基于MIMU的行人室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

劉曉梅， 張慕遠(yuǎn)， 李金鳳， 王慶輝

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110142)

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基于MIMU的行人室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

劉曉梅， 張慕遠(yuǎn)， 李金鳳， 王慶輝

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110142)

采用微機(jī)械慣性測(cè)量單元(MIMU)，設(shè)計(jì)一套固定在行人腰部的可穿戴式室內(nèi)定位導(dǎo)航設(shè)備.采用行人航位推算原理(PDR),計(jì)算行人行走的步數(shù)、步長(zhǎng)及方位，實(shí)現(xiàn)行人室內(nèi)定位，解決了GPS導(dǎo)航技術(shù)在室內(nèi)無(wú)法使用的缺陷.測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)的平均定位誤差低于行進(jìn)距離的0.74 %，滿足行人室內(nèi)定位要求.驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性和可靠性.

微機(jī)械慣性測(cè)量單元； 室內(nèi)定位； 行人航位推算

行人跟蹤和導(dǎo)航目前正在被廣泛地研究和應(yīng)用，而行人的大部分出行是發(fā)生在室內(nèi)或者有光線的室內(nèi)環(huán)境中.在這些環(huán)境中，由于低信噪比、衛(wèi)星分布不均和多徑效應(yīng)等原因，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法提供不間斷的并可靠的位置信息[1].因此，基于行人航位推算原理(PDR)的自包含方式與可穿戴式傳感器得到了應(yīng)用[2].它不需要任何外部的基礎(chǔ)設(shè)施支持，是最好的步行導(dǎo)航儀器.這些傳感器包括陀螺儀、加速度計(jì)、電子羅盤(pán)等；將這些傳感器集成到行人導(dǎo)航模塊上，通過(guò)多參數(shù)傳感器信息融合，提供用于計(jì)算行人位置的各種信息.本文設(shè)計(jì)了一套可穿戴式的微機(jī)械電子傳感器(三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀及電子羅盤(pán))定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)行人室內(nèi)定位和航位推算.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了算法的有效性以及可穿戴式設(shè)備設(shè)計(jì)的可行性.

1 行人航跡推算的硬件實(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功能的分析，系統(tǒng)需要完成信息采集、信息處理和信息傳輸3部分功能.其中信息采集模塊主要是由各種傳感器完成行人狀態(tài)信息(加速度，角速度，航向)和地理信息(磁場(chǎng)強(qiáng)度)的測(cè)量；信息處理部分主要完成導(dǎo)航參數(shù)的解算和數(shù)據(jù)融合等導(dǎo)航計(jì)算；信息傳輸主要是向外部其他設(shè)備輸出計(jì)算后的航向、位置等導(dǎo)航信息和測(cè)試參數(shù).其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.行人室內(nèi)定位硬件系統(tǒng)以微處理器芯片STM32F405為核心.慣性傳感器模塊包括一個(gè)集成了三軸加速度計(jì)及三軸陀螺儀的MPU6050、一個(gè)三軸的數(shù)字羅盤(pán)HMC5883L和氣壓傳感器MS5607.陀螺儀、加速度計(jì)及數(shù)字羅盤(pán)相互正交地安裝在電路板上.加速度計(jì)、陀螺儀通過(guò)SPI端口與微處理器芯片進(jìn)行通信，數(shù)字羅盤(pán)和氣壓傳感器通過(guò)I2C端口進(jìn)行通信.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 行人航跡推算原理及設(shè)計(jì)

在行人航跡推算(PDR)算法中包括步態(tài)檢測(cè)、步長(zhǎng)估算、方位及位置確定3部分[2-4].行人從已知的初始位置出發(fā)，采用步長(zhǎng)乘以步數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)航位推算.那么在行人正常行走時(shí)，用戶的位置可以用下面的方程來(lái)估計(jì)[5-6]：

E1=E0+S(t0)·cos(α0(t0))

(1)

N1=N0+S(t0)·sin(α0(t0))

(2)

其原理圖如圖2所示.在東偏北坐標(biāo)系中，k表示行人行走的步數(shù)，E表示東方向坐標(biāo)，N表示北方向坐標(biāo)，S為步長(zhǎng)，α表示行人航向角度.

圖2 航跡推算原理圖

根據(jù)行人航跡導(dǎo)航(PDR)原理，設(shè)備固定在行人的腰部.由此得到行人航跡檢測(cè)的流程如圖3所示.

