi)和室外航向測(cè)試，并與模塊固定在四旋翼上的航向估計(jì)進(jìn)行對(duì)比；為了測(cè)量室內(nèi)行人航向估計(jì)的可靠性和重復(fù)穩(wěn)定性，分別在室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了1圈、5圈和10圈測(cè)試，結(jié)果顯示其誤差分別為3％、4.6%和6.8%室內(nèi)高度估計(jì)對(duì)室內(nèi)行人定位技術(shù)具有戰(zhàn)略決定作用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知僅依靠氣壓計(jì)難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的定位，本文通過(guò)綜合利用氣壓計(jì)、加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)及室內(nèi)環(huán)境的先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行高度估計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得知，誤