基于慣性導航的室內定位技術

牛長流 王迪 孟杉 張天 北方工業大學

基于慣性導航的室內定位技術

牛長流 王迪 孟杉 張天 北方工業大學

物聯網領域室內移動物體的定位與跟蹤位置的服務逐漸在生活的各個方面得到應用，衛星定位系統由于信號遮擋等問題導致精度低甚至無法定位，所以本文提出一種基于陀螺儀和加速度計通過自身姿態信息推算的慣性導航定位技術與界面控制程序相結合的室內運動物體的定位。

室內定位 慣性導航 陀螺儀 加速度計

1 引言

隨著移動互聯網技術快速發展以及在中國的普及，通信技術的快速發展，基于位置的服務在生活中越來越重要?；谖恢玫姆罩饕ㄊ彝舛ㄎ缓褪覂榷ㄎ?，在開闊的室外環境下，基站和GPS信號很容易到達，借助于基站和GPS定位即可達到精確的定位和導航效果。在室內環境中，由于GPS和基站信號無法穿透建筑物，借助于基站和GPS信號定位的精度很不理想，所以一種在室內環境下精確的定位方法顯得尤為重要。

隨著移動互聯網的快速發展，以及智能設備的普及，導航和定位經常出現在我們的視野中。隨著移動智能終端的普及以及智能終端在硬件和軟件方面的提高，室內定位技術在一定程度上將和移動設備相結合，利用移動智能終端的便攜性、高普及度以及硬件配置等優勢，在移動設備上實現室內定位功能，將使室內定位服務在人們的生活中更加普及和方便，使人們隨時隨地都能享受到室內定位帶來的方便和快捷的服務。

2 慣性導航室內定位系統原理和設計

本文利用陀螺儀、加速度計、小車等搭建室內定位系統，分為定位子系統和顯示子系統兩個子系統。定位子系統利用陀螺儀和加速度計進行姿態信息等自身信息的采集，通過航跡推測算法、坐標系轉換等進行定位計算，得到位置等信息之后傳輸給顯示子系統。顯示子系統是PC機上基于JAVA的界面程序，其通過RS232串口獲取移動物體的位置信息，將收到的位置信息顯示在界面上，同時支持輸入移動節點的目標位置信息，從而實現對移動物體的遠程控制。

圖1 室內定位系統框圖

定位子系統中主要是安裝在小車上的陀螺儀和加速度計，通過小車自身信息進行推算從而達到定位的效果，計劃是給小車一個初始位置一個終點位置，通過算法使小車走一個比較完圓滑的線，但是隨著時間的增加慣性導航系統的定位精度逐漸下降，而且小車的電機控制不是那么完美其中加速度的控制也是關鍵，同時系統的時間也是影響精度的關鍵，以及傳感器讀取數據的噪聲影響等也是關鍵，所以需要一種濾波算法來提高數據的穩定性從而使效果更佳理想。

卡爾曼濾波（Kalman filtering）一種利用線性系統狀態方程，通過系統輸入輸出觀測數據，對系統狀態進行最優估計的算法。由于數據中包含噪聲等的影響，所以數據處理最優選擇可以看做濾波過程。

坐標系轉換算法，導航坐標系是在導航時根據導航系統工作的需要而選取的用于導航結算的參考坐標系，本文中用到的坐標軸選擇北東天方向，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 本系統各個部分工作原理和框架設計

3.1 系統框架設計

基于慣性導航子系統配合射頻技術，使移動小車在本系統中實現實時定位和導航，首先由用戶在PC機上，對界面程序進行操作，確定移動小車的原始位置和目標位置信息，并利用RS232串口將移動小車的原始位置和目標位置信息傳輸給網關節點，網關節點一旦接收到移動小車的原始位置和目標位置信息，同時給移動小車發送射頻信號，整個系統也隨之開啟。然后，當移動小車確定收到目標位置信息時，立刻給移動小車中的加速度計、陀螺儀傳感器發送信號尋求導航定位，移動小車接收到目標位置信息并行駛至目標位置，關節點利用ZigBee射頻信號，把移動物體的當前位置信息和目標位置信息打包發給PC機。

圖2 本系統工作原理和框架圖

3.2 顯示子系統

界面程序是基于JAVA編程，來實現對系統中移動小車的實時導航定位和控制，如圖2所示，界面上始終顯示小車原始位置和目標位置，當移動小車在系統中移動時，界面上會實時更新小車的位置信息，界面程序會通過串口將小車的當前位置信息和目標位置信息，打包發送給網關節點，實現定位子系統和顯示子系統的數據傳輸。

圖3 可視化界面跟蹤控制系統示意圖

3.3 移動小車的控制

智能小車上搭載了STC89C52RC芯片，RS232模塊，射頻收發模塊，MPU6050（加速度計、陀螺儀）模塊。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。

圖4 電機驅動原理圖

如圖4所示，通過控制IN1～IN4和OUT1～OUT4管腳，即通過H橋路原理來控制直流電機的正反轉，從而控制小車的前進，后退，左轉，右轉。

小車上搭載的射頻模塊，小車的當前坐標和目標坐標通過RS232串口發送給小車，小車計算處理出最優路徑并且行駛到目標位置。

3.4 航跡推測算法

本系統采用的是基于陀螺儀和加速度計等模塊通過算法實現室內定位與導航，航跡推測算法需要知道當前目標的位置，通過小車自己的運動就可以知道上一時刻和下一時刻的位置，如果給出當前位置和目標位置就可以實現自動到導航供能，其實現的主要原理如圖5所示。

圖5 小車理論航跡推算原理圖

起始坐標A為(x1,y1)，當小車從起始坐標A走到B，這個過程中，小車移動的位移為s1，前進的方向為θ1，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，根據勾股定理可以通過公式

計算出B點的坐標(x2，y2)，同理，當小車從B點走到C點時，可以根據公式

計算出C點的坐標(x3，y3)。在相反的方向，在已知C點的坐標(x3,y3)和s2以及θ2的情況下，逆向推算出上一時刻B點的坐標(x2,y2)。總結后得到公式：

根據公式得出在航位推測的過程中，航跡推測只要看小車在運動過程中的位移和方向，從而得知位移S和前進方向θ是影響航位推測的精度重要原因。給出初始位置和目標位置實現小車自動導航的過程中，傳感器靈敏度以及系統的噪聲以及時延等問題是影響導航精度的原因。

4 結論及展望

室內定位導航系統是一個全新的領域，本文中利用加速度計和陀螺儀等器件做了一個基礎的研究工作，后續工作還有很多可以完成和擴展，包括擴大定位系統的范圍，各種定位方式的融合，實現大范圍多方式擇優選擇的定位系統，進一步的提高系統的定位速度及準確度，如何與室外定位技術實現對接完成室內外的定位系統，其中界面的設計也要多樣化，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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