牛長流 王迪 孟杉 張?zhí)?北方工業(yè)大學

基于慣性導航的室內(nèi)定位技術

牛長流 王迪 孟杉 張?zhí)?北方工業(yè)大學

物聯(lián)網(wǎng)領域室內(nèi)移動物體的定位與跟蹤位置的服務逐漸在生活的各個方面得到應用，衛(wèi)星定位系統(tǒng)由于信號遮擋等問題導致精度低甚至無法定位，所以本文提出一種基于陀螺儀和加速度計通過自身姿態(tài)信息推算的慣性導航定位技術與界面控制程序相結合的室內(nèi)運動物體的定位。

室內(nèi)定位 慣性導航 陀螺儀 加速度計

1 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術快速發(fā)展以及在中國的普及，通信技術的快速發(fā)展，基于位置的服務在生活中越來越重要?；谖恢玫姆罩饕ㄊ彝舛ㄎ缓褪覂?nèi)定位，在開闊的室外環(huán)境下，基站和GPS信號很容易到達，借助于基站和GPS定位即可達到精確的定位和導航效果。在室內(nèi)環(huán)境中，由于GPS和基站信號無法穿透建筑物，借助于基站和GPS信號定位的精度很不理想，所以一種在室內(nèi)環(huán)境下精確的定位方法顯得尤為重要。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，以及智能設備的普及，導航和定位經(jīng)常出現(xiàn)在我們的視野中。隨著移動智能終端的普及以及智能終端在硬件和軟件方面的提高，室內(nèi)定位技術在一定程度上將和移動設備相結合，利用移動智能終端的便攜性、高普及度以及硬件配置等優(yōu)勢，在移動設備上實現(xiàn)室內(nèi)定位功能，將使室內(nèi)定位服務在人們的生活中更加普及和方便，使人們隨時隨地都能享受到室內(nèi)定位帶來的方便和快捷的服務。

2 慣性導航室內(nèi)定位系統(tǒng)原理和設計

本文利用陀螺儀、加速度計、小車等搭建室內(nèi)定位系統(tǒng)，分為定位子系統(tǒng)和顯示子系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)。定位子系統(tǒng)利用陀螺儀和加速度計進行姿態(tài)信息等自身信息的采集，通過航跡推測算法、坐標系轉(zhuǎn)換等進行定位計算，得到位置等信息之后傳輸給顯示子系統(tǒng)。顯示子系統(tǒng)是PC機上基于JAVA的界面程序，其通過RS232串口獲取移動物體的位置信息，將收到的位置信息顯示在界面上，同時支持輸入移動節(jié)點的目標位置信息，從而實現(xiàn)對移動物體的遠程控制。

圖1 室內(nèi)定位系統(tǒng)框圖

定位子系統(tǒng)中主要是安裝在小車上的陀螺儀和加速度計，通過小車自身信息進行推算從而達到定位的效果，計劃是給小車一個初始位置一個終點位置，通過算法使小車走一個比較完圓滑的線，但是隨著時間的增加慣性導航系統(tǒng)的定位精度逐漸下降，而且小車的電機控制不是那么完美其中加速度的控制也是關鍵，同時系統(tǒng)的時間也是影響精度的關鍵，以及傳感器讀取數(shù)據(jù)的噪聲影響等也是關鍵，所以需要一種濾波算法來提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性從而使效果更佳理想。

卡爾曼濾波（Kalman filtering）一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過系統(tǒng)輸入輸出觀測數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)狀態(tài)進行最優(yōu)估計的算法。由于數(shù)據(jù)中包含噪聲等的影響，所以數(shù)據(jù)處理最優(yōu)選擇可以看做濾波過程。

坐標系轉(zhuǎn)換算法，導航坐標系是在導航時根據(jù)導航系統(tǒng)工作的需要而選取的用于導航結算的參考坐標系，本文中用到的坐標軸選擇北東天方向，即北軸指向地球北，東軸指向地球東，天軸垂直于地球表面并指向上。

