基于MEMS的室内定位误差修正方法研究_朱彩杰

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｅｒｒｏｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｄｏｏｒ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｘｐｌｏｉｔｓ ａ ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ ｒａｔｉｏ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｔｏ ｅｘｅｃｕｔｅ ｚｅｒｏ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ａｎｄ ｔｈｅｎ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ‘ｚｅｒｏ ｖｅｌｏｃｉｔｙ’ｄｅｔｅｃｔｅｄ，Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｃｏｒｒｅｃｔ ｔｈｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｅｒｒｏｒｓ （ｚｅｒｏ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｕｐｄａｔｅ，ＺＵＰＴ），ｔｈｅｒｅｂｙ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｅｒｒｏｒｓ． Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｉｎｖａｌｉｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｓ ｗａｌｋｉｎｇ，ｉｔ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｔｈｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｎｏｉｓｅ ｉｎ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎｇｕｌａｒ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄａｔａ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ ｆｏｒ ａ ｌｏｎｇ ｔｉｍｅ．Ｔｏ ａｄｄｒｅｓｓ ｔｈｉｓ ｃｏｎｃｅｒｎ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｄｏｐｔｓ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ ｌｏｗ－ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｔｏ ｆｉｌｔｅｒ ｏｕｔ ｎｏｉｓｅ （ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐａｒｔ）ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｉｎｖａｌｉｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｄａｔａ ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｚｅｒｏ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｉｓ ｕｐｄａｔｅｄ （ＺＵＰＴ）ｂｙ Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ；ｉｎｄｏｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ；ＺＵＰＴ；ｉｎｖａｌｉｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ；ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ
根据行人 行 走 过 程 中，脚 着 地 时 刻 速 度 趋 于 零 的 特点，利用测 得 的 加 速 度 和 角 速 度 信 息 对 误 差 进 行 校 正，即零速修正，如图２所示。它是充分利用零速时刻 的信息，采用 Ｋａｌｍａｎ滤波对状态信息进行校正，可以 对惯性导航系统误差累积起到有效的限制约束。
目前，针对室内 惯 性 导 航 系 统 研 究 较 为 成 熟 的 有：瑞典 皇 家 工 学 院 信 号 处 理 实 验 室 的 Ｊｏｈｎ－Ｏｌｏｆ Ｎｉｌｓｓｏｎ于２０１２年提 出 开 源、实 时 的 鞋 绑 式 零 速 修
· ５８ ·
测 绘 工 程 第２６卷
第５期 朱彩杰，等：基于 ＭＥＭＳ的室内定位误差修正方法研究
