基于移动终端的行人惯性导航定位研究
发布时间：2020-10-08 22:39
物联网技术的发展,使得为任何事物标注时间、地点的标签变得尤为重要,人们对室内定位的需求日益迫切。常见的室内定位技术有蓝牙,Wi-Fi定位技术,射频标签,基站定位,人行航迹推算技术等等。其中人行航迹推算技术有无需外界信号源,无需大量基础设施,传感器器件方便易得等优点被广泛应用,但是由于传感器本身存在零偏、随机噪声等误差,行人携带终端相对位置不确定的问题限制了技术的发展。本文针对上述传感器误差和携带终端相对位置变化的问题,着重研究行人正常行走时手持智能终端,阅读、接打电话、甩臂、跑步4种姿态下的人行航迹推算技术,通过时域下分析传感器数据进行误差标定,在频域下通过巴特沃斯滤波器滤除高频噪声,针对外界干扰引起的磁场畸变,对磁场数据进行卡尔曼滤波,减小磁场畸变对航向角的影响。最后完成在四种姿态下步长计算模型的修正,提出主轴与前进轴联合计步方法和行人航向的计算方法。本论文完成以下三个方面的工作。1.本文对智能终端自带传感器的原理及误差进行分析,静止状态存在常值误差、随机误差,运动时随着周围环境变化对磁场数据的干扰都会造成航向角不准确或者发生突变,本文通过对数据的预处理完成对常值误差标定修正,对磁场数据进行卡尔曼滤波处理,提出利用修正之后的三轴磁场数据与加速度数据进行姿态结算结果与误差标定修正之后的陀螺仪数据求解的姿态角度进行卡尔曼融合滤波,能够有效抑制航向角突变,使得在手机头部朝向不与行人航向一致时的航向角较快趋于正确值。2.本文利用SVM做分类器,运用加速度传感器数据和陀螺仪数据进行多特征的手持姿势识别,在四种手持手机姿态下进行特征分析,完成数据的特征提取,提出角速度的标准差,合加速度值,Y轴与Z轴的数据关系作特征向量的识别算法,正确识别率能达到93%。3.在四种姿态下对行人的步长,步伐数,航向角进行计算。提出了通过确定主轴与前进轴的方式分析加速度数据,可以避免在踏步,上下晃动手机,左右摇晃,静止做单摆运动等类似没有发生真正跨步的模式下的多计步问题,此方法的计步精度可到达98%,较合加速度求解计步值算法更为精确。修正峰谷值计算步长的方法,步长的平均误差在2厘米左右,利用融合滤波算法得到行人的航向。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212.9;TN713
【部分图文】：
推算是利用传感器得到的数据进行步长和航向角的判断与计算。ＰＤＲ无外界信号逡逑源，所以推测下一位置的前提是己知当前位置坐标，根据当前位置坐标，再利用．逡逑行人行驶方向和距离下就可以利用三角函数计算出行人的下一步位置。如图２－１逡逑所示，在己知起始点Ｐ０的情况下，根据人在二维平面内运动，每迈步一次为直逡逑线的运动特点，如果可以计算出ｔ到时刻运动方向角度ａ和一步的步长６＂逡逑就可以知道ＰＮ点的坐标。计算方法如式（２－１）。