田 丹

(沈陽工學(xué)院 信息與控制學(xué)院，遼寧 撫順 113122)

0 引言

MEMS傳感器是一種檢測應(yīng)用裝置，能夠直接感受到處于傳輸狀態(tài)的被測信息，并可以按照一定的規(guī)律或原則，將這些待測信息整合成完全不同的輸出形式，在此過程中，信息參量的傳輸路徑、處理方式與存儲形式都不會發(fā)生變化[1]。對于導(dǎo)航系統(tǒng)來說，MEMS傳感器作為核心信號輸入設(shè)備，可以絕對數(shù)據(jù)信息的后續(xù)傳輸方向，并可在陀螺儀、加速度計(jì)等應(yīng)用元件的作用下，完成對數(shù)據(jù)信息參量的查詢與處理[2-3]。與常規(guī)IMU裝置不同，MEMS傳感器對于位置信息的校準(zhǔn)能力更強(qiáng)，能夠在修正數(shù)據(jù)信息參量的同時(shí)，滿足各種慣性與非慣性查詢需求，且由于數(shù)據(jù)信息的排序始終遵循一致性原則，所以任何細(xì)微定義指令都不會對傳感器元件的運(yùn)行能力造成影響，這也是MEMS傳感器始終具備較強(qiáng)實(shí)用適應(yīng)性的主要原因[4]。

室內(nèi)外導(dǎo)航系統(tǒng)是指利用調(diào)用服務(wù)對位置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定義的應(yīng)用系統(tǒng)，可在智能終端軟件的作用下，獲取GPS模塊內(nèi)暫存的信息參量，并可根據(jù)相關(guān)性原則，將表達(dá)形式較為相似的數(shù)據(jù)信息歸為一類，對于數(shù)據(jù)庫主機(jī)而言，這種系統(tǒng)節(jié)省了大量的信息分類時(shí)間，能夠從根本上解決主機(jī)運(yùn)行速率相對較慢的問題[5]。在上述背景下，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究學(xué)者紛紛對室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做出了研究。夏琳琳[6]等人提出基于降維對偶四元數(shù)的室內(nèi)外導(dǎo)航應(yīng)用系統(tǒng)，能夠根據(jù)AR主機(jī)的導(dǎo)航能力，構(gòu)建完整的室內(nèi)與室外地圖，并可借助WIFI組織，將位置信息序列轉(zhuǎn)換成完整的數(shù)據(jù)文件參量，并可在遵循數(shù)據(jù)庫存儲標(biāo)注的情況下，完成對這些信息參量的實(shí)時(shí)存儲。然而對于磁力計(jì)設(shè)備而言，該系統(tǒng)系統(tǒng)并沒有關(guān)注元件自身的偏轉(zhuǎn)能力，以促使偏轉(zhuǎn)角數(shù)值持續(xù)增大，并最終使得實(shí)際導(dǎo)航坐標(biāo)結(jié)果不能與理想預(yù)設(shè)坐標(biāo)值相貼合，對主機(jī)設(shè)備的精準(zhǔn)導(dǎo)航能力造成影響。Zeng[7]等人提出基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)，機(jī)器人的姿態(tài)由兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)分別編碼，每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)貝葉斯代碼一組用于前庭線索整合的積分器單元，一組用于視覺線索校準(zhǔn)的校準(zhǔn)單元。應(yīng)用該模型SLAM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)室外和室內(nèi)環(huán)境的導(dǎo)航定位。該方法在室內(nèi)環(huán)境中的導(dǎo)航效果較好，但未考慮室外環(huán)境中的環(huán)境因素影響，室外導(dǎo)航精度差。