· ５９ ·
式［８］，即
熿ｘｇ燄 熿０燄 ｙｇ ＝ Ｃｂｎ ０
（１）
燀ｚｇ燅 燀ｆｇ燅
式中，Ｃｂｎ 为地理坐标系相对 于 载 体 坐 标 系 的 方 向 余
弦矩阵。
利用最大似然 估 计 的 方 法，根 据 此 时 的 加 速 度 和 角 速 度 的 幅 值 是 否 在 给 定 阈 值 内 进 行 判 断 ［９］，即
基于 ＭＥＭＳ的室内定位误差修正方法研究
朱 彩 杰１，赵 冬 青１，杨 洲２
（１．信息工程大学，河南 郑州 ４５００００；２．郑州联睿电子有限公司，河南 郑州 ４５００００）
摘 要：根据室内惯性定位存在误差累积的特点，建立广义似然比检测的方法进行 零 速 度 检 测，利 用 Ｋａｌｍａｎ滤 波 对 检测到的“零速度”时刻进行零速修正（ｚｅｒｏ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｕｐｄａｔｅ，ＺＵＰＴ），从而有效降低系统累积误差。 但 行 人 行 走 过 程 中存在的无效振动，导致测得的加速度和角速度数据中出现明显的 噪 声，这 对 长 时 间 定 位 精 度 产 生 较 大 的 影 响 。 文 中提出在利用 Ｋａｌｍａｎ滤波进行误差校正之前首先采用 Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ低通滤波滤除加速度和角速度数 据 中 由 无 效 振 动 引 起 的 高 频 部 分 ，即 噪 声 部 分 ，从 而 消 除 行 人 运 动 过 程 中 的 无 效 振 动 对 定 位 精 度 的 影 响 。 关 键 词 ：ＭＥＭＳ；室 内 定 位 ；零 速 修 正 ；无 效 振 动 修 正 ；修 正 方 法 中 图 分 类 号 ：Ｐ２２８ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００６－７９４９（２０１７）０５－００５７－０５
针对这一问题，根 据 行 人 步 行 的 特 点 及 惯 性 器 件输出 的 数 据 信 息，本 文 采 用 ３ 阶 Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ 低 通滤波对导航数据 进 行 处 理，滤 除 由 无 效 振 动 引 起 的噪声，然后利用广 义 似 然 比 检 测 的 方 法 检 测 出 零
速度时刻，并将该时 刻 的 速 度 信 息 当 作 系 统 的 速 度 误差，通过 Ｋａｌｍａｎ滤波对获 取 的 信 息 进 行 修 正 ， ［５］ 进而实时地获取载 体 的 位 置、速 度 和 姿 态 等 状 态 信 息。实验证明该 方 案 能 够 取 得 较 单 独 使 用 Ｋａｌｍａｎ 滤波更优的定位精度。
将惯性器件安 装 在 行 人 脚 背 上，通 过 行 人 运 动 可获得加速度和角 速 度 信 息，根 据 输 出 的 加 速 度 和 角速度的 变 化 特 征，行 人 每 步 均 可 近 似 为 一 个 “加 速 － 减 速 ”的 变 化 过 程 ［６］，如 图 １ 所 示 。
图 １ 行 人 运 动 模 型
正的惯性导航系统，该 系 统 取 得 较 短 时 间 的 高 精 度 定位，但其 样 本 造 价 较 高，实 用 方 面 具 有 一 定 的 局 限性，且未对 长 期 的 定 位 精 度 进 行 研 究 。 ［２］ 西 北 工 业大学的张金亮根据人行走时加速度的统计特性， 设计一种比力 模 值 ＋ 滑 动 方 差 的 零 速 检 测 算 法 ， ［３］ 校正惯性导航系统 中 的 累 积 误 差，有 效 提 高 定 位 精 度；厦门大学的杨辉提出一种零速修正更新方 法 ， ［４］ 实现在较远距离的 情 况 下，系 统 仍 能 收 敛 并 提 供 较 高的定位精度。以上研究仍然不能通过零速修正 完全消除误差累积 对 定 位 精 度 的 影 响，而 且 缺 少 对 行人不同路径条件 下 定 位 精 度 的 研 究，未 考 虑 安 装 在足部的惯性导航 系 统 在 行 走 过 程 中，受 到 无 效 振 动对定位精度的影响。
Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｉｎｄｏｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｅｒｒｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＥＭＳ
ＺＨＵ Ｃａｉｊｉｅ１，ＺＨＡＯ Ｄｏｎｇｑｉｎｇ１，ＹＡＮＧ Ｚｈｏｕ２
（１．Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｌｏｃａｒｉｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００００，Ｃｈｉｎａ）
断为零速，而 超 出 阈 值 范 围 的 就 判 断 为 非 零 速，依
次判断出行人运动 过 程 中 的 零 速 时 刻，为 下 一 步 误 差补偿提供依据。
利用广义似然比检测的方法，检测出零速度时刻，
