基于MEMS惯性器件的室内行人定位方法研究

作     者：赵玉乐 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：史凌峰

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 081105[工学-导航、制导与控制] 0804[工学-仪器科学与技术] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：IMMU PDR 零速度更新 姿态解算 步态检测 

摘      要：使用可穿戴的惯性/磁力测量单元(Inertial/Magnetic Measurement Unit,IMMU)进行行人航位推算(Pedestrian Dead Reckoning,PDR)一直是安全应用、医疗监护和基于位置服务等商业应用的研究热点。目前卫星导航系统已经广泛地应用在军事和民用的多个领域,然而当有建筑物或其他物体遮挡时,卫星导航系统的定位精度较差或无法定位。基于可穿戴IMMU的PDR方法不受建筑物遮挡的影响,因此在室内定位中得到了广泛的研究。同时,由于基于惯性导航技术的定位方法在短期内的定位精度高,惯性导航和其他导航技术的组合定位方法也成为了目前研究的热点。微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)惯性器件有体积小、成本低以及功耗低的优点,因此采用MEMS惯性器件进行室内行人定位是极具实用价值的研究方向。基于MEMS惯性传感器定位方法的主要误差是传感器误差和姿态解算的误差,由于MEMS加速度计有严重的漂移误差,通过加速度积分得到的速度会产生严重的漂移。本文的研究内容主要包括以下几个方面:1.步态检测在速度和姿态角的校准中起着重要的作用,本文提出了一种新的步态检测算法,提出的步态检测算法的适用能力强,不仅能够在行人正常走动时提供步态的准确估计,而且在行人跑动时也能提供步态的准确估计。2.许多文献中采用步态检测方法和零速度更新(Zero Velocity Update,ZVU)方法修正速度的漂移,本文基于对加速度计的研究对加速度计的漂移提出了合理的假设,在步态的摆动态结束时计算加速度计的漂移,从而校准了速度在摆动态期间产生的漂移。3.目前卡尔曼滤波和互补滤波(Complementary Filter,CF)算法被广泛地应用于姿态解算中,然而卡尔曼滤波的计算量较大,对不同行人、不同运动状态的建模比较复杂。CF算法虽然计算量较小,并且在低动态情况下能够获得较高的精度,但是在高动态情况下姿态解算的性能较差,不能满足行人在跑动情形下精确定位的要求。考虑到陀螺仪有着良好的动态性能,本文通过对其漂移进行研究提出了一种新的姿态解算方法,该方法有计算量小以及对不同运动状态适用能力强的优点。实验结果表明,本文提出的行人定位算法在室内环境下能够实现小于2%的距离误差和端到端位置误差,具有良好的实用性。