為避免上述情況的發(fā)生，在MEMS傳感器的支持下，設(shè)計(jì)一種新型的室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)。設(shè)計(jì)基于MEMS傳感器的室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)。應(yīng)用MEMS傳感器，同時(shí)獲取空間內(nèi)的導(dǎo)航點(diǎn)信息，獲取實(shí)時(shí)坐標(biāo)，通過計(jì)算位姿角數(shù)值的方式，處理導(dǎo)航點(diǎn)與傳感器信息之間的多源融合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。通過對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)與縮放完成對導(dǎo)航路徑的可視化處理，結(jié)合硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)基于MEMS傳感器的室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境包含多源外接模塊電路、MEMS磁力計(jì)、微處理器導(dǎo)航元件、地圖空間定義模塊、融合信息存儲單元，軟件設(shè)計(jì)中，基于MEMS傳感器原件，融合導(dǎo)航點(diǎn)與傳感器信息，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，對路徑節(jié)點(diǎn)進(jìn)行平移變換處理，再遵循旋轉(zhuǎn)與縮放理論，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)路徑的可視化處理。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如下所示。

1.1 多源外接模塊電路

多源外接模塊電路其主要功能就是為室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)、MEMS傳感器元件提供傳輸電流，以便于主機(jī)單元可對磁力計(jì)偏轉(zhuǎn)角度信息進(jìn)行捕捉，從而實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)航信息的存儲與處理(詳細(xì)連接如圖2所示)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，該模塊的連接位置處于系統(tǒng)VCC輸出端與VDD輸入端之間，可將高壓交變電流轉(zhuǎn)化成低壓直流傳輸形式，并可以借助K1、K2、K3、K4、K5、K6幾類磁力消耗設(shè)備，完成對傳輸電流的二次利用。由于K類磁力消耗設(shè)備的存在，傳輸于多源外接模塊電路的物理電流不會出現(xiàn)任何形式的外泄行為[5-6]。當(dāng)剩余電量足以負(fù)擔(dān)MEMS磁力計(jì)、微處理器導(dǎo)航元件等下級結(jié)構(gòu)的連接行為時(shí)，傳輸電流便可以在導(dǎo)線通路的作用下，直接反饋至既定元件體系之內(nèi)；而當(dāng)剩余電量不足以負(fù)擔(dān)下級結(jié)構(gòu)的連接行為時(shí)，K類磁力設(shè)備便會釋放暫存的傳輸電流，使其對電信號誤差量進(jìn)行彌補(bǔ)，從而滿足室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)的常規(guī)供應(yīng)需求。

圖2 多源外接模塊電路結(jié)構(gòu)圖

R1、R2、R3、R4、R5、R6作為6個(gè)完全獨(dú)立的連接電阻，分別與多源外接模塊電路的PD1、PD2、PD3、PD4、PD5、PD6子通路相連，可在承接VCC電壓輸出端傳輸電流的同時(shí)，對剩余電信號參量進(jìn)行打包處理，并將其分別反饋至不同的子通路環(huán)境之中，以供導(dǎo)航主機(jī)元件的自由選取。

1.2 MEMS磁力計(jì)

MEMS磁力計(jì)是具有磁性能力的導(dǎo)航定向裝置，在接頭處于持續(xù)連通狀態(tài)的情況下，導(dǎo)線中存在大量的傳輸電流，且由于磁性能力的不同，正向電流的傳輸方向總是由主機(jī)端指向電源結(jié)構(gòu)外側(cè)，而負(fù)向電流的傳輸方向則總是由電源結(jié)構(gòu)外側(cè)指向主機(jī)端[7]。在多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)中，MEMS磁力計(jì)作為外接模塊電路的下級附屬結(jié)構(gòu)，可借助磁性探頭確定室內(nèi)外空間中定位節(jié)點(diǎn)所處的具體位置，根據(jù)待測節(jié)點(diǎn)與初始節(jié)點(diǎn)間物理距離的不同，多源外接模塊電路對MEMS磁力計(jì)所輸出的電信號數(shù)量也有所不同，一般來說，待測節(jié)點(diǎn)與初始節(jié)點(diǎn)之間的物理距離越遠(yuǎn)，模塊電力對MEMS磁力計(jì)輸出的電信號數(shù)量也就越多，反之則越少[8]。為了減少電量傳輸信號的浪費(fèi)，磁性探頭分別與MEMS磁力計(jì)的主電機(jī)和外接導(dǎo)線相連，且所測得的導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)定位數(shù)據(jù)也可借助原電信號回路，直接反饋回系統(tǒng)應(yīng)用主機(jī)之中。

