張潔　付素芳

摘 要：以捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)為依托，對(duì)室內(nèi)定位系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)HMC5983三軸電子指南針模塊、MPU6050陀螺加速度計(jì)模塊以及藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)定位功能，配合STM32單片機(jī)，能夠?qū)d體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)加速度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合加速度積分計(jì)算，明確載體空間位置，具備良好的定位精度。

關(guān)鍵詞：捷聯(lián)慣性導(dǎo)航；室內(nèi)定位系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.103

1 引言

捷聯(lián)慣性導(dǎo)航屬于導(dǎo)航技術(shù)的一種，于載體上直接固定慣性測(cè)量期間，將輸出通過(guò)數(shù)學(xué)平臺(tái)進(jìn)行導(dǎo)航結(jié)算。系統(tǒng)體積和質(zhì)量較小，慣性儀表直接與載體連接的形式也略去了機(jī)電式導(dǎo)航平臺(tái)，不僅安裝方便，而且儀器的維護(hù)和更換簡(jiǎn)單，慣性儀表可以測(cè)量軸向線加速度及角速度，這些信息都是控制系統(tǒng)所必須的，余度配置的方式也保證了系統(tǒng)的可靠性?；诮萋?lián)慣性導(dǎo)航的室內(nèi)定位系統(tǒng)，不僅可以結(jié)合位置修正點(diǎn)發(fā)送的RSSI對(duì)載體位置進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，也可以對(duì)現(xiàn)有位置信息進(jìn)行修正，對(duì)累積誤差進(jìn)行補(bǔ)償，在超市、商場(chǎng)、博物館等室內(nèi)環(huán)境下有著良好的應(yīng)用效果。

2 基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

室內(nèi)定位系統(tǒng)分為手持部分和藍(lán)牙位置修正點(diǎn)，手持部分以STM32單片機(jī)為核心，包含了液晶顯示模塊、HMC5983三軸電子指南針模塊、MPU6050陀螺加速度計(jì)模塊以及藍(lán)牙模塊，單片機(jī)與其他模塊的通信可以通過(guò)IIC和USART協(xié)議實(shí)現(xiàn)；藍(lán)牙位置修正點(diǎn)主要是以單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)牙模塊的控制，結(jié)合USART協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以自動(dòng)向手持部分發(fā)送自身編號(hào)及坐標(biāo)信息[1]。

2.2 定位算法設(shè)計(jì)

在室內(nèi)定位系統(tǒng)中，定位算法是核心，也是保證定位準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。定位算法的設(shè)計(jì)包括幾個(gè)方面的內(nèi)容：

2.2.1 姿態(tài)角計(jì)算

姿態(tài)角可以通過(guò)四元數(shù)計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣獲取，在算法中包含載體坐標(biāo)系（b系）和導(dǎo)航坐標(biāo)系（n系），可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)快速轉(zhuǎn)換，具體來(lái)講，需要先運(yùn)用畢卡逼近法二階近似迭代算法對(duì)四元數(shù)值吉進(jìn)行更新和歸一化處理，然后計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣，坐標(biāo)變換如圖1所示。

2.2.2 修正計(jì)算

考慮到相對(duì)角速度誤差的存在，伴隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，姿態(tài)角（Ⅰ）中的累積誤差會(huì)越來(lái)越大，需要結(jié)合加速度計(jì)模塊和指南針模塊采集到的數(shù)據(jù)，對(duì)姿態(tài)角（Ⅱ）進(jìn)行推算，通過(guò)加權(quán)平均融合，對(duì)累積誤差進(jìn)行補(bǔ)償。現(xiàn)階段，對(duì)于融合計(jì)算環(huán)節(jié)權(quán)重系數(shù)的取值尚沒(méi)有有效方法，一般需要憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，依照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際反應(yīng)確定。在實(shí)際應(yīng)用中，為了盡量消除干擾，保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，應(yīng)該針對(duì)讀數(shù)進(jìn)行卡爾曼濾波后，再進(jìn)行計(jì)算。將兩個(gè)姿態(tài)角進(jìn)行加權(quán)平均融合[2]，可以得到最優(yōu)姿態(tài)角：

2.2.3 載體位置計(jì)算

載體本身處于移動(dòng)中，在對(duì)其位置信息進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要首先設(shè)定初始位置，即，之后利用加速度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行比力換算，就能夠得導(dǎo)航坐標(biāo)系中的載體加速度，有：

積分一次，能夠得到導(dǎo)航坐標(biāo)系中的載體速度。

對(duì)速度積分一次，就能夠得到導(dǎo)航坐標(biāo)系中的載體位置。

2.2.4 藍(lán)牙位置修正節(jié)點(diǎn)

修正節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)接受信號(hào)強(qiáng)度指示實(shí)現(xiàn)定位，而在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用簡(jiǎn)化漸變模型，通過(guò)多次取平均值的方式，消除RSSIP誤差，保證定位精度。

2.2.5 載體位置信息修正

捷聯(lián)慣性導(dǎo)航本身存在累積誤差，可以在關(guān)鍵區(qū)域安裝藍(lán)牙位置修正節(jié)點(diǎn)，對(duì)誤差進(jìn)行修正，通過(guò)修正節(jié)點(diǎn)計(jì)算得到的載體位置信息LB（k），與計(jì)算得到的載體位置信息LC（K）進(jìn)行加權(quán)平均融合，就可以得到載體的準(zhǔn)確位置信息。

2.3 設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證

在125Hz采樣頻率下，以加速度計(jì)模塊和電子指南針模塊中的AD芯片對(duì)直線行走和正方形行走時(shí)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，通過(guò)定位算法，單片機(jī)能夠?qū)d體當(dāng)前狀態(tài)下的位置信息進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合藍(lán)牙位置修正節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行加權(quán)平均融合修正，將計(jì)算得到的位置信息按照1Hz的頻率，經(jīng)藍(lán)牙模塊發(fā)送給上位機(jī)，在上位機(jī)中利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，將位置信息轉(zhuǎn)化為載體運(yùn)動(dòng)軌跡。

對(duì)比修正前后的運(yùn)動(dòng)軌跡：修正前，隨著時(shí)間的逐漸延長(zhǎng)，載體的運(yùn)動(dòng)軌跡開(kāi)始偏離實(shí)際運(yùn)動(dòng)路線；修正后，位置信息的累積誤差得到補(bǔ)償，定位的準(zhǔn)確性也大大提高[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文提出了一種基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說(shuō)明，并就室內(nèi)定位的基本流程進(jìn)行了闡述，結(jié)合定位算法設(shè)計(jì)，提出了姿態(tài)角計(jì)算和誤差修正算法，運(yùn)用藍(lán)牙修正節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)累積誤差的補(bǔ)償，并結(jié)合直線軌跡與正方形軌跡實(shí)驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)方案的可行性與可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，本文提出的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案能夠滿足室內(nèi)定位的基本要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐荔.基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都理工大學(xué)，2016.

[2]溫熙.Kinect和慣性系統(tǒng)組合的室內(nèi)定位技術(shù)研究[D].南昌大學(xué)，2016.

[3]劉見(jiàn)輝，王東，劉鳳英等.高精度UWB/SINS組合室內(nèi)定位系統(tǒng)研究[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2016，4（02）：53-56.

*為通訊作者

作者簡(jiǎn)介：張潔（1981-），本科，助理講師，研究方向：機(jī)電工程。endprint