CN105136142A - 一种基于微惯性传感器的室内定位方法 - Google Patents

一种基于微惯性传感器的室内定位方法 Download PDF

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葛晓飞
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Abstract

本发明公开了一种基于微惯性传感器的室内定位方法，其具体步骤为：搭建包括微惯性传感器（1）、磁阻电子罗盘（2）、信息采集处理装置（3）、导航解算处理器（4）、显控装置（5）、通信总线A（6）、通信总线B（7）和通信总线C（8）的微惯性室内定位***；微惯性室内定位***开机后，误差补偿模块（11）补偿测量数据误差，静动态测量数据辨识模块（12）辨识载体静态与动态数据，初始对准模块（13）解算载体初始姿态角，捷联惯性导航解算模块（14）解算载体定位信息，显控装置（5）输出载体定位信息。本方法解决了卫星定位在室内存在盲区、其它定位技术信息采集工作量大、算法复杂、数据处理困难、硬件设备成本高的问题。

Description

一种基于微惯性传感器的室内定位方法
技术领域
本发明涉及一种室内定位方法，特别是一种基于微惯性传感器的室内定位方法。
背景技术
目前，由于卫星定位***导航信号无法覆盖到室内，因此室内定位都是基于射频识别的定位方法。基于射频识别方法的室内定位***包括：参考电子标签、射频读写器、主机以及数据库，电子标签和读写器通过无线网络实现数据交换，读写器通过有线或无线形式连接到数据库，其定位精度高，但需要事先将电子标签阵列精确布置到室内环境中，同时为了保证高的定位精度还需要提高电子标签的数量，这就意味着成本的提高，而且还将产生较大的干扰，影响信号的强度。因此，现有的室内定位方法由于各种原因的限制，使得室内定位方法一直无法大规模普及。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于微惯性传感器的室内定位方法，解决卫星定位在室内存在盲区以及基于射频识别的定位方法信息采集工作量大、算法复杂、数据处理困难、硬件设备成本高的问题。
一种基于微惯性传感器的室内定位方法，其具体步骤为：
第一步搭建微惯性室内定位***
微惯性室内定位***，包括：微惯性传感器、磁阻电子罗盘、信息采集处理装置、导航解算处理器、显控装置、通信总线A、通信总线B和通信总线C；其中微惯性传感器包括：三轴微惯性加速度计和三轴微惯性陀螺仪；导航解算处理器包括：误差补偿模块、静动态测量数据辨识模块、初始对准模块和捷联惯性导航解算模块。微惯性传感器与磁阻电子罗盘封装于一体，均通过通信总线A与信息采集处理装置连接；信息采集处理装置通过通信总线B与导航解算处理器连接；导航解算处理器通过通信总线C与显控装置连接；显控装置用于人机交互。
第二步微惯性室内定位***开机
在需要定位的室内载体上安装好微惯性室内定位***后，控制显控装置给微惯性室内定位***加电，微惯性传感器与磁阻电子罗盘开始采集载体数据并经数据采集处理装置处理后传输给导航解算处理器。
第三步误差补偿模块补偿测量数据误差
导航解算处理器接收到微惯性传感器和磁阻电子罗盘的测量数据后，由误差补偿模块进行误差补偿：
考虑三轴微惯性加速度计的零偏、安装误差、随机漂移误差项，忽略二阶以上动态小量误差，建立三轴微惯性加速度计的误差模型为：
（1）
式中，为三轴微惯性加速度计输出值；为三轴微惯性加速度计零偏；为三轴微惯性加速度计标度系数； 为三轴微惯性加速度计轴对轴的正交误差系数；为载体运动输入加速度；为三轴微惯性加速度计随机误差。
