基于惯导的高精度低成本室内行人定位算法研究
发布时间：2021-11-20 17:39
室内行人定位技术已被广泛用于商业、交通和安防领域,与其他技术（例如基于Wi-Fi或UWB）相比,基于惯性测量单元的惯性导航系统,不需要外部基础设施且成本较低。但是,其存在的主要问题是,误差的迅速累积会严重影响定位精度。现有的基于惯导的室内定位技术已经逐渐降低了累积误差的影响,但在定位精度和成本上仍然面临若干问题。本论文提出一种基于惯导的高精度低成本室内行人定位算法,仅使用加速度计和陀螺仪传感器,在现有算法的基础上,利用行人步态速度和步数信息等,实现高精度低成本的室内行人定位。论文首先介绍了惯性导航系统的基础知识,包括惯性传感器原理与噪声分析、惯性导航原理及其应用等,重点讲述了如何在惯导系统中降低惯性传感器误差对精度的影响,为论文提出的高精度低成本室内行人定位算法提供了理论基础。随后,论文从惯性导航系统常用的卡尔曼滤波算法入手,介绍了室内行人定位技术的发展,分析了现有技术的优缺点,包括在定位精度和系统成本方面的问题,从而引出本论文提出的高精度低成本室内行人定位算法。接下来,论文详细阐述了提出的基于步态速度检测和自适应参量更新的室内行人定位算法。通过检测行人的步态速度并自适应更新卡尔曼滤波...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１传感器坐标系与北－西－天坐标系示意图??加速度是速度的时间变化率，对于室内行人定位，测量加速度的目的是确定行??
，以绕轴右手走则旋转为ＪＥ方向，走义域为??［－１８０?，１８０。］。??航向角（ｙａｗ，表示为中）；又叫偏航角，．戀载体绕．竖轴转动时，纵轴；％在水??平面的投影与导航坐标系北轴ｘｎ间的夹角称为航向角，以ｘｎ为始，夹角逆时针方向??为ＩＥ，定义域为［－１８０、１８０。］。??下面将用经典的欧拉角法，展示姿态角和姿态矩阵的相互转换。住意两个三维??宣角坐标系之间的角度关系可以完全由三个角度来描述，这三个旋转角称为欧拉??．角Ｐ假设从坐标系；经过三次旋转得到＿坐标系；＾ｎｙｎｚｎ，如图２－２所示：???１绕七旋转沴?１绕＆旋转＃????ｘｂｙｈｚｈ??？?＇ｙｐｉ??？??？?ｘｎｙ？ｚｎ??１０?０?ｃｏｓ?沒?０?ｓｉｎ?沒?ｃｏｓｙ／?－ｓｉｎｙ／?０??Ｃ＼?＝?０?ｃｏｓ＾?－ｓｉｎ＾?Ｃ＼?＝?０?１０?Ｃ２ｎ?＝?ｓｉｎｙ／?ｃｏｓｙ／?０??０?ｓｉｎ＾?ｃｏｓ＾?－ｓｉｎ?沒?０?ｃｏｓ?沒?０?０?１??图２－２坐标系变换与姿态角寂意图??其中，表示方向余弦矩阵，则根据方＇向余弦矩阵之间的传递性，旋转矩阵??可以■表示为公式（２－７）所示》针对行人定位导航系统，三个旋转角对应的是姿态??角，旋转矩阵对应的是姿态矩阵。??＿?厂＊１?ｐ２?ｐｎ??ｃｏｓｘｐｃｏｓｄ?ｃｏｓｘ／ｊｓｉｎ６ｓｉｎ０?—?ｓｉｎｘｊｊｃｏｓ０?ｓｉｎｘｊｊｓｉｎ０?＋?ｃｏｓｘ／ｊｓｉｎ〇ｃｏｓ０ｉ?（２－７）??＝ｓｉｎｉｐｃｏｓＯ?ｃｏｓｘｐｃｏｓ０?＋?ｓｉｍｐｓｉｎ０ｓｉｎ０?ｓｉｎｘｐｓｉｎｄｃｏｓＯ?—?ｃｏｓｘ／ｊｓｉｎ０??．—ｓｉｎ６?ｃｏｓ〇ｓｉｎ０?ｃｏｓ〇ｃｏｓ０
景更加广泛，适用于行人定位导航场景。然而，传感器不仅不会进行??轴对齐，而且还会在行走周期中相对乎参考坐标轴连续旋转。囡此，必须使用陀螺??仪提供的角速度来跟踪传感器的旋转，也就是通过上文提到的坐标转换来完成＆再??在参考坐标系中减去重力的影响并进行两次积分完成位置的跟踪。??２．２．１惯性导航基本原理??惯性导航顾名思义，利用惯性传感器．号完成与位ｆｉ和姿态相关的定位导航??任务。结合公式（２－１）?（２－２）?（２－３）?（２－４）?（２－５）将惯性导航的基本原理图展示为??如图２－４所示。加速度计和陀螺仪信号经过ＩＮＳ后输出为对应载体的速度和位置，??其中间过程，坐标系、坐标转换、姿态角与姿态矩阵的相关知识在２．１．１节已经详??细介绍，这里不再赘述。??加遽鹰计．营?？旋转??？减：鸯重：力一加速．度￣？?ｊｊ?—位置一？??陀螺伩信号一角速度一？姿态解算Ｊ＂——姿态一？??图２－４惯性导航基本原题Ｍ??论文中使用的是捷联式惯性导航系统平台，如图２－５所示，利用了惯性导航原??理，加入了?ＩＭＵ误差补偿部分，包括传感器校准、滑动均值滤波（在２．１．２节已经??详细介绍）、算法层面补偿（将在第三章和第四章详细展开）。Ｓ然，仅仅依＿０＾１１??误差补偿，系统不能达到较高的定位精度，基于捷联惯导系统，结合多种误差补偿??算法也是论文主要功课的地方。捷联惯导系统的优势在于：??（１）初始化载体的位置和速度后，无需外部参考即可确定载体位置，姿态或速度，??不会受到干扰和欺骗，系统有较强的稳健性和可靠性。??（２）通过领〖遣＃对于参考坐标系的线性加速度和角速度，可以检测载体所处的??地理位置的变化（例如，向东或
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅谈室内定位技术现状[J]. 张胜军,林若琳. 测绘与空间地理信息. 2018(07)
本文编号：3507818
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１传感器坐标系与北－西－天坐标系示意图??加速度是速度的时间变化率，对于室内行人定位，测量加速度的目的是确定行??