3 本系統(tǒng)各個部分工作原理和框架設計

3.1 系統(tǒng)框架設計

基于慣性導航子系統(tǒng)配合射頻技術，使移動小車在本系統(tǒng)中實現(xiàn)實時定位和導航，首先由用戶在PC機上，對界面程序進行操作，確定移動小車的原始位置和目標位置信息，并利用RS232串口將移動小車的原始位置和目標位置信息傳輸給網(wǎng)關節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點一旦接收到移動小車的原始位置和目標位置信息，同時給移動小車發(fā)送射頻信號，整個系統(tǒng)也隨之開啟。然后，當移動小車確定收到目標位置信息時，立刻給移動小車中的加速度計、陀螺儀傳感器發(fā)送信號尋求導航定位，移動小車接收到目標位置信息并行駛至目標位置，關節(jié)點利用ZigBee射頻信號，把移動物體的當前位置信息和目標位置信息打包發(fā)給PC機。

圖2 本系統(tǒng)工作原理和框架圖

3.2 顯示子系統(tǒng)

界面程序是基于JAVA編程，來實現(xiàn)對系統(tǒng)中移動小車的實時導航定位和控制，如圖2所示，界面上始終顯示小車原始位置和目標位置，當移動小車在系統(tǒng)中移動時，界面上會實時更新小車的位置信息，界面程序會通過串口將小車的當前位置信息和目標位置信息，打包發(fā)送給網(wǎng)關節(jié)點，實現(xiàn)定位子系統(tǒng)和顯示子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 可視化界面跟蹤控制系統(tǒng)示意圖

3.3 移動小車的控制

智能小車上搭載了STC89C52RC芯片，RS232模塊，射頻收發(fā)模塊，MPU6050（加速度計、陀螺儀）模塊。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。

圖4 電機驅(qū)動原理圖

如圖4所示，通過控制IN1～IN4和OUT1～OUT4管腳，即通過H橋路原理來控制直流電機的正反轉(zhuǎn)，從而控制小車的前進，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)。

小車上搭載的射頻模塊，小車的當前坐標和目標坐標通過RS232串口發(fā)送給小車，小車計算處理出最優(yōu)路徑并且行駛到目標位置。

3.4 航跡推測算法

本系統(tǒng)采用的是基于陀螺儀和加速度計等模塊通過算法實現(xiàn)室內(nèi)定位與導航，航跡推測算法需要知道當前目標的位置，通過小車自己的運動就可以知道上一時刻和下一時刻的位置，如果給出當前位置和目標位置就可以實現(xiàn)自動到導航供能，其實現(xiàn)的主要原理如圖5所示。

圖5 小車理論航跡推算原理圖

起始坐標A為(x1,y1)，當小車從起始坐標A走到B，這個過程中，小車移動的位移為s1，前進的方向為θ1，可以將小車在θ1方向上的位移s1沿著水平方向和垂直方向分解，根據(jù)勾股定理可以通過公式

計算出B點的坐標(x2，y2)，同理，當小車從B點走到C點時，可以根據(jù)公式

計算出C點的坐標(x3，y3)。在相反的方向，在已知C點的坐標(x3,y3)和s2以及θ2的情況下，逆向推算出上一時刻B點的坐標(x2,y2)?？偨Y后得到公式：

根據(jù)公式得出在航位推測的過程中，航跡推測只要看小車在運動過程中的位移和方向，從而得知位移S和前進方向θ是影響航位推測的精度重要原因。給出初始位置和目標位置實現(xiàn)小車自動導航的過程中，傳感器靈敏度以及系統(tǒng)的噪聲以及時延等問題是影響導航精度的原因。

4 結論及展望

室內(nèi)定位導航系統(tǒng)是一個全新的領域，本文中利用加速度計和陀螺儀等器件做了一個基礎的研究工作，后續(xù)工作還有很多可以完成和擴展，包括擴大定位系統(tǒng)的范圍，各種定位方式的融合，實現(xiàn)大范圍多方式擇優(yōu)選擇的定位系統(tǒng)，進一步的提高系統(tǒng)的定位速度及準確度，如何與室外定位技術實現(xiàn)對接完成室內(nèi)外的定位系統(tǒng)，其中界面的設計也要多樣化，包括APP以及PC端的顯示等。其中小車的控制精度也有待提高，以及小車的功耗等方面。

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