樊啟高,孫 艷,孫璧文,莊祥鵬

(江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214122)

基于GLRT零速檢測(cè)算法的行人室內(nèi)定位系統(tǒng)*

樊啟高*,孫 艷,孫璧文,莊祥鵬

(江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214122)

針對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)中慣性傳感器漂移大、精度低導(dǎo)致室內(nèi)行人定位精度不高的問(wèn)題,本系統(tǒng)在慣性導(dǎo)航解算算法的基礎(chǔ)上,提出基于廣義似然比檢驗(yàn)的零速檢測(cè)算法。該方法是利用廣義似然比檢驗(yàn)對(duì)行人處于站立相或擺動(dòng)相的概率進(jìn)行估計(jì)以及進(jìn)行零速更新,提高行人定位精度?；诒疚奶岢龅男腥耸覂?nèi)定位模型,搭建以慣性測(cè)量單元為核心的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),評(píng)估本文算法的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明行人定位的動(dòng)態(tài)誤差為-1.814 1 m～1.451 6 m,置信度為97.61%。表明本文的行人室內(nèi)定位系統(tǒng)滿(mǎn)足實(shí)際定位的要求。

行人室內(nèi)定位;慣性導(dǎo)航解算算法;廣義似然比檢驗(yàn);零速檢測(cè)算法;慣性測(cè)量單元;

現(xiàn)在的定位與導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)比較成熟,在人們?nèi)粘５纳钪?各種設(shè)備中的系統(tǒng)都在為人們提供地理信息服務(wù),如手機(jī)導(dǎo)航[1],車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)[2],等,這些定位與導(dǎo)航技術(shù)基本是基于全球定位系統(tǒng)GPS(Global Position System)[3]。由于現(xiàn)在城市化進(jìn)程的加快,大而密封的室內(nèi)環(huán)境日益增多,各種高樓和地下場(chǎng)所也層出不窮。因此基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)[4]、RFID[5]、ZigBee[6]、藍(lán)牙[7]等室內(nèi)定位技術(shù)也日漸興起。同時(shí)這些技術(shù)易受室內(nèi)環(huán)境的干擾,因此可克服室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的基于微機(jī)電慣性測(cè)量單元 MEMS IMU(Micro-Electro-Mechanical System-Inertial Measurement Unit)[8]的行人室內(nèi)定位技術(shù)被提出。MEMS IMU不易受外界環(huán)境因素的干擾并具有自主性,可滿(mǎn)足在封閉的無(wú)射頻信號(hào)的室內(nèi)環(huán)境下定位技術(shù)的要求。

目前行人室內(nèi)定位算法是分為兩種,一種是行人航跡推算PDR(Pedestrian Dead Reckoning)算法[9],其主要包括航向估計(jì)、布頻估計(jì)、步長(zhǎng)估計(jì)以及濾波。PDR算法雖降低對(duì)傳感器精度的要求,但精度不能滿(mǎn)足復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境的要求;另一種為基于零速更新ZUPT(Zero Velocity Update)[10]的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS(Inertial Navgation System)算法[11],其具有精度高,穩(wěn)定好等特性,可滿(mǎn)足室內(nèi)行人定位要求。

目前,一些學(xué)者利用加速度計(jì)、陀螺儀輸出值,得到其峰值、幅值或方差,與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較,提取出行人步態(tài)中的零速區(qū)間,進(jìn)行零速更新[12-13]。但易受慣性元器件輸出累積誤差的影響,存在零速點(diǎn)不能完全被提取以及零速點(diǎn)誤判等問(wèn)題。因此本文提出的基于廣義似然比檢驗(yàn)法GLRT(Generalized Likelihood Rate Test)[14]的零速更新算法是對(duì)行人處在站立相和擺動(dòng)相的概率進(jìn)行估計(jì),結(jié)合GLRT對(duì)速度實(shí)時(shí)檢測(cè)并修正,提高捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的解算精度。

為驗(yàn)證本文算法的合理性和精確性,分別做3組不同速度下的加速度峰值檢測(cè)+角速度閾值法,加速度峰值檢測(cè)+角速度閾值+時(shí)間閾值法以及基于GLRT的行人步態(tài)零速區(qū)間檢測(cè)法提取零速點(diǎn)的精確度的實(shí)驗(yàn),以及室內(nèi)行人定位軌跡對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文的行人定位系統(tǒng)滿(mǎn)足實(shí)際要求。

1 室內(nèi)行人定位算法

本文提出的行人定位算法包括慣性導(dǎo)航解算算法、步態(tài)區(qū)間檢測(cè)算法以及濾波算法。如圖1所示,通過(guò)加速度計(jì)以及陀螺儀的輸出值進(jìn)行慣性導(dǎo)航系統(tǒng)解算得到速度、姿態(tài)以及位置,同時(shí)步態(tài)區(qū)間檢測(cè)算法判斷行人處于何種步態(tài),進(jìn)行零速更新,結(jié)合擴(kuò)展卡爾曼濾波EKF(Extended Kalman Filter)對(duì)速度、姿態(tài)、位置進(jìn)行修正,提高行人定位系統(tǒng)的精度。

