基于慣性導(dǎo)航的室內(nèi)定位技術(shù)

牛長(zhǎng)流 王迪 孟杉 張?zhí)?北方工業(yè)大學(xué)

基于慣性導(dǎo)航的室內(nèi)定位技術(shù)

牛長(zhǎng)流 王迪 孟杉 張?zhí)?北方工業(yè)大學(xué)

物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域室內(nèi)移動(dòng)物體的定位與跟蹤位置的服務(wù)逐漸在生活的各個(gè)方面得到應(yīng)用，衛(wèi)星定位系統(tǒng)由于信號(hào)遮擋等問(wèn)題導(dǎo)致精度低甚至無(wú)法定位，所以本文提出一種基于陀螺儀和加速度計(jì)通過(guò)自身姿態(tài)信息推算的慣性導(dǎo)航定位技術(shù)與界面控制程序相結(jié)合的室內(nèi)運(yùn)動(dòng)物體的定位。

室內(nèi)定位 慣性導(dǎo)航 陀螺儀 加速度計(jì)

1 引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展以及在中國(guó)的普及，通信技術(shù)的快速發(fā)展，基于位置的服務(wù)在生活中越來(lái)越重要。基于位置的服務(wù)主要包括室外定位和室內(nèi)定位，在開(kāi)闊的室外環(huán)境下，基站和GPS信號(hào)很容易到達(dá)，借助于基站和GPS定位即可達(dá)到精確的定位和導(dǎo)航效果。在室內(nèi)環(huán)境中，由于GPS和基站信號(hào)無(wú)法穿透建筑物，借助于基站和GPS信號(hào)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，以及智能設(shè)備的普及，導(dǎo)航和定位經(jīng)常出現(xiàn)在我們的視野中。隨著移動(dòng)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(shù)在一定程度上將和移動(dòng)設(shè)備相結(jié)合，利用移動(dòng)智能終端的便攜性、高普及度以及硬件配置等優(yōu)勢(shì)，在移動(dòng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位功能，將使室內(nèi)定位服務(wù)在人們的生活中更加普及和方便，使人們隨時(shí)隨地都能享受到室內(nèi)定位帶來(lái)的方便和快捷的服務(wù)。

2 慣性導(dǎo)航室內(nèi)定位系統(tǒng)原理和設(shè)計(jì)

本文利用陀螺儀、加速度計(jì)、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(gè)子系統(tǒng)。定位子系統(tǒng)利用陀螺儀和加速度計(jì)進(jìn)行姿態(tài)信息等自身信息的采集，通過(guò)航跡推測(cè)算法、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等進(jìn)行定位計(jì)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(jī)上基于JAVA的界面程序，其通過(guò)RS232串口獲取移動(dòng)物體的位置信息，將收到的位置信息顯示在界面上，同時(shí)支持輸入移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)位置信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)物體的遠(yuǎn)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(jì)，通過(guò)小車自身信息進(jìn)行推算從而達(dá)到定位的效果，計(jì)劃是給小車一個(gè)初始位置一個(gè)終點(diǎn)位置，通過(guò)算法使小車走一個(gè)比較完圓滑的線，但是隨著時(shí)間的增加慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度逐漸下降，而且小車的電機(jī)控制不是那么完美其中加速度的控制也是關(guān)鍵，同時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間也是影響精度的關(guān)鍵，以及傳感器讀取數(shù)據(jù)的噪聲影響等也是關(guān)鍵，所以需要一種濾波算法來(lái)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(guò)系統(tǒng)輸入輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)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(guò)程。

坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換算法，導(dǎo)航坐標(biāo)系是在導(dǎo)航時(shí)根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)工作的需要而選取的用于導(dǎo)航結(jié)算的參考坐標(biāo)系，本文中用到的坐標(biāo)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(gè)部分工作原理和框架設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

