劉曉梅， 張慕遠， 李金鳳， 王慶輝

(沈陽化工大學 信息工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

?

基于MIMU的行人室內(nèi)導航技術的實現(xiàn)

劉曉梅， 張慕遠， 李金鳳， 王慶輝

(沈陽化工大學 信息工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

采用微機械慣性測量單元(MIMU)，設計一套固定在行人腰部的可穿戴式室內(nèi)定位導航設備.采用行人航位推算原理(PDR),計算行人行走的步數(shù)、步長及方位，實現(xiàn)行人室內(nèi)定位，解決了GPS導航技術在室內(nèi)無法使用的缺陷.測試結果表明：系統(tǒng)的平均定位誤差低于行進距離的0.74 %，滿足行人室內(nèi)定位要求.驗證了系統(tǒng)的有效性和可靠性.

微機械慣性測量單元； 室內(nèi)定位； 行人航位推算

行人跟蹤和導航目前正在被廣泛地研究和應用，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等原因，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)無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用[2].它不需要任何外部的基礎設施支持，是最好的步行導航儀器.這些傳感器包括陀螺儀、加速度計、電子羅盤等；將這些傳感器集成到行人導航模塊上，通過多參數(shù)傳感器信息融合，提供用于計算行人位置的各種信息.本文設計了一套可穿戴式的微機械電子傳感器(三軸加速度計、三軸陀螺儀及電子羅盤)定位系統(tǒng)，實現(xiàn)行人室內(nèi)定位和航位推算.實驗結果證明了算法的有效性以及可穿戴式設備設計的可行性.

1 行人航跡推算的硬件實現(xiàn)

通過對系統(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(磁場強度)的測量；信息處理部分主要完成導航參數(shù)的解算和數(shù)據(jù)融合等導航計算；信息傳輸主要是向外部其他設備輸出計算后的航向、位置等導航信息和測試參數(shù).其系統(tǒng)結構框圖如圖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集成了三軸加速度計及三軸陀螺儀的MPU6050、一個三軸的數(shù)字羅盤HMC5883L和氣壓傳感器MS5607.陀螺儀、加速度計及數(shù)字羅盤相互正交地安裝在電路板上.加速度計、陀螺儀通過SPI端口與微處理器芯片進行通信，數(shù)字羅盤和氣壓傳感器通過I2C端口進行通信.

圖1 系統(tǒng)結構框圖

2 行人航跡推算原理及設計

在行人航跡推算(PDR)算法中包括步態(tài)檢測、步長估算、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)，采用步長乘以步數(shù)的方法來實現(xiàn)航位推算.那么在行人正常行走時，用戶的位置可以用下面的方程來估計[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.在東偏北坐標系中，k表示行人行走的步數(shù)，E表示東方向坐標，N表示北方向坐標，S為步長，α表示行人航向角度.

圖2 航跡推算原理圖

根據(jù)行人航跡導航(PDR)原理，設備固定在行人的腰部.由此得到行人航跡檢測的流程如圖3所示.

圖3 航跡推算流程圖

利用行人步態(tài)的運動生理學特性，參照傳統(tǒng)步頻探測和步長估計方法，設計一種基于加速度信號的集成了滑動窗口(Sliding-Window)、過零點探測(Zero-Crossing)和峰值探測(Peak Detection)三種方法的步頻探測算法，實現(xiàn)行人跨步探測和步長估計；通過陀螺儀與數(shù)字羅盤在頻域上的互補特性，利用互補濾波器，將傳感器數(shù)據(jù)進行融合，采用航向姿態(tài)參考系統(tǒng)(AHRS)[7]得到行人的方位角.

3 實驗與結果

為了驗證航跡推算算法的有效性，在沈陽化工大學6號實驗樓前的廣場上，用米尺畫一個長約為30 m，寬約為20 m，總長為S=104 m的矩形，實驗者沿著矩形的邊沿行走.實驗分別進行了順時針走5圈和逆時針走5圈，行走速度為行人正常行走速度，約為1 m/s.圖4顯示了實驗者一次順時針行走5圈的航跡結果，一共進行了5次順時針和逆時針行走實驗.

圖4 在x-y平面的一次測試

在x-y平面內(nèi)的絕對位置誤差計算公式為：

(3)

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

(4)

其中D為進行距離.

在表1和表2中分別列出了每次試驗的實驗數(shù)據(jù)和這些實驗位置的絕對誤差和相對誤差.其中矩形的長和寬為米尺測量距離，測試距離由設備輸出的x-y坐標計算得出.

表1 x-y平面順時針步行的位置誤差

表2 x-y平面逆時針步行的位置誤差

從實驗結果可以看出：順時針步行定位的平均相對誤差為0.74 %，5次試驗中最大相對誤差為1.09 %；逆時針步行定位的平均相對誤差為0.35 %，5次試驗中最大相對誤差為0.59 %，表明系統(tǒng)具有較好的定位精度，方案可行.誤差主要來源于基于微機械加工技術的慣性傳感器的測量精度.

4 結 論

通過系統(tǒng)平臺的硬件設計和軟件設計，實現(xiàn)了行人室內(nèi)航跡定位.測試結果表明：系統(tǒng)的平均定位誤差低于行進距離的0.74 %，滿足行人室內(nèi)定位的要求.驗證了系統(tǒng)的有效性和可靠性.由于行人行走過程的復雜性，只研究了行人在正常步速行走狀態(tài)下的航跡推算，對于行人的平移、后退等步行狀態(tài)還有待進一步研究.

[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)外無縫定位算法研究[D].合肥:中國科學技術大學,2010.

[3] 宋敏,申閆春.室內(nèi)定位航位推測算法的研究與實現(xiàn)[J].計算機工程,2013,39(7):293-295.

[4] 裘昕,朱林.行走航跡推算技術的研究[J/OL].[2012-09-22].http://www.docin.com/p-486462243.html.

[5] CHEN W,FU Z Q,CHEN R Z，et al.An Integrated GPS and Multi-sensor Pedestrian Positioning System for 3D Urban Navigation[DB/OL].[2014-06-05].http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=5137690.

[6] 孫作雷,茅旭初,田蔚風,等.基于動作識別和步幅估計的步行者航位推算[J].上海交通大學學報,2008,42(12):2002-2005.

[7] 梁延德,程敏,何福本,等.基于互補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，主要從事智能測控技術與裝置的研究.

2095-2198(2016)03-0271-04

10.3969/j.issn.2095-2198.2016.03.017

TP274

A