考虑三轴微陀螺仪的零偏、安装误差、正交误差和随机漂移误差，忽略二阶以上动态小量误差，建立三轴微陀螺仪的误差模型为：
（2）
式中，为三轴微陀螺仪输出值；为三轴微陀螺仪的零偏；为三轴微陀螺仪的标度系数；为载体运动输入角速度；为三轴微陀螺仪随机误差； 为三轴微陀螺仪轴对轴的安装误差系数； 为与加速度有关的一次项误差系数。
建立磁阻电子罗盘的误差模型为：
（3）
式中，为磁阻电子罗盘的输出值；为预先输入的载体航向角；、、、、为磁阻电子罗盘的补偿系数。
误差补偿模块对测量数据进行误差补偿后传输给静动态测量数据辨识模块。
第四步静动态测量数据辨识模块辨识载体静态与动态数据
静动态测量数据辨识模块接收到经误差补偿的测量数据后，根据微惯性传感器(1)测量数据的变化情况辨识出载体的静态与动态，并将测量数据分解为静态数据与动态数据。其中，静态数据用于载体姿态角的初始对准，动态数据用于载体的姿态更新、速度更新与位置更新。
第五步初始对准模块解算载体初始姿态角
初始对准模块根据静动态测量数据辨识模块的静态数据进行载体姿态角的初始对准解算。
由三轴微加速度计输出的加速度静态信息确定载体的俯仰角和横滚角，公式为：
（4）
（5）
式中，、、为加速度计的输出值，为重力加速度。
由磁阻电子罗盘确定载体的航向角：
（6）
通过式（4）、式（5）、式（6）得到载体初始静止状态下的初始姿态角。
初始对准模块将载体的初始姿态角信息传送给导航解算处理器内的捷联惯性导航解算模块。
第六步捷联惯性导航解算模块解算载体定位信息
捷联惯性导航解算模块根据静动态辨识模块辨识出的动态数据与初始对准模块获得的载体初始姿态角，采用捷联惯性导航算法对结果进行连续积分处理，并转换到导航坐标系中，先解算出载体的姿态角信息：俯仰角、航向角和横滚角；再解算出载体的速度信息：横向速度、前向速度和纵向速度；最后解算出载体的位置信息横向位移、前向位移和纵向位移。
载体的姿态角信息解算：
载体坐标系至导航坐标系的姿态矩阵为：
（7）
由初始对准模块得到的初始姿态角通过公式（7）得到初始状态矩阵，为载体的姿态更新提供了初值，由初始状态矩阵求出初始四元数的值。
（8）
（9）
用经过误差补偿的三轴微陀螺仪测量的角速度、、，对式（8）进行四阶龙格—库塔法解算，并依据式（9）做归一化处理，实现四元数的实时更新。
（10）
经过式（8）和式（9）实时计算出四元数后，由式（10）完成姿态矩阵的更新，并可根据式（7）和式（10）获得载体的姿态角信息。
载体的速度信息解算：
经过补偿的三轴微加速度计测量的比力信息、、，通过姿态矩阵与室内坐标系的关系转化到室内坐标系，通过一次积分进行室内坐标系内载体的速度更新。
（11）
结合前面解算出的载体的姿态角信息，对式（8）进行二阶龙格-库塔法解算，得到载体的速度信息。
载体的位置信息解算：
（13）
对式（13）再进行一次积分解算，得到载体的位置信息。
导航解算处理器输出载体的姿态角信息，包括：俯仰角、航向角和横滚角，速度信息，包括：横向速度、前向速度和纵向速度，位置信息，包括：横向位移、前向位移和纵向位移。解算得到的载体定位信息由通信总线C传输给显控装置。
第七步显控装置输出载体定位信息
显控装置将接收到的载体的姿态角信息、速度信息、位置信息输出显示，从而完成了基于微惯性传感器的室内定位。
本发明的基于微惯性传感器的室内定位方法解决了卫星定位在室内存在盲区、其它定位技术信息采集工作量大、算法复杂、数据处理困难、硬件设备成本高的问题。
附图说明
图1一种基于微惯性传感器的室内定位方法的微惯性室内定位***示意图。