圖3 航跡推算流程圖

利用行人步態(tài)的運(yùn)動(dòng)生理學(xué)特性，參照傳統(tǒng)步頻探測(cè)和步長(zhǎng)估計(jì)方法，設(shè)計(jì)一種基于加速度信號(hào)的集成了滑動(dòng)窗口(Sliding-Window)、過(guò)零點(diǎn)探測(cè)(Zero-Crossing)和峰值探測(cè)(Peak Detection)三種方法的步頻探測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)行人跨步探測(cè)和步長(zhǎng)估計(jì)；通過(guò)陀螺儀與數(shù)字羅盤(pán)在頻域上的互補(bǔ)特性，利用互補(bǔ)濾波器，將傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，采用航向姿態(tài)參考系統(tǒng)(AHRS)[7]得到行人的方位角.

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

為了驗(yàn)證航跡推算算法的有效性，在沈陽(yáng)化工大學(xué)6號(hào)實(shí)驗(yàn)樓前的廣場(chǎng)上，用米尺畫(huà)一個(gè)長(zhǎng)約為30 m，寬約為20 m，總長(zhǎng)為S=104 m的矩形，實(shí)驗(yàn)者沿著矩形的邊沿行走.實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行了順時(shí)針走5圈和逆時(shí)針走5圈，行走速度為行人正常行走速度，約為1 m/s.圖4顯示了實(shí)驗(yàn)者一次順時(shí)針行走5圈的航跡結(jié)果，一共進(jìn)行了5次順時(shí)針和逆時(shí)針行走實(shí)驗(yàn).

圖4 在x-y平面的一次測(cè)試

在x-y平面內(nèi)的絕對(duì)位置誤差計(jì)算公式為：

(3)

其中：xe為x方向的絕對(duì)誤差，ye為y方向的絕對(duì)誤差.同理，可以計(jì)算出x-y平面內(nèi)的相對(duì)誤差，其計(jì)算公式為：

(4)

其中D為進(jìn)行距離.

在表1和表2中分別列出了每次試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和這些實(shí)驗(yàn)位置的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差.其中矩形的長(zhǎng)和寬為米尺測(cè)量距離，測(cè)試距離由設(shè)備輸出的x-y坐標(biāo)計(jì)算得出.

表1 x-y平面順時(shí)針步行的位置誤差

表2 x-y平面逆時(shí)針步行的位置誤差

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：順時(shí)針步行定位的平均相對(duì)誤差為0.74 %，5次試驗(yàn)中最大相對(duì)誤差為1.09 %；逆時(shí)針步行定位的平均相對(duì)誤差為0.35 %，5次試驗(yàn)中最大相對(duì)誤差為0.59 %，表明系統(tǒng)具有較好的定位精度，方案可行.誤差主要來(lái)源于基于微機(jī)械加工技術(shù)的慣性傳感器的測(cè)量精度.

4 結(jié) 論

通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了行人室內(nèi)航跡定位.測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)的平均定位誤差低于行進(jìn)距離的0.74 %，滿足行人室內(nèi)定位的要求.驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性和可靠性.由于行人行走過(guò)程的復(fù)雜性，只研究了行人在正常步速行走狀態(tài)下的航跡推算，對(duì)于行人的平移、后退等步行狀態(tài)還有待進(jìn)一步研究.

[1] HUANG C L,LIAO Z Y,LIAN Z.Synergism of INS and PDR in Self-contained Pedestrian Tracking with a Miniature Sensor Module[J].IEEE Sensors Journal,2010,10(8):1349-1359.

[2] 陳偉.基于GPS和自包含傳感器的行人室內(nèi)外無(wú)縫定位算法研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010.

[3] 宋敏,申閆春.室內(nèi)定位航位推測(cè)算法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程,2013,39(7):293-295.

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[6] 孫作雷,茅旭初,田蔚風(fēng),等.基于動(dòng)作識(shí)別和步幅估計(jì)的步行者航位推算[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008,42(12):2002-2005.

[7] 梁延德,程敏,何福本,等.基于互補(bǔ)濾波器的四旋翼飛行器姿態(tài)解算[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(11):56-58,61.

Pedestrian Dead Reckoning System Based on MIMU

LIU Xiao-mei， ZHANG Mu-yuan， LI Jin-feng, WANG Qing-hui

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

A wearable sensor is based on the micro inertial measurement unit(MIMU),which is fixed at the waist of human body.This system is useful in GPS-denied environments.The self-contained sensors measure the step-length and heading of the pedestrian to achieve the positioning.The test results illustrate that the system positioning error is less than 0.74 % of the total traveled distance,which meets the pedestrian positioning requirements.The effectiveness and reliability of the system is validated.

micro inertial measurement unit(MIMU)； indoor location； pedestrian dead reckoning(PDR)

2014-07-07

劉曉梅(1964-)，女，遼寧錦州人，副教授，主要從事智能測(cè)控技術(shù)與裝置的研究.

2095-2198(2016)03-0271-04

10.3969/j.issn.2095-2198.2016.03.017

TP274

A