一种基于双IMU的双模式室内个人导航系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于双IMU的双模式室内个人导航系统及方法，包括：参考系统和行人导航系统；所述参考系统包括：码盘和固定于码盘的IMU；所述行人导航系统包括：足部IMU、肩部电子罗盘和控制器；足部IMU与肩部电子罗盘连接，参考系统、足部IMU和肩部电子罗盘分别与控制器连接；本发明专利技术有益效果：通过双模式导航算法，能够在整个行走环节中实现对IMU解算的误差漂移进行限制，从而提高IMU的解算精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于复杂环境下组合定位
，尤其设及一种基于双IMU的双模式室 内个人导航系统及方法。
技术介绍
近年来，行人导航任edestrian化vigation,PN)作为导航技术应用的新兴领域， 正越来越受到各国学者的重视，并逐渐成为该领域的研究热点。然而在隧道、大型仓库、地 下停车场等室内环境下，外界无线电信号微弱、电磁干扰强烈等因素都会对目标行人导航 信息获取的准确性、实时性及鲁棒性有很大影响。如何将室内环境下获取的有限信息进行 有效的融合W消除室内复杂环境影响，保证行人导航精度的持续稳定，具有重要的科学理 论意义和实际应用价值。 在现有的定位方式中，全球卫星导航系统（Global化vigationSatellite System,GNS巧是最为常用的一种方式。虽然GNSS能够通过精度持续稳定的位置信息，但是 其易受电磁干扰、遮挡等外界环境影响的缺点限制了其应用范围，特别是在室内、地下巷道 等一些密闭的、环境复杂的场景，GNSS信号被严重遮挡，无法进行有效的工作。近年来，WSN W其低成本、低功耗和低系统复杂度的特点在短距离局部定位领域表现出很大的潜力。学 者们提出将基于WSN的目标跟踪应用于GNSS失效环境下的行人导航。运种方式虽然能够 实现室内定位，但是由于室内环境复杂多变，WSN信号十分容易受到干扰而导致定位精度下 降甚至失锁；与此同时，目前的导航定位精度为米级，不能保证对室内行人高精度的导航需 求；除此之外，由于WSN采用的通信技术通常为短距离无线通信技术，因此若想完成大范围 的室内目标跟踪定位，需要大量的网络节点共同完成，运必将引入网络组织结构优化设计、 多节点多簇网络协同通信等一系列问题。因此现阶段基于WSN的目标跟踪在室内导航领域 仍旧面临很多挑战。为了克服上述两种导航方法需要参考节点并容易产生失锁的缺点，学 者们提出将航姿参考系统（IMU)应用于小区域目标跟踪领域。IMU具有全自主、运动信息全 面、短时、高精度的优点，虽然可W实现自主导航，但误差随时间积累，长航时运行条件下将 导致导航精度严重下降。
技术实现思路
本专利技术的目的就是解决上述问题，提供一种基于双IMU的双模式室内个人导航系 统及方法，该系统及方法将行人运行分为静止和运动两个状态，分别采用两个卡尔曼滤波 器对行人运行轨迹误差进行解算，通过双模式导航算法，能够在整个行走环节中实现对IMU 解算的误差漂移进行限制，从而提高IMU的解算精度。 为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案，包括： 一种基于双IMU的双模式室内个人导航系统，包括：参考系统和行人导航系统； 所述参考系统包括：码盘和固定于码盘的IMU;[000引所述行人导航系统包括：足部IMU、肩部电子罗盘和控制器；足部IMU与肩部电子 罗盘连接，参考系统、足部IMU和肩部电子罗盘分别与控制器连接； 肩部电子罗盘将其测量得到的行人航向信息直接输入到足部IMU，足部IMU通过 自身携带的加速度计和巧螺仪W及肩部电子罗盘提供的行人航向信息对行人的轨迹进行 解算；通过足部IMU所采集到的数据判断行人所处运动状态，根据运动状态的不同分别进 行解算误差的预估； 利用固定在肩部的IMU测量得到的航向信息对足部IMU解算的导航信息进行误差 预估。 