1.微惯性传感器2.磁阻电子罗盘3.信息采集处理装置4.导航解算处理器5.显控装置6.通信总线A7.通信总线B8.通信总线C9.三轴微惯性陀螺仪10.三轴微惯性加速度计11.误差补偿模块12.静动态测量数据辨识模块13.初始对准模块14.捷联惯性导航解算模块。
具体实施方式
一种基于微惯性传感器的室内定位方法，其具体步骤为：
第一步搭建微惯性室内定位***
微惯性室内定位***，包括：微惯性传感器1、磁阻电子罗盘2、信息采集处理装置3、导航解算处理器4、显控装置5、通信总线A6、通信总线B7和通信总线C8；其中微惯性传感器1包括：三轴微惯性加速度计9和三轴微惯性陀螺仪10；导航解算处理器4包括：误差补偿模块11、静动态测量数据辨识模块12、初始对准模块13和捷联惯性导航解算模块14。微惯性传感器1与磁阻电子罗盘2封装于一体，均通过通信总线A6与信息采集处理装置3连接；信息采集处理装置3通过通信总线B7与导航解算处理器4连接；导航解算处理器4通过通信总线C8与显控装置5连接；显控装置5用于人机交互。
第二步微惯性室内定位***开机
在需要定位的室内载体上安装好微惯性室内定位***后，控制显控装置5给微惯性室内定位***加电，微惯性传感器1与磁阻电子罗盘2开始采集载体数据并经数据采集处理装置3处理后传输给导航解算处理器4。
第三步误差补偿模块11补偿测量数据误差
导航解算处理器4接收到微惯性传感器1和磁阻电子罗盘2的测量数据后，由误差补偿模块11进行误差补偿：
考虑三轴微惯性加速度计9的零偏、安装误差、随机漂移误差项，忽略二阶以上动态小量误差，建立三轴微惯性加速度计9的误差模型为：
（1）
式中，为三轴微惯性加速度计9输出值；为三轴微惯性加速度计9零偏；为三轴微惯性加速度计9标度系数； 为三轴微惯性加速度计9轴对轴的正交误差系数；为载体运动输入加速度；为三轴微惯性加速度计9随机误差。
考虑三轴微陀螺仪10的零偏、安装误差、正交误差和随机漂移误差，忽略二阶以上动态小量误差，建立三轴微陀螺仪10的误差模型为：
（2）
式中，为三轴微陀螺仪10输出值；为三轴微陀螺仪10的零偏；为三轴微陀螺仪10的标度系数；为载体运动输入角速度；为三轴微陀螺仪10随机误差； 为三轴微陀螺仪10轴对轴的安装误差系数； 为与加速度有关的一次项误差系数。
建立磁阻电子罗盘2的误差模型为：
（3）
式中，为磁阻电子罗盘2的输出值；为预先输入的载体航向角；、、、、为磁阻电子罗盘2的补偿系数。
误差补偿模块11对测量数据进行误差补偿后传输给静动态测量数据辨识模块12。
第四步静动态测量数据辨识模块12辨识载体静态与动态数据
静动态测量数据辨识模块12接收到经误差补偿的测量数据后，根据微惯性传感器1测量数据的变化情况辨识出载体的静态与动态，并将测量数据分解为静态数据与动态数据。其中，静态数据用于载体姿态角的初始对准，动态数据用于载体的姿态更新、速度更新与位置更新。
第五步初始对准模块13解算载体初始姿态角
初始对准模块13根据静动态测量数据辨识模块12的静态数据进行载体姿态角的初始对准解算。
由三轴微加速度计9输出的加速度静态信息确定载体的俯仰角和横滚角，公式为：
（4）
（5）
式中，、、为加速度计的输出值，为重力加速度。
由磁阻电子罗盘2确定载体的航向角：
（6）
通过式（4）、式（5）、式（6）得到载体初始静止状态下的初始姿态角。
初始对准模块13将载体的初始姿态角信息传送给导航解算处理器4内的捷联惯性导航解算模块14。
第六步捷联惯性导航解算模块14解算载体定位信息