磁力計(jì)主電機(jī)表面包含一個(gè)控制開關(guān)、兩個(gè)調(diào)節(jié)按鈕和一個(gè)物理顯示屏。開關(guān)結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)掌控MEMS磁力計(jì)的斷開與閉合狀態(tài)；調(diào)節(jié)按鈕負(fù)責(zé)控制電信號的實(shí)際輸出流量；顯示屏負(fù)責(zé)顯示與MEMS磁力計(jì)相關(guān)的各項(xiàng)物理示數(shù)。

1.3 微處理器導(dǎo)航元件

微處理器導(dǎo)航元件以MPU6500芯片、MPU9250芯片作為核心設(shè)備結(jié)構(gòu)，可聯(lián)合微電阻元件，采用MEMS傳感器控制MEMS磁力計(jì)，得出偏轉(zhuǎn)角數(shù)值，并可借助電信號傳輸導(dǎo)線，將數(shù)據(jù)信息以傳輸電流的形式，分別反饋給下級硬件應(yīng)用結(jié)構(gòu)和核心導(dǎo)航主機(jī)，從而使得室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)行能力得到保障[9]。MPU6500芯片、MPU9250芯片及微電阻元件的具體應(yīng)用能力如下：

1)MPU6500芯片：負(fù)責(zé)記錄多源外接模塊電路向外輸出穩(wěn)壓電流的數(shù)量值水平，可以在分析MEMS磁力計(jì)偏轉(zhuǎn)角度的同時(shí)，控制電流信號的消耗速度，從而實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)航主機(jī)精準(zhǔn)定位能力的干擾。

2)MPU9250芯片：作為MPU6500芯片的附屬連接結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)統(tǒng)一調(diào)度整個(gè)微處理器導(dǎo)航元件的連接能力，既可以記錄電流信號的實(shí)際傳輸位置，也可以存儲既定地圖節(jié)點(diǎn)的物理坐標(biāo)，并能夠與多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫主機(jī)建立連接關(guān)系，從而為導(dǎo)航信息流提供一個(gè)相對穩(wěn)定的傳輸環(huán)境[10]。

3)微電阻元件：與多源外接模塊電路中的連接電阻相比，微電阻元件的內(nèi)阻水平相對較低，對于傳輸電流的承載能力較弱。僅能對MEMS磁力計(jì)的偏轉(zhuǎn)行為起到小幅度的促進(jìn)影響作用，但對于多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)精準(zhǔn)定位行為的影響能力極強(qiáng)。

1.4 地圖空間定義模塊

地圖空間定義模塊的連接必須同時(shí)借助GControl、GContro Anchor、GControl Postion三類應(yīng)用節(jié)點(diǎn)，且在MEMS傳感器、導(dǎo)航元件等模塊結(jié)構(gòu)的作用下，各類節(jié)點(diǎn)組織所具備的連接能力也有所不同。以下分別對GControl節(jié)點(diǎn)、GContro Anchor節(jié)點(diǎn)及GControl Postion節(jié)點(diǎn)的室內(nèi)外多源導(dǎo)航信息傳輸能力進(jìn)行分析，匯總導(dǎo)航主機(jī)采集的多源位置信息，實(shí)現(xiàn)地圖空間定義模塊設(shè)計(jì)。