基于慣性導(dǎo)航子系統(tǒng)配合射頻技術(shù)，使移動(dòng)小車在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位和導(dǎo)航，首先由用戶在PC機(jī)上，對(duì)界面程序進(jìn)行操作，確定移動(dòng)小車的原始位置和目標(biāo)位置信息，并利用RS232串口將移動(dòng)小車的原始位置和目標(biāo)位置信息傳輸給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一旦接收到移動(dòng)小車的原始位置和目標(biāo)位置信息，同時(shí)給移動(dòng)小車發(fā)送射頻信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)也隨之開(kāi)啟。然后，當(dāng)移動(dòng)小車確定收到目標(biāo)位置信息時(shí)，立刻給移動(dòng)小車中的加速度計(jì)、陀螺儀傳感器發(fā)送信號(hào)尋求導(dǎo)航定位，移動(dòng)小車接收到目標(biāo)位置信息并行駛至目標(biāo)位置，關(guān)節(jié)點(diǎn)利用ZigBee射頻信號(hào)，把移動(dòng)物體的當(dāng)前位置信息和目標(biāo)位置信息打包發(fā)給PC機(jī)。

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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中移動(dòng)小車的實(shí)時(shí)導(dǎo)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(biāo)位置，當(dāng)移動(dòng)小車在系統(tǒng)中移動(dòng)時(shí)，界面上會(huì)實(shí)時(shí)更新小車的位置信息，界面程序會(huì)通過(guò)串口將小車的當(dāng)前位置信息和目標(biāo)位置信息，打包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，實(shí)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(dòng)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(jì)、陀螺儀）模塊。PID控制，實(shí)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(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

如圖4所示，通過(guò)控制IN1～I(xiàn)N4和OUT1～OUT4管腳，即通過(guò)H橋路原理來(lái)控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而控制小車的前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)。

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

3.4 航跡推測(cè)算法

本系統(tǒng)采用的是基于陀螺儀和加速度計(jì)等模塊通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位與導(dǎo)航，航跡推測(cè)算法需要知道當(dāng)前目標(biāo)的位置，通過(guò)小車自己的運(yùn)動(dòng)就可以知道上一時(shí)刻和下一時(shí)刻的位置，如果給出當(dāng)前位置和目標(biāo)位置就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)到導(dǎo)航供能，其實(shí)現(xiàn)的主要原理如圖5所示。

圖5 小車?yán)碚摵桔E推算原理圖

起始坐標(biāo)A為(x1,y1)，當(dāng)小車從起始坐標(biāo)A走到B，這個(gè)過(guò)程中，小車移動(dòng)的位移為s1，前進(jìn)的方向?yàn)棣?，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(guò)公式

計(jì)算出B點(diǎn)的坐標(biāo)(x2，y2)，同理，當(dāng)小車從B點(diǎn)走到C點(diǎn)時(shí)，可以根據(jù)公式

計(jì)算出C點(diǎn)的坐標(biāo)(x3，y3)。在相反的方向，在已知C點(diǎn)的坐標(biāo)(x3,y3)和s2以及θ2的情況下，逆向推算出上一時(shí)刻B點(diǎn)的坐標(biāo)(x2,y2)。總結(jié)后得到公式：

根據(jù)公式得出在航位推測(cè)的過(guò)程中，航跡推測(cè)只要看小車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移和方向，從而得知位移S和前進(jìn)方向θ是影響航位推測(cè)的精度重要原因。給出初始位置和目標(biāo)位置實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)導(dǎo)航的過(guò)程中，傳感器靈敏度以及系統(tǒng)的噪聲以及時(shí)延等問(wèn)題是影響導(dǎo)航精度的原因。

4 結(jié)論及展望

室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)全新的領(lǐng)域，本文中利用加速度計(jì)和陀螺儀等器件做了一個(gè)基礎(chǔ)的研究工作，后續(xù)工作還有很多可以完成和擴(kuò)展，包括擴(kuò)大定位系統(tǒng)的范圍，各種定位方式的融合，實(shí)現(xiàn)大范圍多方式擇優(yōu)選擇的定位系統(tǒng)，進(jìn)一步的提高系統(tǒng)的定位速度及準(zhǔn)確度，如何與室外定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)接完成室內(nèi)外的定位系統(tǒng)，其中界面的設(shè)計(jì)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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