一种基于双IMU的双模式室内个人导航方法，包括W下步骤： (1)将两个IMU分别安装于行人的足部和肩上； (2)足部IMU和肩上的IMU通过其自身携带的磁力计和加速度计测量得到的数据 解算得到两个IMU各自的姿态转移矩阵，在此基础上，利用计算得到的姿态转移矩阵与加 速度计得到的信息，得到导航坐标系下的加速度信息，通过对加速度信息的积分，得到速度 信息，进一步，通过对速度的积分，得到位置信息； (3)将人的行走分为静止和运动两个状态；通过足部IMU自身携带的3个加速度 和3个巧螺仪传感器所采集到的数据进行计算，判断行人处于哪个状态； (4)如果行人处于静止状态，通过第一卡尔曼滤波器对当前时刻足部IMU的解算 误差进行预估，将足部IMU解算的导航信息与第一卡尔曼滤波器计算的当前时刻最优误差 预估做差，最终得到当前时刻最优的导航信息预估；导航信息包括行人的位置、速度和姿态 的信息，其中，姿态信息包括：横摇、纵摇和航向角信息。 (5)如果行人处于运动状态，通过第二卡尔曼滤波器对当前时刻足部IMU的解算 误差进行预估，将足部IMU解算的航向角信息与第二卡尔曼滤波器输出的最优航向角误差 预估做差，得到当前时刻最优的航向角预估，在此基础上，重新计算姿态转移矩阵，利用重 新计算的姿态转移矩阵和加速度信息，最终得到当前时刻最优的导航信息预估。 所述步骤（4)中判断行人处于哪个状态的具体方法为： 通过足部IMU自身携带的3个加速度传感器采集到的数据，得到当前时刻行人的 加速度模值，通过加速度模值的大小判断鞋子的运动状态： 其中，加速度模值：\\Aee\\ = +〇^+￡il,曰^、曰^、a,分别为在载体坐标系下的x、 y和z=个方向的加速度值。 行人处于静止状态时，行人速度和角速度均为零，足部IMU解算出的导航信息即 为此时速度和角速度的误差预估；[002引将固定在足部的IMU解算的航向角信息与固定在肩部的IMU测量得到的航向角信 息做差，差值作为航向角的误差预估。 行人处于静止状态时，将足部IMU解算的行人速度误差、角速度误差和航向角误 差作为第一卡尔曼滤波器的观测量，第一卡尔曼滤波器的状态方程具体为： CN105115507A 说明书 3/6 页其中为IMU测量得到的导航坐标系下的 东向、北向和天向S个方向的加速度误差；S'嫁为IMU测量得到的导航坐标系下的东向、北 向和天向S个方向的速度误差；5Pk"为AHRS测量得到的导航坐标系下的东向、北向和天向 S个方向的位置误差；(K为IMU测量得到的导航坐标系下的横摇、纵摇和航向角误差；vt 为载体坐标系下的东向、北向和天向=个方向的加速度误差；诚为载体坐标系下的x，y和Z S个方向的角速度误差；为状态噪声，G为载体坐标系到导航坐标系的姿态转移矩阵， T为采样周期；I为单位矩阵。 行人处于静止状态时，第一卡尔曼滤波器的观测方程具体为：解算的导航坐标系下的东向、北向和天向立个 方向的速度，由于鞋子处于静止状态，因此当前时刻的理论值为零，故足部IMU测量得到的 速度均为足部IMU的解算误差；SYaw= 为固定在足部的IMU测量得 到的航向角与固定在肩部的IMU测量的到的航向角之差；ru为滤波器的观测噪声；为IMU测量得到的导航坐标系下的东向、北向和天向S个方向的速度误差；(K为I当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双IMU的双模式室内个人导航系统，其特征是，包括：参考系统和行人导航系统；所述参考系统包括：码盘和固定于码盘的IMU；所述行人导航系统包括：足部IMU、肩部电子罗盘和控制器；足部IMU与肩部电子罗盘连接，参考系统、足部IMU和肩部电子罗盘分别与控制器连接；肩部电子罗盘将其测量得到的行人航向信息直接输入到足部IMU，足部IMU通过自身携带的加速度计和陀螺仪以及肩部电子罗盘提供的行人航向信息对行人的轨迹进行解算；通过足部IMU所采集到的数据判断行人所处运动状态，根据运动状态的不同分别进行解算误差的预估；利用固定在肩部的IMU测量得到的航向信息对足部IMU解算的导航信息进行误差预估。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐元，张勇，程金，赵钦君，张勤，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东;37