捷联惯性导航解算模块14根据静动态辨识模块12辨识出的动态数据与初始对准模块13获得的载体初始姿态角，采用捷联惯性导航算法对结果进行连续积分处理，并转换到导航坐标系中，先解算出载体的姿态角信息：俯仰角、航向角和横滚角；再解算出载体的速度信息：横向速度、前向速度和纵向速度；最后解算出载体的位置信息横向位移、前向位移和纵向位移。
载体的姿态角信息解算：
载体坐标系至导航坐标系的姿态矩阵为：
（7）
由初始对准模块13得到的初始姿态角通过公式（7）得到初始状态矩阵，为载体的姿态更新提供了初值，由初始状态矩阵求出初始四元数的值。
（8）
（9）
用经过误差补偿的三轴微陀螺仪10测量的角速度、、，对式（8）进行四阶龙格—库塔法解算，并依据式（9）做归一化处理，实现四元数的实时更新。
（10）
经过式（8）和式（9）实时计算出四元数后，由式（10）完成姿态矩阵的更新，并可根据式（7）和式（10）获得载体的姿态角信息。
载体的速度信息解算：
经过补偿的三轴微加速度计9测量的比力信息、、，通过姿态矩阵与室内坐标系的关系转化到室内坐标系，通过一次积分进行室内坐标系内载体的速度更新。
（11）
结合前面解算出的载体的姿态角信息，对式（8）进行二阶龙格-库塔法解算，得到载体的速度信息。
载体的位置信息解算：
（13）
对式（13）再进行一次积分解算，得到载体的位置信息。
导航解算处理器4输出载体的姿态角信息，包括：俯仰角、航向角和横滚角，速度信息，包括：横向速度、前向速度和纵向速度，位置信息，包括：横向位移、前向位移和纵向位移。解算得到的载体定位信息由通信总线C8传输给显控装置5。
第七步显控装置5输出载体定位信息
显控装置5将接收到的载体的姿态角信息、速度信息、位置信息输出显示，从而完成了基于微惯性传感器的室内定位。

Claims (1)

1.一种基于微惯性传感器的室内定位方法，其特征在于具体步骤为：
第一步搭建微惯性室内定位***
微惯性室内定位***，包括：微惯性传感器（1）、磁阻电子罗盘（2）、信息采集处理装置（3）、导航解算处理器（4）、显控装置（5）、通信总线A（6）、通信总线B（7）和通信总线C（8）；其中微惯性传感器（1）包括：三轴微惯性加速度计（9）和三轴微惯性陀螺仪（10）；导航解算处理器（4）包括：误差补偿模块（11）、静动态测量数据辨识模块（12）、初始对准模块（13）和捷联惯性导航解算模块（14）；微惯性传感器（1）与磁阻电子罗盘（2）封装于一体，均通过通信总线A（6）与信息采集处理装置（3）连接；信息采集处理装置（3）通过通信总线B（7）与导航解算处理器（4）连接；导航解算处理器（4）通过通信总线C（8）与显控装置（5）连接；显控装置（5）用于人机交互；
第二步微惯性室内定位***开机
在需要定位的室内载体上安装好微惯性室内定位***后，控制显控装置（5）给微惯性室内定位***加电，微惯性传感器（1）与磁阻电子罗盘（2）开始采集载体数据并经数据采集处理装置（3）处理后传输给导航解算处理器（4）；
第三步误差补偿模块（11）补偿测量数据误差
导航解算处理器（4）接收到微惯性传感器（1）和磁阻电子罗盘（2）的测量数据后，由误差补偿模块（11）进行误差补偿；
考虑三轴微惯性加速度计（9）的零偏、安装误差、随机漂移误差项，忽略二阶以上动态小量误差，建立三轴微惯性加速度计（9）的误差模型为：
（1）
式中，为三轴微惯性加速度计（9）输出值；为三轴微惯性加速度计（9）零偏；为三轴微惯性加速度计（9）标度系数； 为三轴微惯性加速度计（9）轴对轴的正交误差系数；为载体运动输入加速度；为三轴微惯性加速度计（9）随机误差；
考虑三轴微陀螺仪（10）的零偏、安装误差、正交误差和随机漂移误差，忽略二阶以上动态小量误差，建立三轴微陀螺仪（10）的误差模型为：