，以绕轴右手走则旋转为ＪＥ方向，走义域为??［－１８０?，１８０。］。??航向角（ｙａｗ，表示为中）；又叫偏航角，．戀载体绕．竖轴转动时，纵轴；％在水??平面的投影与导航坐标系北轴ｘｎ间的夹角称为航向角，以ｘｎ为始，夹角逆时针方向??为ＩＥ，定义域为［－１８０、１８０。］。??下面将用经典的欧拉角法，展示姿态角和姿态矩阵的相互转换。住意两个三维??宣角坐标系之间的角度关系可以完全由三个角度来描述，这三个旋转角称为欧拉??．角Ｐ假设从坐标系；经过三次旋转得到＿坐标系；＾ｎｙｎｚｎ，如图２－２所示：???１绕七旋转沴?１绕＆旋转＃????ｘｂｙｈｚｈ??？?＇ｙｐｉ??？??？?ｘｎｙ？ｚｎ??１０?０?ｃｏｓ?沒?０?ｓｉｎ?沒?ｃｏｓｙ／?－ｓｉｎｙ／?０??Ｃ＼?＝?０?ｃｏｓ＾?－ｓｉｎ＾?Ｃ＼?＝?０?１０?Ｃ２ｎ?＝?ｓｉｎｙ／?ｃｏｓｙ／?０??０?ｓｉｎ＾?ｃｏｓ＾?－ｓｉｎ?沒?０?ｃｏｓ?沒?０?０?１??图２－２坐标系变换与姿态角寂意图??其中，表示方向余弦矩阵，则根据方＇向余弦矩阵之间的传递性，旋转矩阵??可以■表示为公式（２－７）所示》针对行人定位导航系统，三个旋转角对应的是姿态??角，旋转矩阵对应的是姿态矩阵。??＿?厂＊１?ｐ２?ｐｎ??ｃｏｓｘｐｃｏｓｄ?ｃｏｓｘ／ｊｓｉｎ６ｓｉｎ０?—?ｓｉｎｘｊｊｃｏｓ０?ｓｉｎｘｊｊｓｉｎ０?＋?ｃｏｓｘ／ｊｓｉｎ〇ｃｏｓ０ｉ?（２－７）??＝ｓｉｎｉｐｃｏｓＯ?ｃｏｓｘｐｃｏｓ０?＋?ｓｉｍｐｓｉｎ０ｓｉｎ０?ｓｉｎｘｐｓｉｎｄｃｏｓＯ?—?ｃｏｓｘ／ｊｓｉｎ０??．—ｓｉｎ６?ｃｏｓ〇ｓｉｎ０?ｃｏｓ〇ｃｏｓ０
景更加广泛，适用于行人定位导航场景。然而，传感器不仅不会进行??轴对齐，而且还会在行走周期中相对乎参考坐标轴连续旋转。囡此，必须使用陀螺??仪提供的角速度来跟踪传感器的旋转，也就是通过上文提到的坐标转换来完成＆再??在参考坐标系中减去重力的影响并进行两次积分完成位置的跟踪。??２．２．１惯性导航基本原理??惯性导航顾名思义，利用惯性传感器．号完成与位ｆｉ和姿态相关的定位导航??任务。结合公式（２－１）?（２－２）?（２－３）?（２－４）?（２－５）将惯性导航的基本原理图展示为??如图２－４所示。加速度计和陀螺仪信号经过ＩＮＳ后输出为对应载体的速度和位置，??其中间过程，坐标系、坐标转换、姿态角与姿态矩阵的相关知识在２．１．１节已经详??细介绍，这里不再赘述。??加遽鹰计．营?？旋转??？减：鸯重：力一加速．度￣？?ｊｊ?—位置一？??陀螺伩信号一角速度一？姿态解算Ｊ＂——姿态一？??图２－４惯性导航基本原题Ｍ??论文中使用的是捷联式惯性导航系统平台，如图２－５所示，利用了惯性导航原??理，加入了?ＩＭＵ误差补偿部分，包括传感器校准、滑动均值滤波（在２．１．２节已经??详细介绍）、算法层面补偿（将在第三章和第四章详细展开）。Ｓ然，仅仅依＿０＾１１??误差补偿，系统不能达到较高的定位精度，基于捷联惯导系统，结合多种误差补偿??算法也是论文主要功课的地方。捷联惯导系统的优势在于：??（１）初始化载体的位置和速度后，无需外部参考即可确定载体位置，姿态或速度，??不会受到干扰和欺骗，系统有较强的稳健性和可靠性。??（２）通过领〖遣＃对于参考坐标系的线性加速度和角速度，可以检测载体所处的??地理位置的变化（例如，向东或
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅谈室内定位技术现状[J]. 张胜军,林若琳. 测绘与空间地理信息. 2018(07)
本文编号：3507818
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