基于慣性導(dǎo)航的人員定位系統(tǒng)研究

摘 要：分析了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）、無線電定位和慣性導(dǎo)航定位各自的優(yōu)劣勢，提出基于慣性導(dǎo)航的人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為減小系統(tǒng)隨時(shí)間的累計(jì)誤差，引入高精度地圖和精細(xì)化三維模型等基于場景的位置融合算法，最大限度地從系統(tǒng)誤差源等因素出發(fā)，提出相應(yīng)的解決辦法以提高定位精度。

關(guān)鍵詞：慣性導(dǎo)航；定位；融合

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.157

1 引言

近年來移動(dòng)GIS的迅猛發(fā)展，人們對定位與導(dǎo)航的精度需求也在不斷增長。公元十三世紀(jì)，中國人發(fā)明了指南針并以此穿越南中國海。1942年德國在V-2火箭上率先應(yīng)用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，極大地刺激了精確定位的需求。無線電技術(shù)的高速發(fā)展使得定位所需的若干解算參數(shù)均可通過研究無線電波的傳播特性得到，GNSS應(yīng)運(yùn)而生。

為了克服GNSS只能應(yīng)用于空曠室外的劣勢，基于UWB、Zigbee和RFID等低成本、低功耗、高精度的室內(nèi)定位方案相繼出現(xiàn)，并呈現(xiàn)出實(shí)時(shí)定位的發(fā)展趨勢[1]。隨著慣性測量單元（IMU）性價(jià)比不斷提高，基于慣性導(dǎo)航的室內(nèi)定位技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)。IMU與人體捷聯(lián)，利用慣性導(dǎo)航原理計(jì)算行進(jìn)的步長、電子羅盤搭配陀螺儀可實(shí)時(shí)測量每一步前進(jìn)的方向，進(jìn)而推算人員的位置。

基于無線電的室內(nèi)定位方案，需要前期在定位所覆蓋的區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)一定密度的參考定位信標(biāo)，成本與區(qū)域的面積成正比。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備體積小，不需要在定位覆蓋的區(qū)域進(jìn)行前期的安裝和特征測量 [2]，系統(tǒng)不受室內(nèi)還是室外環(huán)境的限制，成本僅與目標(biāo)的數(shù)量有關(guān)，非常適合大規(guī)模應(yīng)用；劣勢在于系統(tǒng)的累計(jì)誤差隨時(shí)間呈指數(shù)增長[3]。如何減小累計(jì)誤差實(shí)現(xiàn)高精度室內(nèi)定位成為該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 基于慣性導(dǎo)航的人員定位系統(tǒng)

圖1給出了基于慣性導(dǎo)航的人員定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)分兩部分：用戶端和服務(wù)端。

用戶端的兩個(gè)組成部分包括數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理。由于IMU中集成了慣性傳感元件和地磁計(jì)，將前期設(shè)計(jì)開發(fā)的數(shù)據(jù)采集單元固定在人員的身體上，與人體捷聯(lián)。例如將采集單元固定在人員的腰部、脛骨處、腳后跟及腳尖等運(yùn)動(dòng)參數(shù)明顯且周期變化的位置上。數(shù)據(jù)預(yù)處理部分對采集單元采集的慣性傳感及磁力數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將結(jié)果與相關(guān)的模式識別算法相結(jié)合，如機(jī)器學(xué)習(xí)等，對人員行進(jìn)的動(dòng)作進(jìn)行識別[4]；利用慣性導(dǎo)航理論計(jì)算IMU的方位角，與系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)電子羅盤相結(jié)合，對每個(gè)步長的行進(jìn)方向進(jìn)行估計(jì)；人員的動(dòng)作類型、步長和方向等位置推算的必要參數(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送到服務(wù)端。

服務(wù)端的兩個(gè)組成部分為位置推算和位置服務(wù)。服務(wù)端在獲取到諸如人員的動(dòng)作類型、步長和方向等必要參數(shù)后，查詢當(dāng)前位置的空間屬性，推算人員當(dāng)前的具體位置。

3 位置推算與定位融合

位置推算過程中累積誤差一直參與后續(xù)的位置更新過程，且呈現(xiàn)指數(shù)級增長。在前期的研究過程中發(fā)現(xiàn)，利用零速率修正（ZUPT）技術(shù)，在每個(gè)位置推算的起始點(diǎn)，將一些為零的中間參數(shù)強(qiáng)制設(shè)置為零，以切斷累計(jì)誤差在后續(xù)位置跟新過程中繼續(xù)迭代。

若采用ZUPT以后，推算的位置還是與高精度的地圖或三維模型的點(diǎn)位存在很大的差異，可利用其它的定位手段，如室外采用GNSS、室內(nèi)采用一定精度和成本的無線電定位方案，對推算的當(dāng)前位置進(jìn)行校正，達(dá)到與實(shí)際場景長期保持一致，實(shí)現(xiàn)定位融合。

針對室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜程度不斷提高這一趨勢，本文提出了在三維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)人員定位的想法，采用類VR場景來實(shí)時(shí)且動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)人員當(dāng)前的位置，直觀地展現(xiàn)基于慣性導(dǎo)航的室內(nèi)人員定位系統(tǒng)的效果，如圖2所示。同時(shí)可利用高精度的三維室內(nèi)場景對位置推算的定位方法進(jìn)行位置融合，進(jìn)一步提高室內(nèi)定位的精度。

4 結(jié)束語

人員定位技術(shù)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)和機(jī)遇的研究課題，人員定位系統(tǒng)的構(gòu)建更是涉及方方面面，如傳感器/網(wǎng)技術(shù)、模擬/數(shù)字信號處理、位置融合與濾波等高新技術(shù)的交叉應(yīng)用。本文針對基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的人員定位系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵問題展開了相關(guān)的研究。后續(xù)將對IMU本身的溫差偏移、測量噪聲等因素導(dǎo)致系統(tǒng)的定位誤差進(jìn)行研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]田增山，朝磊，邢培基等.行人導(dǎo)航系統(tǒng)中航跡推算參數(shù)估計(jì)方法的研究[J]，電子技術(shù)應(yīng)用，2009：84-87.

[2]張?zhí)旃猓跣闫迹觖愊?捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)[J].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[3]汪少初.基于PDR的定位與跟蹤技術(shù)研究及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].天津大學(xué)，2014.

[4]徐光祐，曹媛媛.動(dòng)作識別與行為理解綜述[J].中國圖象圖形學(xué)報(bào)，2009（02）：189-195.