1)GControl節(jié)點(diǎn):室內(nèi)外多源導(dǎo)航信息的傳輸必須借助GControl類節(jié)點(diǎn)，可根據(jù)定位地圖中自定義控件的從屬連接狀態(tài)，規(guī)劃導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)在室內(nèi)外環(huán)境中所處的位置[11]。相較于MEMS磁力計(jì)元件而言，GControl節(jié)點(diǎn)可以在地圖空間恒定覆蓋的情況下，將與MPU6500芯片、MPU9250芯片匹配的操作行為限定在既定地圖空間內(nèi)，一方面避免了磁力計(jì)設(shè)備出現(xiàn)過低偏轉(zhuǎn)的行為，另一方面也可實(shí)現(xiàn)對多源電信號傳輸行為的有效控制。

2)GContro Anchor節(jié)點(diǎn):該類型節(jié)點(diǎn)能夠控制導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)在地圖空間定義模塊中所處的實(shí)時(shí)連接位置，由于MEMS磁力計(jì)單次發(fā)生的偏轉(zhuǎn)角數(shù)值并不完全相等，所以節(jié)點(diǎn)分布步長值的制定必須與導(dǎo)航主機(jī)中信息參量的輸入行為保持一致化狀態(tài)。一般來說，相鄰導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)之間的間隔距離越大，GContro Anchor節(jié)點(diǎn)所具備的實(shí)時(shí)連接能力也就越強(qiáng)，反之則越弱。

3)GControl Postion節(jié)點(diǎn):與其它兩類定義節(jié)點(diǎn)不同，GControl Postion節(jié)點(diǎn)對于導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)的作用能力相對較弱，在獨(dú)立的地圖空間內(nèi)，受到室內(nèi)外多源信息分布多樣性的影響，MEMS傳感器對于偏轉(zhuǎn)角參量的提取能力會不斷增強(qiáng)，此時(shí)為使節(jié)點(diǎn)主體自身的連接能力得到保障，外接模塊電路必須增強(qiáng)對于電信號的輸出強(qiáng)度，并以此為基礎(chǔ)，驅(qū)動相鄰GControl Postion節(jié)點(diǎn)不斷向著同一位置靠近，最終匯總導(dǎo)航主機(jī)所采集到的多源位置信息，并將其全部存儲于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫元件之中[12]。

1.5 融合信息存儲單元

在室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)中，融合信息存儲單元與地圖空間定義模塊之間的連接適配性最強(qiáng)，由主存儲模塊、附屬存儲模塊兩部分共同組成，前者負(fù)責(zé)建立完整的導(dǎo)航定位信息輸入、輸出指令流程，后者負(fù)責(zé)對反饋信息進(jìn)行整合與處理，并可在SQL數(shù)據(jù)庫元件的作用下，將這些數(shù)據(jù)信息參量直接傳輸至核心分析主機(jī)中，以供MEMS磁力計(jì)設(shè)備的二次調(diào)取與利用。主存儲模塊中包含一個(gè)MiniSD 卡、一個(gè)STM32F407 芯片、一個(gè)EEPROM組件和一個(gè)EEPROM元件，STM32F407 芯片能夠接收并處理微處理器導(dǎo)航元件中MPU6500芯片存儲的多源外接模塊電路向外輸出穩(wěn)壓電流的數(shù)值，減少導(dǎo)航主機(jī)精準(zhǔn)定位能力的外界干擾。EEPROM組件能夠借助定位節(jié)點(diǎn)，改變多源導(dǎo)航信息的實(shí)時(shí)存儲位置，并可以按照傳輸信道的實(shí)際連接形式，構(gòu)建更加完善的信息導(dǎo)入與導(dǎo)出映射關(guān)系，從而將室內(nèi)外多源導(dǎo)航信息改寫成IAP編碼的形式[13-14]。附屬存儲模塊只包含一個(gè)SQL數(shù)據(jù)庫和一個(gè)核心分析主機(jī)，能夠?qū)⒁勋@得的室內(nèi)外多源數(shù)據(jù)按需分類成傳感信息、導(dǎo)航信息與定位信息的存儲形式，并可以與主存儲模塊間構(gòu)建一種動態(tài)的信息互傳關(guān)系，從而滿足MEMS傳感器對于室內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行導(dǎo)航控制的實(shí)際應(yīng)用需求。完整的模塊結(jié)構(gòu)詳解如圖3所示。