（2）
式中，为三轴微陀螺仪（10）输出值；为三轴微陀螺仪（10）的零偏；为三轴微陀螺仪（10）的标度系数；为载体运动输入角速度；为三轴微陀螺仪（10）随机误差； 为三轴微陀螺仪（10）轴对轴的安装误差系数； 为与加速度有关的一次项误差系数；
建立磁阻电子罗盘（2）的误差模型为：
（3）
式中，为磁阻电子罗盘（2）的输出值；为预先输入的载体航向角；、、、、为磁阻电子罗盘（2）的补偿系数；
误差补偿模块（11）对测量数据进行误差补偿后传输给静动态测量数据辨识模块（12）；
第四步静动态测量数据辨识模块（12）辨识载体静态与动态数据
静动态测量数据辨识模块（12）接收到经误差补偿的测量数据后，根据微惯性传感器（1）测量数据的变化情况辨识出载体的静态与动态，并将测量数据分解为静态数据与动态数据；其中，静态数据用于载体姿态角的初始对准，动态数据用于载体的姿态更新、速度更新与位置更新；
第五步初始对准模块（13）解算载体初始姿态角
初始对准模块（13）根据静动态测量数据辨识模块（12）的静态数据进行载体姿态角的初始对准解算；
由三轴微加速度计（9）输出的加速度静态信息确定载体的俯仰角和横滚角，公式为：
（4）
（5）
式中，、、为加速度计的输出值，为重力加速度；
由磁阻电子罗盘（2）确定载体的航向角：
（6）
通过式（4）、式（5）和式（6）得到载体初始静止状态下的初始姿态角；
初始对准模块（13）将载体的初始姿态角信息传送给导航解算处理器（4）内的捷联惯性导航解算模块（14）；
第六步捷联惯性导航解算模块（14）解算载体定位信息
捷联惯性导航解算模块（14）根据静动态辨识模块（12）辨识出的动态数据与初始对准模块（13）获得的载体初始姿态角，采用捷联惯性导航算法对结果进行连续积分处理，并转换到导航坐标系中，先解算出载体的姿态角信息：俯仰角、航向角和横滚角；再解算出载体的速度信息：横向速度、前向速度和纵向速度；最后解算出载体的位置信息横向位移、前向位移和纵向位移；
载体的姿态角信息解算：
载体坐标系至导航坐标系的姿态矩阵为：
（7）
由初始对准模块（13）得到的初始姿态角通过公式（7）得到初始状态矩阵，为载体的姿态更新提供了初值，由初始状态矩阵求出初始四元数的值；
（8）
（9）
用经过误差补偿的三轴微陀螺仪（10）测量的角速度、、，对式（8）进行四阶龙格—库塔法解算，并依据式（9）做归一化处理，实现四元数的实时更新；
（10）
经过式（8）和式（9）实时计算出四元数后，由式（10）完成姿态矩阵的更新，并根据式（7）和式（10）获得载体的姿态角信息；
载体的速度信息解算：
经过补偿的三轴微加速度计（9）测量的比力信息、、，通过姿态矩阵与室内坐标系的关系转化到室内坐标系，通过一次积分进行室内坐标系内载体的速度更新；
（11）
结合前面解算出的载体的姿态角信息，对式（8）进行二阶龙格-库塔法解算，得到载体的速度信息；
载体的位置信息解算：
（13）
对式（13）再进行一次积分解算，得到载体的位置信息；
导航解算处理器（4）输出载体的姿态角信息，包括：俯仰角、航向角和横滚角，速度信息，包括：横向速度、前向速度和纵向速度，位置信息，包括：横向位移、前向位移和纵向位移；解算得到的载体定位信息由通信总线C（8）传输给显控装置（5）；
第七步显控装置（5）输出载体定位信息
显控装置（5）将接收到的载体的姿态角信息、速度信息、位置信息输出显示，从而完成了基于微惯性传感器的室内定位。
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