圖1 室內(nèi)行人定位算法結(jié)構(gòu)圖

1.1 慣性導(dǎo)航解算算法

圖2 MEMS IMU的三軸方向示意圖

IMU的輸出誤差是隨著時(shí)間的增加而增加,因此對(duì)加速度和角速率減去由EKF估計(jì)出的誤差值,得到補(bǔ)償后的角速率值、加速度值:

(1)

(2)

從載體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系,需要通過(guò)姿態(tài)矩陣的過(guò)渡,因此:

(3)

(4)

隨后更新在k時(shí)刻未經(jīng)EKF修正的速度、位置值:

(5)

(6)

rn,k|k-1=rn,k-1|k-1+vn,k|k-1×Δt

(7)

經(jīng)過(guò)EKF修正后的速度、位置值為:

(8)

(9)

隨后更新在k時(shí)刻的姿態(tài)矩陣:

(10)

式中:?θk表示小角度的反對(duì)稱(chēng)矩陣:

(11)

式中:?φk表示在k時(shí)刻轉(zhuǎn)動(dòng)的小角度。

1.2 步態(tài)區(qū)間檢測(cè)算法

行人的行走的步態(tài)可以分為兩種情況:擺動(dòng)相和站立相;擺動(dòng)相表示此刻行人的腳在運(yùn)動(dòng)階段,站立相表示此刻的行人的腳與地面完全接觸階段。理論上行人處于站立相的時(shí)刻,角速度值和水平加速度值應(yīng)為零以及豎直方向的加速度值應(yīng)等于重力常量。多數(shù)的靜態(tài)區(qū)間檢測(cè)算法是基于對(duì)IMU輸出參量的模值、方差以及幅值和已設(shè)定的閾值進(jìn)行比較,提取出步態(tài)中的零速點(diǎn)。這類(lèi)算法一方面易受到IMU的誤差積累的影響;另一方面行人在行走過(guò)程中,足部與地面的接觸時(shí)間特別短,這類(lèi)算法易誤判零速區(qū)間導(dǎo)致丟失零速點(diǎn),導(dǎo)致行人的速度、位置誤差增加。本文提出的靜態(tài)區(qū)間檢測(cè)算法是通過(guò)對(duì)行人處于站立相、擺動(dòng)相進(jìn)行概率分配,再根據(jù)GLRT算法,確定出行人的站立相。

設(shè)行人處于擺動(dòng)相的狀態(tài)值為:H0,處于站立相的狀態(tài)值為:H1。假設(shè)H1為真值時(shí),此時(shí)行人處于擺動(dòng)狀態(tài)的概率表達(dá)式為:PFA=Pr{H1|H0},以及假設(shè)H0為真值時(shí),行人處于擺動(dòng)狀態(tài)的概率表達(dá)式為PD=Pr{H1|H1}。根據(jù)Neyman-Pearson定理,最大化PD,使PFA=a(a表示顯著水平,根據(jù)實(shí)際情況給定)[15]。若:

(12)

表示此刻行人是處于H1。式中:γ表示檢測(cè)的閾值,L(#)表示對(duì)于每一個(gè)Zn的值的似然比(即對(duì)于H0、H1假設(shè)的可能性)。

閾值γ的確定取決于:

(13)

若假設(shè)行人處于H0狀態(tài),對(duì)比力和角速度進(jìn)行建模、分析是有難度的。因此通常是假設(shè)行人處在H1狀態(tài),則以下兩種情況是成立:①加速度計(jì)測(cè)量的比力值,只是由于地面對(duì)萬(wàn)有引力的對(duì)峙加速度,其大小是已知的。②IMU的姿態(tài)是不變的,即它的角速度為零。

即:

(14)

(15)

在系統(tǒng)中,θ是不可以忽略的,本文采用了極大似然估計(jì)法對(duì)θ進(jìn)行估計(jì),并結(jié)合式(12)得到:

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

可得:

(21)

(22)

式中:un∈Ωu。

(23)

(24)

所以,式(20)變?yōu)?

(25)

簡(jiǎn)化式(25),基于GLRT的行人零速區(qū)間檢測(cè)算法公式如下:

(26)

(27)

式中:γ′=-2ln(γ)/N。γ′根據(jù)實(shí)際情況而定。

2 擴(kuò)展卡爾曼濾波

擴(kuò)展卡爾曼濾波可以運(yùn)用非線(xiàn)性化的系統(tǒng)[16],因此在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。

在本文中,EKF的狀態(tài)估計(jì)值為:

(28)

狀態(tài)一步預(yù)測(cè)方程:

(29)

狀態(tài)矩陣:

(30)

(31)

(32)

量測(cè)方程:

(33)

式中:Zk表示在k時(shí)刻的量測(cè)值,H表示量測(cè)矩陣,nk表示的量測(cè)噪聲矩陣。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)配置