圖3 融合信息存儲單元示意結(jié)構(gòu)詳解

SQL數(shù)據(jù)庫必須負(fù)擔(dān)室內(nèi)外多源導(dǎo)航信息的實(shí)時(shí)融合需求，其連接形式也必須隨著MEMS磁力計(jì)偏轉(zhuǎn)角度的改變而不斷發(fā)生變化。

2 基于MEMS傳感器的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)軟件，在MEMS傳感器元件的作用下，按照坐標(biāo)定義、位姿角計(jì)算、導(dǎo)航點(diǎn)與傳感器信息融合的執(zhí)行流程，實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)外導(dǎo)航系統(tǒng)定位坐標(biāo)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換處理。

2.1 傳感器坐標(biāo)定義

傳感器坐標(biāo)定義分為俯仰角分析、翻滾角分析兩部分。其中，俯仰角是指由較遠(yuǎn)定位節(jié)點(diǎn)指向核心節(jié)點(diǎn)的標(biāo)記曲線角，與之相匹配的傳感器導(dǎo)航射線相對較長；翻滾角是指由非恒定定位節(jié)點(diǎn)指向核心節(jié)點(diǎn)的標(biāo)記曲線角，與之相匹配的傳感器導(dǎo)航射線一般不會比俯仰角導(dǎo)航射線更長。

(1)

式中，F(xiàn)1為基于俯仰角的傳感器坐標(biāo)定義系數(shù)，F(xiàn)2為基于翻滾角的傳感器坐標(biāo)定義系數(shù)，d1為與俯仰角匹配的傳感器導(dǎo)航射線長度，d2為與翻滾角匹配的傳感器導(dǎo)航射線長度。在對傳感器坐標(biāo)進(jìn)行定義時(shí)，默認(rèn)地圖空間中的導(dǎo)航定位坐標(biāo)點(diǎn)不會互相遮蓋。

2.2 位姿角計(jì)算

位姿角也叫因MEMS磁力計(jì)偏轉(zhuǎn)行為而產(chǎn)生的位移轉(zhuǎn)動角，在已知傳感器坐標(biāo)定義條件的情況下，可認(rèn)為俯仰角轉(zhuǎn)向量與翻滾角轉(zhuǎn)向量之間的物理差值越大，位姿角的實(shí)際數(shù)值水平也就越高[15-17]。在一個(gè)導(dǎo)航定位周期內(nèi)，室內(nèi)外多源信息的最大融合變化量只能達(dá)到ΔEmax，且該項(xiàng)物理量屬于一項(xiàng)非矢量指標(biāo)，即隨著導(dǎo)航行為、磁力計(jì)偏轉(zhuǎn)行為等外界條件的改變，指標(biāo)參量自身的數(shù)值水平也會發(fā)生改變。因此，在計(jì)算位姿角數(shù)值的時(shí)候，只能將最大融合變化量作為一項(xiàng)關(guān)聯(lián)性參考條件。聯(lián)立公式(1)，可將位姿角正弦變動行為表達(dá)式定義為：

(2)

其中：λ為固定偏轉(zhuǎn)系數(shù)。

在公式(2)的基礎(chǔ)上，設(shè)xα表示位姿角α的X軸投影長度值，yα表示位姿角α的Y軸投影長度值，根據(jù)上述物理量，可將位姿角α計(jì)算結(jié)果表示為：

(3)

式中，μ為位姿角反轉(zhuǎn)系數(shù)。一般來說，位姿角數(shù)值越大，μ指標(biāo)的取值結(jié)果也就越大，此時(shí)室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)判別主機(jī)對于MEMS磁力計(jì)偏轉(zhuǎn)行為的依賴性也就越強(qiáng)。