其中（＆．邋Ｉ）为第ｋ步位置坐标，逡逑（＆邋＋邋１．邋Ｍ邋＋邋ｌ）为第ｋ＋１步位置坐标，又为一步长度。＆为迈第ｋ步的方向角度。逡逑Ｎｊ逡逑ｐ0ｙ１邋＾逡逑？逡逑逦？逡逑图２－１人行航迹推算技术原理逡逑（Ｅｋ邋＋邋＼邋＝邋ＥＫ－＼－邋５＾＊ｓｉｎ（ａＡ：）逦（２１）逡逑［ＴＶｉｔ邋＋邋ｉ邋＝邋ＩＶｋ邋＋邋５＾－？ｃｏｓ（（２Ａｒ）逡逑２．３人行航迹推算技术逡逑通过行人航迹推算技术的原理可知，问题的关键是在于如何求解行人的步长逡逑和航向，在这个问题中有把ＰＤＲ算法分为捷联式行人航迹推算和非捷联式的航迹逡逑推算，捷联式ＰＤＲ算法多数情况下用在特定的场景下，完成较为紧迫特殊的任务，逡逑７逡逑
行人行走是否计步是根据人类直立行走，步伐交替，身体躯干有上下移动的逡逑周期性变化。根据传感器数据进行分析，其中加速度的数据最能体现行人行走的逡逑周期性变化。如图２－２所示，行人连续行走垂直向加速度和前进轴的加速度都是逡逑增大减小再增大的周期交替变化。逡逑ｋ邋Ａｄ邋ｒ％逡逑垂直加速度｜逡逑前向加速度大一｜逦ｈ逡逑图２－２行人正常行走图逡逑捷联式的计步装置为了能够最精确的检测加速度的变化，所以选择最能够反逡逑映加速度变化的位置绑定传感器装置例如绑定在鞋尖或者鞋跟处，如果考虑到在逡逑脚步的行走姿态会加大航向计算的难度，还有一些捷联式的装置绑定在人的帽子逡逑上或者腰部，同样利用加速度的周期性变化可以完成计步。逡逑１）
３．１加速度传感器的工作原理逡逑手机的加速度传感器能测量物体静止时所受的重力加速度，这与手机中加速逡逑度计的内部工作原理，如图３－１所示，加速度传感器的本质就是装在手机内部的逡逑一个弹簧－重物模型，它所测量的其实是手机内部重物的加速度％。当手机随人体逡逑运动时会因为受力的原因在三周上有不同的角速度的值。逡逑Ｖ逦了逦？Ｖ逦５逦ｖ逡逑５邋ｌ＇逡逑…逦Ｉｒ－逡逑＜ａ）水平枝芄逦（ｂ）坚丘枝Ｚ逡逑图３－１加速度计|庑湾义希常餐勇菀堑墓ぷ髟礤义贤勇菀堑墓ぷ髟硎墙嵌渴睾悖咚傩硕耐勇荩诿挥型饬Φ淖饔缅义闲岬闹赶蚴遣换岣谋洹Ｈ嵬勇菀强赏辈舛ǎ陡龇较虻囊贫旒Ｎ恢煤图渝义纤俣取Ｍ勇菀谴嬖诮洗蟮某Ｖ滴蟛詈退婊蟛睿奔浣隙淌抢猛勇菀堑慕撬俣儒义匣智蟮眯嵌冉衔既罚俏蟛罨崴孀攀奔溲映だ刍蟛畈荒茏远义系贾潞较蚪羌扑憬峁徽罚栽冢粒睿洌颍铮椋湎低持胁挥猛勇菀堑氖萁薪铣ゅ义鲜奔涞姆较蚴侗穑皇抢闷涠淌奔淠诘牧槊簦缍裕常姆段谑只亩髯鲥义霞觳猓猛勇菀羌锹际只亩抖鳎恼帐笨梢允沟猛枷裎榷ǎ乐故值亩跺义隙跋炫恼盏男Ч龋郏玻担荨ｅ义希保靛义
本文编号：2832856
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212.9;TN713
【部分图文】：
