基于MEMS的室內定位系統研究與設計

馬文君，陳　成，周嘉彬，許衛衛，章彬彬（南京航空航天大學　金城學院，南京　211156）

基于MEMS的室內定位系統研究與設計

馬文君，陳成，周嘉彬，許衛衛，章彬彬
（南京航空航天大學金城學院，南京211156）

MEMS傳感器的室內定位系統，實現一種完全自主無盲區，具有數據采集、數據處理以及顯示終端的功能，本文主要對采用了MEMS傳感器模塊進行測量行人運動參數，并通過定位計算機進行解算，實時確定行人行進方向、速度、位置等信息的室內定位系統進行設計與研究。

行人慣性導航系統；零速檢測；實時定位；設計

0　引言

伴隨微電子技術迅猛發展，導航定位技術的應用領域已漸漸從軍事化轉向了商用化。人們在工作、學習、生活中大約80%的時間都是在室內環境下度過的，室內定位技術得到了大力發展，受到了越來越多企業和民眾的重視，具有很高的商業價值。在現實生活中，也有越來越多的情境需要使用到室內定位技術：例如在一個工廠倉庫里，尋找所需要的產品；在火場中，對消防救助人員進行定位跟蹤；在醫院里，跟蹤定位周圍的醫護人員及儀器；在商場停車場尋找停車位等等。

MEMS是一種操作范圍在微米范圍內工業技術，它將傳統的機械工程與現代微電子技術有機地融合到了一起，并且具備如下特點：體積小、重量輕、成本低且低功耗，諧振頻率高，響應時間短，性能穩定，綜合集成度高。MEMS在日常生活、工作和學習中都具有廣泛的研究開發和應用推廣前景，隨著微制造技術的發展，現在通過IC等工藝技術已可實現MEMS設備的大批量生產。隨著MEMS技術的興起和發展，MEMS傳感器應用逐漸成為導航定位技術的一個重要研究方向。

本系統采用低成本MEMS器件作為唯一定位信息來源，采用信息實時處理的方法，實現不依賴于外界信息的實時自主定位功能，并且引入零速修正技術提高系統定位精度。

1　行人慣性導航系統設計

1.1數據采集與發送模塊

下位機傳感器測量模塊為MPU-6050MEMS傳感器，是由三軸MEMS加速度計與三軸MEMS陀螺儀構成的微慣性測量單元，實時測量得到傳感器信息，包括加速度和角速度信息。數據通過串口在下位機和上位機之間傳輸，由電纜連接上下位機。

1.2數據接收和解包模塊

上位機軟件，由串行通信控件MSComm對下位機數據進行接收。MSComm控件由微軟公司開發，致力于串行通信的控件。通過選取特定的函數對MSComm控件的屬性進行設置（例如串口號、波特率等），可以對串口數據進行讀取。數據讀取之后，放入預先設定的環形緩沖區儲存，等達到一定數量再進行解包、進一步處理可得到傳感器數據。

1.3在線標定和導航解算模塊

室內定位系統平臺最重要的功能是實時定位解算，得到個人的位置信息。室內定位系統采用了低成本的MEMS慣性傳感器作為數據采集工具，然而器件的重復性和精確度無法達到很高的要求，因此為了提高傳感器精度，需要在定位系統正常工作之前進行在線標定。

2　零速檢測

微慣性傳感器的精度較低，且誤差發散快，所以傳統的捷聯慣性定位不能很好地適用于室內定位系統。本系統擬加入零速修正技術來完善捷聯解算算法，圖1為定位算法的框架示意圖：系統采集傳感器數據從而捷聯解算，檢測零速時刻并使用零速修正技術減少導航誤差的發散。精確進行零速時刻的判斷是零速修正技術應用的前提，將加速度計輸出比力統計特性作為判斷的主要條件，設計零速檢測算法，進行零速修正。

圖1　室內定位算法框圖

為了實現信息實時處理并且準確判斷零速時刻，系統設計采用窗口型緩沖區，數據統一先進入窗口緩沖區，當緩沖區中的數據達到一定數量時，開始逐一提取緩沖區中的數據，進行正式的定位解算。窗口緩沖區采用FIFO隊列形式，主要用作判斷零速：若數據滿足零速判斷的條件，系統自動進行零速處理；若不滿足則導航解算直接從緩沖區中提取數據。

3　信息顯示和存儲模塊

圖2　室內定位系統框圖

上位機搭載客戶端軟件，主要作用是接收和處理傳感器數據。平臺按照功能分為三部分：數據接收部分、解算部分、圖形顯示部分。定位數據將會實時的顯示在用戶界面，用戶的實時位置也會有二維顯示控件直觀地反映。用戶界面同時也會實時顯示解算得到的定位結果。為了方便后期分析使用，傳感器原始數據和定位數據將以文件的形式存儲在計算機中。

圖2為室內定位系統框圖，整套平臺包括四大模塊：數據采集和發送模塊、數據接收和處理模塊、在線標定和定位解算模塊、信息顯示和存儲模塊。

4　驗證方案演示

本文開發的行人慣性導航系統平臺經過了行走實驗驗證，實驗過程中，足部會安置一個搭載慣性器件的下位機，由串口與上位機連接，用來測量足部運動信息，一旦上位機接收到傳感器信息，便可以開始進行處理并實時導航。我們會進行三次實驗，行走路線包含直角、圓弧、直線等，基本體現行人水平正常行走的線路。路線1從教學樓門前出發，繞草坪一周后回到樓前，距離250m 左右。路線2繞一座樓進行四邊形路線行走，距離200m 左右。路線3繞兩個草坪“8”字形行走，距離100m 左右。三次行走起始點選為同一地點，為了方便誤差的判斷。程序導航結果顯示三次行走實驗的誤差分別為3.4、2.3和0.4m，滿足誤差小于2%的整體設計要求，證明本文設計實現的行人慣性導航系統具有較高的導航精度。

5　結束語

本項目研究基于MEMS傳感器的室內定位系統，實現一種完全自主無盲區，具有數據采集、數據處理以及顯示終端的室內定位系統，本系統為基于自身傳感器的室內定位提供了一種簡單而有效的方法，可以進一步融合完善，并推廣應用到火場救援、車庫停車、治安等諸多場景之中。

［1］許睿.行人導航系統算法研究與應用實現［D］.南京：南京航空航天大學，2008.

［2］陳偉.基于GPS 和自包含傳感器的行人室內外無縫定位算法研究［D］.合肥：中國科技大學，2010.

［3］張金亮，秦永元，梅春波.基于MEMS 慣性技術的鞋式個人導航系統［J］.中國慣性技術學報，2011，19（03）：253-256.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.229