2.3 導(dǎo)航點(diǎn)與傳感器信息的多源融合

導(dǎo)航點(diǎn)是指位姿角的核心定位點(diǎn)，在MEMS磁力計(jì)偏轉(zhuǎn)行為發(fā)生變化的過程中，導(dǎo)航點(diǎn)所處位置也會隨之出現(xiàn)變化。傳感器信息是指MEMS傳感器所采集到的室內(nèi)外定位信息，由于實(shí)時(shí)導(dǎo)航環(huán)境總是處于相對變動的存在狀態(tài)，所以傳感器信息采集行為也總是隨之呈現(xiàn)變動形式。具體融合流程如圖4所示。

圖4 導(dǎo)航點(diǎn)與傳感器信息的多源融合流程圖

導(dǎo)航點(diǎn)與傳感器信息的多源融合要求室內(nèi)外導(dǎo)航環(huán)境必須處于絕對穩(wěn)定的狀態(tài)，也只有在此前提下，MEMS傳感器所采集到的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息才具有可參考價(jià)值。

3 導(dǎo)航路徑可視化處理

在實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)外導(dǎo)航系統(tǒng)定位坐標(biāo)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換處理后。根據(jù)定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原則，對導(dǎo)航路徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行平移變換，再遵循旋轉(zhuǎn)與縮放理論，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)路徑的可視化處理，結(jié)合硬件系統(tǒng)完成了基于MEMS傳感器的室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.1 路徑節(jié)點(diǎn)的平移變換

室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航路徑節(jié)點(diǎn)平移變換，也叫考慮MEMS傳感器偏轉(zhuǎn)行為的導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)平向轉(zhuǎn)移變換，在已知導(dǎo)航點(diǎn)與傳感器信息多源融合結(jié)果的情況下，位姿角計(jì)算數(shù)值將直接影響節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的變換結(jié)果[18]。

規(guī)定P0表示導(dǎo)航路徑節(jié)點(diǎn)的初始標(biāo)記值，其物理坐標(biāo)為(x0,y0,z0)，Pn表示平移變換后的導(dǎo)航路徑節(jié)點(diǎn)標(biāo)記值，其物理坐標(biāo)為(xn,yn,zn)，在α位姿角取值恒大于零的情況下，可將室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)路徑節(jié)點(diǎn)的平移變換表達(dá)式定義為：

(4)

式中，cosω為位姿角α的余弦值，sinω為位姿角α的正弦值，tanω為位姿角α的正切值，ΔL為導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)的單位平移距離，d為平移度量系數(shù)，h為縱向平移的深度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，φ為偏轉(zhuǎn)角定標(biāo)系數(shù)。

路徑節(jié)點(diǎn)平移變換是室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵執(zhí)行環(huán)節(jié)，由于該項(xiàng)物理?xiàng)l件的定義參考了磁力計(jì)偏轉(zhuǎn)行為對數(shù)值計(jì)算結(jié)果造成的影響，所以各項(xiàng)指標(biāo)參量的取值都應(yīng)做到絕對精細(xì)化[19]。

3.2 旋轉(zhuǎn)與縮放

旋轉(zhuǎn)就是為平移后導(dǎo)航路徑節(jié)點(diǎn)賦予一定的初始偏轉(zhuǎn)角度，從而使得系統(tǒng)主機(jī)能夠在較短時(shí)間內(nèi)適應(yīng)磁力計(jì)元件的偏轉(zhuǎn)行為[20]。設(shè)δ0表示初始旋量，且該項(xiàng)物理量能夠直接作用于平移變換后的物理坐標(biāo)點(diǎn)Pn(xn,yn,zn)。聯(lián)立上述物理量，可將基于MEMS傳感器的導(dǎo)航定位角旋轉(zhuǎn)表達(dá)式定義為：

(5)