推算是利用传感器得到的数据进行步长和航向角的判断与计算。ＰＤＲ无外界信号逡逑源，所以推测下一位置的前提是己知当前位置坐标，根据当前位置坐标，再利用．逡逑行人行驶方向和距离下就可以利用三角函数计算出行人的下一步位置。如图２－１逡逑所示，在己知起始点Ｐ０的情况下，根据人在二维平面内运动，每迈步一次为直逡逑线的运动特点，如果可以计算出ｔ到时刻运动方向角度ａ和一步的步长６＂逡逑就可以知道ＰＮ点的坐标。计算方法如式（２－１）。其中（＆．邋Ｉ）为第ｋ步位置坐标，逡逑（＆邋＋邋１．邋Ｍ邋＋邋ｌ）为第ｋ＋１步位置坐标，又为一步长度。＆为迈第ｋ步的方向角度。逡逑Ｎｊ逡逑ｐ0ｙ１邋＾逡逑？逡逑逦？逡逑图２－１人行航迹推算技术原理逡逑（Ｅｋ邋＋邋＼邋＝邋ＥＫ－＼－邋５＾＊ｓｉｎ（ａＡ：）逦（２１）逡逑［ＴＶｉｔ邋＋邋ｉ邋＝邋ＩＶｋ邋＋邋５＾－？ｃｏｓ（（２Ａｒ）逡逑２．３人行航迹推算技术逡逑通过行人航迹推算技术的原理可知，问题的关键是在于如何求解行人的步长逡逑和航向，在这个问题中有把ＰＤＲ算法分为捷联式行人航迹推算和非捷联式的航迹逡逑推算，捷联式ＰＤＲ算法多数情况下用在特定的场景下，完成较为紧迫特殊的任务，逡逑７逡逑
行人行走是否计步是根据人类直立行走，步伐交替，身体躯干有上下移动的逡逑周期性变化。根据传感器数据进行分析，其中加速度的数据最能体现行人行走的逡逑周期性变化。如图２－２所示，行人连续行走垂直向加速度和前进轴的加速度都是逡逑增大减小再增大的周期交替变化。逡逑ｋ邋Ａｄ邋ｒ％逡逑垂直加速度｜逡逑前向加速度大一｜逦ｈ逡逑图２－２行人正常行走图逡逑捷联式的计步装置为了能够最精确的检测加速度的变化，所以选择最能够反逡逑映加速度变化的位置绑定传感器装置例如绑定在鞋尖或者鞋跟处，如果考虑到在逡逑脚步的行走姿态会加大航向计算的难度，还有一些捷联式的装置绑定在人的帽子逡逑上或者腰部，同样利用加速度的周期性变化可以完成计步。逡逑１）
３．１加速度传感器的工作原理逡逑手机的加速度传感器能测量物体静止时所受的重力加速度，这与手机中加速逡逑度计的内部工作原理，如图３－１所示，加速度传感器的本质就是装在手机内部的逡逑一个弹簧－重物模型，它所测量的其实是手机内部重物的加速度％。当手机随人体逡逑运动时会因为受力的原因在三周上有不同的角速度的值。逡逑Ｖ逦了逦？Ｖ逦５逦ｖ逡逑５邋ｌ＇逡逑…逦Ｉｒ－逡逑＜ａ）水平枝芄逦（ｂ）坚丘枝Ｚ逡逑图３－１加速度计|庑湾义希常餐勇菀堑墓ぷ髟礤义贤勇菀堑墓ぷ髟硎墙嵌渴睾悖咚傩硕耐勇荩诿挥型饬Φ淖饔缅义闲岬闹赶蚴遣换岣谋洹Ｈ嵬勇菀强赏辈舛ǎ陡龇较虻囊贫旒Ｎ恢煤图渝义纤俣取Ｍ勇菀谴嬖诮洗蟮某Ｖ滴蟛詈退婊蟛睿奔浣隙淌抢猛勇菀堑慕撬俣儒义匣智蟮眯嵌冉衔既罚俏蟛罨崴孀攀奔溲映だ刍蟛畈荒茏远义系贾潞较蚪羌扑憬峁徽罚栽冢粒睿洌颍铮椋湎低持胁挥猛勇菀堑氖萁薪铣ゅ义鲜奔涞姆较蚴侗穑皇抢闷涠淌奔淠诘牧槊簦缍裕常姆段谑只亩髯鲥义霞觳猓猛勇菀羌锹际只亩抖鳎恼帐笨梢允沟猛枷裎榷ǎ乐故值亩跺义隙跋炫恼盏男Ч龋郏玻担荨ｅ义希保靛义
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