并将该时刻的速度信息，作为速度误差，利用 Ｋａｌｍａｎ 滤波计算出状态增量，进而对状态信息进行修正［１０］。
建 立 卡 尔 曼 滤 波 模 型 ，状 态 方 程 为
Ｘｋ ＝ Ｆ Ｘ ｋ／ｋ－１ ｋ－１ ＋ＢｋＵｋ ＋Γｋ－１Ｗｋ－１． （３） 式中：Ｘｋ 为系统ｋ 时刻的状态量；Ｆｋ／ｋ－１是 系 统ｋ 时 刻的状 态 转 移 矩 阵；ＢｋＵｋ 为 系 统 外 部 控 制 模 型； Γｋ－１为系统噪声增益矩阵，代表从ｋ－１ 时 刻 到ｋ 时 刻，系统噪声分别影响ｋ 时刻系统各个状态的程度； Ｗｋ－１是ｋ－１ 时 刻 的 系 统 噪 声 。
收 稿 日 期 ：２０１６－０３－１９ 基 金 项 目 ：中 国 航 天 科 技 集 团 公 司 卫 星 应 用 研 究 院 创 新 基 金 作 者 简 介 ：朱 彩 杰 （１９８８－ ），女 ，硕 士 研 究 生 ．
线、超 声 波、蓝 牙、ＷｉＦｉ、ＺｉｇＢｅｅ、ＲＦＩＤ、ＵＷＢ、视 觉 定位、ＬＥＤ 灯 光 定 位 及 惯 性 导 航 （Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｎａｖｉｇａ－ ｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ，ＩＮＳ）。 其 中 基 于 ＩＮＳ 的 室 内 定 位 随 着微机电 芯 片 （ＭＥＭＳ）技 术 工 艺 的 不 断 提 升 和 价 格优势成为近年来 常 用 的 室 内 定 位 技 术，由 于 惯 性 器件（加 速 度 计 和 陀 螺 仪 ）误 差 和 导 航 过 程 中 所 采 用的重力场模 型 误 差 的 存 在［１］，而 且 这 些 误 差 使 得 惯性导航系统的 定 位 误 差 随 时 间 累 积。 因 此，在 惯 性定位技术中，研究 误 差 来 源 及 消 除 误 差 影 响 成 为 一大热点。
根据行人运动模型的特点，将 ＭＥＭＳ设备安装 在行人的鞋上，与 鞋 体 运 动 实 时 同 步。 行 人 导 航 系 统的导航算法 在 传 统 捷 联 惯 性 导 航 算 法 基 础 上 ， ［７］ 采用脚着 地 零 速 时 刻 的 信 息 对 行 人 惯 性 导 航 过 程 中的状态信息进行校正。
∑（ ） １
Ｎ
１ σａ２
ａｋ －ｇａａｋｋ
２ ＋σ１２ｗ
ｗｋ
２
＜γ．（２）
式中：Ｎ 为采样数；σａ２，σ２ｗ 分别为加速度计和陀 螺 仪
的噪声协方差；ａｋ 为 三 轴 方 向 的 加 速 度；ｗｋ 为 三 轴
方向的角速度；γ 为 设 定 的 阈 值。 根 据 式 （２），设 置
合适的阈值，判断 出 零 速 度 时 刻。 满 足 条 件 的 就 判
１ 基于 ＭＥＭＳ的行人运动模型修正方法
足部惯导是众多惯性导航中的一种实施方式， 它将 ＭＥＭＳ固定于行 人 脚 踝、足 趾 等 部 位，依 据 惯 性传感器实时采集 的 行 人 运 动 参 数 如 加 速 度、角 速 度和航 向 等 信 息 来 解 算 行 人 的 运 动 状 态，行 走 距 离 、速 度 和 方 向 ，从 而 完 成 定 位 和 导 航 。 １．１ 零 速 修 正
ຫໍສະໝຸດ Baidu
随着数据业务 和 多 媒 体 业 务 数 据 的 增 长，人 们 对定位与导航的需 求 日 益 增 加，导 航 定 位 与 社 会 的 生产生活息息相关，室 外 的 导 航 定 位 可 以 借 助 于 全 球 卫 星 导 航 系 统 （ＧＰＳ）与 接 收 机 之 间 的 直 接 通 信 完 成，但是室 内 环 境 尤 其 在 复 杂 的 室 内 环 境 下，如 机 场大厅、展厅、超市、图 书 馆、地 下 停 车 场、矿 井 等 环 境中，由于建筑物墙壁的遮挡，ＧＰＳ 信号无法穿 透， 因此利用 ＧＰＳ 无 法 完 成 室 内 定 位。 当 前 出 现 许 多 室内定位 技 术 及 方 案，如 ＡＧＰＳ（辅 助 ＧＰＳ）、红 外
图 ２ 加 速 度 与 角 速 度 的 测 量 值
从图２中的加 速 度 和 角 速 度 测 量 值 可 以 看 出， 系中，设 测 量 的 重 力 加 速 度 为 ｆｇ，载 体 坐 标 系 中， 在零速度时 刻，三 轴 方 向 的 角 速 度 均 为 零，而 三 轴 Ｘ，Ｙ，Ｚ 轴上的分量为ｘｇ，ｙｇ，ｚｇ，建立重力加速度分 方向的加速度 不 全 为 零，矢 量 和 为 ｇ。 在 地 理 坐 标 别在 载 体 坐 标 系 和 地 理 坐 标 系 中 表 示 的 关 系
第 ２６ 卷 第 ５ 期 ２０１７ 年 ５ 月
测 绘 工 程 Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｐｐｉｎｇ
Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．５ Ｍａｙ，２０１７
引用著录：朱彩杰，赵冬青，杨洲．基于 ＭＥＭＳ的室内定位误差修正方法研究［Ｊ］．测绘工程，２０１７，２６（５）：５７－６１． ＤＯＩ：１０．１９３４９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ１００６－７９４９．２０１７．０５．０１２