縮放就是對平移后導(dǎo)航路徑節(jié)點(diǎn)所涉及的覆蓋范圍面積進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般來說，室內(nèi)外多源導(dǎo)航環(huán)境的物理空間越廣泛，縮放比例系數(shù)的變化行為也就越明顯[21]。設(shè)Δq表示導(dǎo)航路徑節(jié)點(diǎn)縮放比例的原始度量值，聯(lián)立公式(4)，可將基于MEMS傳感器的導(dǎo)航定位角縮放表達(dá)式定義為：

(6)

旋轉(zhuǎn)與縮放行為可以同時(shí)影響室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)對于節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的定位能力[22-23]，由于磁力計(jì)偏轉(zhuǎn)行為強(qiáng)度不可能為零，所以旋轉(zhuǎn)與縮放定義式的取值結(jié)果也不可能等于零。

4 實(shí)例分析

選取圖5所示的計(jì)算機(jī)元件作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，其中左側(cè)主機(jī)所顯示圖像為室外環(huán)境，右側(cè)主機(jī)所顯示圖像為室內(nèi)環(huán)境。

圖5 室內(nèi)外導(dǎo)航環(huán)境模擬

選取兩臺型號相同且作用能力穩(wěn)定的磁力計(jì)裝置作為實(shí)測設(shè)備，其中一臺磁力計(jì)接受實(shí)驗(yàn)組計(jì)算機(jī)的控制(實(shí)驗(yàn)組計(jì)算機(jī)搭載基于MEMS傳感器的室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng))，另一臺磁力計(jì)接受對照組計(jì)算機(jī)的控制(對照組計(jì)算機(jī)搭載基于降維對偶四元數(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng))。

磁力計(jì)偏轉(zhuǎn)角數(shù)值能夠反映實(shí)測導(dǎo)航坐標(biāo)與理想預(yù)設(shè)坐標(biāo)之間的貼合度水平，一般來說，實(shí)測角與理想角之間的差值越小，則表示實(shí)測導(dǎo)航坐標(biāo)與理想預(yù)設(shè)坐標(biāo)之間的貼合能力越強(qiáng)；而實(shí)測角度值過大或過小，都表示磁力計(jì)出現(xiàn)了過度偏轉(zhuǎn)行為，不利于計(jì)算機(jī)元件對導(dǎo)航信息進(jìn)行精準(zhǔn)處理。

本次實(shí)驗(yàn)主要分為室外導(dǎo)航環(huán)境、室內(nèi)導(dǎo)航環(huán)境兩部分，且為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的完整性，每一部分實(shí)驗(yàn)都分為X軸、Y軸兩個(gè)導(dǎo)航方向。

表1記錄了室外導(dǎo)航環(huán)境中，X軸、Y軸兩個(gè)方向上的理想磁力計(jì)偏轉(zhuǎn)角數(shù)值。

表1 理想磁力計(jì)偏轉(zhuǎn)角(室外導(dǎo)航環(huán)境)

表2記錄了室外環(huán)境導(dǎo)航中，實(shí)驗(yàn)組、對照組實(shí)測磁力計(jì)偏轉(zhuǎn)角數(shù)值。

表2 磁力計(jì)偏轉(zhuǎn)角實(shí)測值(室外導(dǎo)航環(huán)境)

對比表1、表2可知，對于實(shí)驗(yàn)組導(dǎo)航系統(tǒng)而言，與之匹配的磁力計(jì)偏轉(zhuǎn)角均值水平相對較低，單就X軸上的偏轉(zhuǎn)角數(shù)值來看，第二次實(shí)驗(yàn)所取得的實(shí)測偏轉(zhuǎn)角與理想偏轉(zhuǎn)角之間的差值最大，達(dá)到了2.8°；單就Y軸上的偏轉(zhuǎn)角數(shù)值來看，第三次實(shí)驗(yàn)所取得的實(shí)測偏轉(zhuǎn)角與理想偏轉(zhuǎn)角之間的差值最大，達(dá)到了2.0°。對于對照組導(dǎo)航系統(tǒng)而言，與之匹配的磁力計(jì)偏轉(zhuǎn)角均值水平相對較高，單就X軸上的偏轉(zhuǎn)角數(shù)值來看，第七次實(shí)驗(yàn)所取得的實(shí)測偏轉(zhuǎn)角與理想偏轉(zhuǎn)角之間的差值最大，達(dá)到了12.1°，高于實(shí)驗(yàn)組差值；單就Y軸上的偏轉(zhuǎn)角數(shù)值來看，第二次實(shí)驗(yàn)所取得的實(shí)測偏轉(zhuǎn)角與理想偏轉(zhuǎn)角之間的差值最大，達(dá)到了9.6°，也高于實(shí)驗(yàn)組差值。