實(shí)驗(yàn)采用荷蘭Xsens公司的Mti系列MEMS IMU。它主要由3個(gè)相互正交的加速度計(jì)、3個(gè)陀螺儀及1個(gè)三軸磁傳感器組成,MEMS IMU中的傳感器性能表如表1所示。

表1 MEMS IMU的性能參數(shù)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文的行人航跡推算算法的正確性,進(jìn)行3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2.1 靜態(tài)檢測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,將MEMS IMU安裝在右腳上進(jìn)行以下幾組實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)MEMS IMU數(shù)據(jù)的收集,利用加速度峰值檢測(cè)加角速度閾值的靜態(tài)檢測(cè)算法、加速度峰值檢測(cè)加角速度閾值加時(shí)間閾值的靜態(tài)檢測(cè)算法以及基于GLRT的零速更新算法分別計(jì)算行人在不同速度下的行走的步數(shù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示,通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比說(shuō)明基于GLRT的零速更新算法更能快速有效的檢測(cè)出行人行走的步數(shù),其正確性以及精確性得到驗(yàn)證。

表2 不同方法對(duì)不同運(yùn)動(dòng)模式的步數(shù)檢測(cè)

3.2.2 零速更新算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于GLRT的零速更新算法的有效性,進(jìn)行基于GLRT的零速更新算法的值與加速度、角速度的幅值的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

在圖3和圖4中,通過(guò)對(duì)基于GLRT的零速更新算法的值與加速度、角速度的幅值進(jìn)行對(duì)比,表明基于GLRT的零速更新算法可準(zhǔn)確且快速地檢測(cè)行人的站立相,因此證明該算法可實(shí)時(shí)進(jìn)行零速修正。圖6表示基于GLRT的零速更新算法對(duì)速度進(jìn)行修正,結(jié)果表明速度可得到及時(shí)有效的更新,行人定位的精確性得到提高。

圖3 |ω|與GLRT的對(duì)比

圖4 |a|與GLRT的對(duì)比

圖5 GLRT對(duì)|v|的修正

3.2.3 行人定位軌跡對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文中的行人定位算法的有效性,在室內(nèi)的空地處進(jìn)行行人軌跡對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

圖6表示的是各個(gè)行人軌跡圖,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:提出的基于GLRT零速檢測(cè)算法的行人定位算法的定位效果穩(wěn)定且不存在發(fā)散問(wèn)題,同時(shí)定位效果優(yōu)于另兩種算法。

圖6 行人定位軌跡圖

參數(shù)a+ωa+ω+tGLRT誤差范圍/m-3.2729～0.6537-1.5151～1.7769-1.8141～1.4516平均誤差/m0.90130.63120.3023殘差率0.11700.06350.0239置信度0.88300.93650.9761

4 結(jié)束語(yǔ)

本文的基于GLRT的行人步態(tài)零速區(qū)間檢測(cè)算法對(duì)行人的站立相進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè),使行人的零速更新的效果更穩(wěn)定、更精確。因此,基于該零速檢測(cè)算法的行人定位算法相比較于其他行人定位算法,定位效果最佳。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的定位算法置信度為0.976 1,定位效果穩(wěn)定,滿(mǎn)足實(shí)際生活中定位的要求。

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樊啟高(1986-),男,漢族,江西南昌人,江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院副教授,主要研究方向?yàn)橹悄軅鞲信c控制;

孫艷(1993-),女,漢族,江蘇鹽城人,無(wú)錫江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院在讀研究生,主要研究方向?yàn)榉忾]環(huán)境內(nèi)導(dǎo)航定位;

莊祥鵬(1993-),男,漢族,福建泉州人,江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院研究生,主要研究方向?yàn)橹悄軅鞲信c控制。

PedestrianIndoorPositioningSystemBasedonGLRTZeroSpeedDetection*

FANQigao*,SUNYan,SUNBiwen,ZHUANGXiangpeng

(Jiang Nan University,School of IOT Engineering,Wuxi Jiangsu 214122,China)

Due to the inertial sensors’s large drift and low accuracy in micro electro mechanical system,the accuracy of pedestrian indoor location is low. Based on the inertial navigation,this paper presents the zero speed detection algorithm of the generalized likelihood ratio test. This algorithm uses the generalized likelihood ratio test to estimate the probability of pedestrians standing or swinging,and updates the speed of the standing,in order to improve the accuracy pedestrian location. Based on the proposed indoor pedestrian location model,build an experimental platform with the inertial measurement unit,and evaluate the feasibility of the model. The experimental results show that the dynamic error is -1.814 1 m～1.451 6 m,and the confidence level is 97.61%,and indicate this pedestrian indoor positioning system meets the requirements of practical location.

pedestrian indoor location;inertial navigation;generalized likelihood ratio test;nertial measurement unit

TP212

A

1004-1699(2017)11-1706-06

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405198);中央高校專(zhuān)項(xiàng)自主科研項(xiàng)目(JUSRP11464);江蘇省2016年度普通高校研究生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(SJZZ16_0219)

2017-03-23修改日期2017-07-07

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.11.016