基于IMU传感器的行人定位算法分析

论文总字数：27985字

摘 要

随着现代人生活方式的改变，人们对行人室内定位的需求与日俱增。脚步安装惯性传感器的惯性导航技术已经存在多年，并且与其他行人惯性定位技术相比具有明显更好的性能，但由于硬件集成难度大，单纯使用惯性导航定位误差累积等问题，脚踏式惯性导航没有得到广泛使用。

本文研究基于惯性传感器的室内行人定位技术，将利用MEMS技术制作的惯性传感器安装于脚部用于采集行人运动数据。在传统航位推算的基础上，对行人单脚运动规律进行研究，发现单脚的运动近似为周期运动。在脚着地时刻，脚的速度趋近于零，脚运动的加速度也变化缓慢，加速度趋近于零，由此提出零速检测算法，通过加速度检测零速时刻，

将检测的零速作为观测值，使用卡尔曼滤波算法对航位推算结果修正，减小因为加速度计和陀螺仪的随机漂移所带来的累积误差，得到导航参数的最优估计，提高定位精度。

关键词：行人定位,航位推算,零速检测 ,卡尔曼滤波

Abstract

With the change of modern life style, people's demand for pedestrian indoor positioning is increasing day by day. Inertial navigation technology with foot-mounted inertial sensors has existed for many years, and has better performance than other pedestrian inertial positioning technology. However, due to the difficulty of hardware integration and the cumulative error of inertial navigation positioning, foot-mounted inertial navigation has not been widely used.

In this paper, the indoor pedestrian location technology based on inertial sensors is studied. The inertial sensors made by the MEMS technology are installed on the feet to collect pedestrian motion data. On the basis of traditional dead reckoning, the movement law of pedestrian's single foot is studied. It is found that the movement of single foot is approximately periodic. At the time of foot landing, the speed of foot tends to zero, the acceleration of foot movement also changes slowly, and the acceleration tends to zero. Therefore, a zero-speed detection algorithm is proposed to detect the zero-speed moment by acceleration.The zero velocity detected is taken as the observation value, and Kalman filter algorithm is used to correct the dead reckoning result, which can reduce the accumulated error caused by random drift of accelerometer and gyroscope, obtain the optimal estimation of navigation parameters and improve the positioning accuracy.

Key words: pedestrian positioning, dead reckoning, zero speed detection, Kalman filter

目 录

摘要.........................................................................................................................................................................Ⅰ

Abstract.......................................................................................................................................................Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1 无线传感器网络定位技术 1

1.2.2 惯性传感器定位技术 3

1.3研究内容 4

第二章 惯性导航系统 6

2.1惯性传感器 6

2.1.1加速度计 6

2.1.2 陀螺仪 6

2.2坐标系变换 7

2.3航位推算 9

2.4组合导航系统 13

第三章 基于零速纠正的行人惯导系统 14

3.1 零速检测 14

3.2 卡尔曼滤波算法 14

3.2 基于零速纠正的行人定位算法 16

3.4 实验检测 20

3.4.1硬件平台 20

3.4.2软件平台 21

3.4.3直线检测 21

3.4.4环形检测 23

3.4.5台阶检测 27

第四章 总结与展望 29

4.1 本文总结 29

4.2 未来展望 29

参考文献 30

致 谢 32

2. 绪论

1.1课题研究背景

人们生产活动中对方位和位置识别的需求诞生了导航技术，导航的目的是帮助人们有目的的进行空间转移。社会的进步和生产力的提高，近代以来科学技术的飞速发展，为导航技术的发展提供了强大的推动力。随着人类活动区域的不断扩展，导航已经不仅局限于陆地交通，航海等人类容易触及的领域，上到航空航天，下到海底遨游，都离不开导航技术。导航技术的不断发展和应用领域的的不断扩展，使得人们对导航也提出了越来越高的要求。

最为人们所熟知的导航系统是著名的全球定位系统（Global positioning System,GPS)的定位和导航服务。GPS 定位起初是在美国国防部提供资金支持下发展的，被应用在军事领域。上世纪 80 年代，逐步向外界开放并提供技术支持，目前发展趋于成熟，被人们广泛应用在商业等诸多领域。在室外环境中，人们通过GPS可以方便地实现导航、定位服务。但是，随着城市化和工业化的的发展，越来越多的人活动于室内环境中，如高楼林立的百货商场、工厂以及地下停车库等地方，一些安全领域如消防救援，地下煤矿等环境里，GPS就不能承担导航任务了。主要因为在室内环境里，人员的移动、墙壁障碍物阻挡、电子设备干扰等都会对卫星信号的传播造成一定程度上的影响^[1]。由于卫星信号的功率不大，因此外界影响会造成卫星信号的衰减，使定位精度大幅降低，甚至无法实现室内定位。相比于室外环境下成熟的卫星导航，室内定位具有很大的发展前景。在人身上安装传感器的室内定位技术已经存在多年，但由于硬件集成难度大，缺乏合适的软件平台等问题，使该技术的广泛发展受到阻碍。因此当前室内行人定位技术的研究方向为降低集成难度，减小传感器体积，开发合适的软件处理平台^[2]，研究室内环境下的行人定位技术具有非常好的前景。

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