圖6反映了室內(nèi)導(dǎo)航環(huán)境中，X軸、Y軸兩個(gè)方向上的理想磁力計(jì)偏轉(zhuǎn)角數(shù)值，及實(shí)驗(yàn)組、對照組實(shí)測結(jié)果與理想偏轉(zhuǎn)角的數(shù)值對比情況。

圖6 室內(nèi)導(dǎo)航環(huán)境中的磁力計(jì)偏轉(zhuǎn)角(X軸)

分析圖6可知，對于室內(nèi)導(dǎo)航環(huán)境X軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果而言，實(shí)驗(yàn)組第6次所取得的實(shí)測偏轉(zhuǎn)角與理想偏轉(zhuǎn)角數(shù)值完全相等，第八次實(shí)驗(yàn)所取得的實(shí)測偏轉(zhuǎn)角與理想偏轉(zhuǎn)角之間的差值最大，達(dá)到了3.7°；對照組第一次實(shí)驗(yàn)所取得的實(shí)測偏轉(zhuǎn)角與理想偏轉(zhuǎn)角之間的差值最大，21.0°，高于實(shí)驗(yàn)組差值水平。

圖7 室內(nèi)導(dǎo)航環(huán)境中的磁力計(jì)偏轉(zhuǎn)角(Y軸)

分析圖7可知，對于室內(nèi)導(dǎo)航環(huán)境Y軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果而言，實(shí)驗(yàn)組第五次所取得的實(shí)測偏轉(zhuǎn)角與理想偏轉(zhuǎn)角之間的差值最大，達(dá)到了3.6°；對照組第四次所取得的實(shí)測偏轉(zhuǎn)角與理想偏轉(zhuǎn)角之間的差值最大，達(dá)到了10.2°，也高于實(shí)驗(yàn)組差值水平。

綜上可認(rèn)為，在MEMS傳感器的作用下，磁力計(jì)偏轉(zhuǎn)角數(shù)值在室內(nèi)、室外導(dǎo)航環(huán)境中均能得到較好控制，實(shí)測角與理想角之間物理數(shù)值差的最大值達(dá)到3.7°，說明室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航準(zhǔn)確性較高，對方位的識別精度較好，完全符合精準(zhǔn)導(dǎo)航的實(shí)際應(yīng)用需求。

5 結(jié)束語

與基于降維對偶四元數(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng)相比，新型室內(nèi)外多源融合導(dǎo)航系統(tǒng)以MEMS傳感器元件為基礎(chǔ)，在模塊電路、地圖空間定義模塊等多個(gè)硬件應(yīng)用結(jié)構(gòu)的作用下，對傳感器坐標(biāo)進(jìn)行重新定義，又根據(jù)路徑節(jié)點(diǎn)平移變換原則，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)航定位坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)與縮放處理。從對比實(shí)驗(yàn)的角度來看，隨著這種新型導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用，磁力計(jì)的過度偏轉(zhuǎn)行為得到了較好糾正，實(shí)測導(dǎo)航坐標(biāo)結(jié)果能夠更加貼合理想預(yù)設(shè)坐標(biāo)值，這對于室內(nèi)外環(huán)境中節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的精確化導(dǎo)航，確實(shí)能夠起到一定的促進(jìn)性影響作用。