一种基于GPS/IMU的室内外行人组合定位系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于GPS/IMU的室内外行人组合定位系统，包括电源、数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块和上位机。数据采集模块包括GPS和IMU传感器，所述数据处理模块包括主控芯片、数据存储芯片、串口。GPS、IMU传感器、数据存储芯片、串口和无线通信模块分别通过信号线与主控芯片连接，上位机通过无线通信模块与主控芯片进行通信。本发明专利技术将GPS定位与IMU传感器定位相结合，在室外时通过GPS进行定位，在室内时通过IMU传感器进行定位，从而解决GPS在室内信号衰减、定位不精确的问题，实现室内外精准定位。

【技术实现步骤摘要】
一种基于GPS/IMU的室内外行人组合定位系统
本专利技术属于定位领域，具体涉及一种基于GPS/IMU的室内外行人组合定位系统。
技术介绍
行人定位系统对于位置精度的要求越来越高，特别是在地质勘测、矿井勘探、消防救援等室内外兼顾的场合中，准确了解人员的位置信息对人员安全的保障尤为重要，GPS是常用的一种定位方式，能为用户提供连续、高精度的三维位置定位信息，但GPS采用卫星进行定位，在室内会因为信号衰弱而导致定位精度变差。因此，对于行人进行室内外组合定位的研究有着重大意义。WANGKAILONG，GUOHANG.Researchontheaccuracyofindoorandoutdoorpedestrianseamlessnavigationandpositioning[J].ComputerSimulation，2018，35(9):450-454，提出了一种室内外行人无缝导航的方法。结合北斗与GPS的双模定位，在室外遮挡相对恶劣的地方仍能达到足够的可视卫星数，使观测卫星的空间几何分布良好，减少多路径效应等因素的影响，提高定位精度。在不能接收卫星信号的环境，采用多条件约束的零速检测算法，基于EKF以及ZUPT和ZARU辅助的行人航位推算算法，在很大程度上抑制了位置随时间发散的影响。但是该方案仍然是采用卫星进行定位，在室内会因为信号衰弱而导致定位精度变差。JUSHENGHUI.MobileRobotIndoorLocationandMotionTargetTrackingBasedonMonocularVision[D].TianjinUniversityofTechnology，2016，提出了一种单目视觉的室内定位技术。通过分析世界坐标系、摄像机坐标系、图像坐标系以及计算机像素坐标系之间的坐标变换关系来对摄像机进行标定，并分离出内参数矩阵，进而计算出下一步进行定位所必需的视野角等信息，最终通过采集图像提取特征点，进行坐标转换得到位置，但是该方案计算量大，图像提取算法复杂，对计算机要求较高且功耗大。ZHANGYONGJU，GUXUBO，ZHANGJIAN，WANGBING，etal.3DMeasurementBasedonCombinationofStructuredLightandBinocularVision[J].JISUANJIYUXIANDAIHUA，2018，2:118-121，提出了一种基于GPS和WIFI的室内外组合定位系统，在室外环境中利用GPS卫星定位技术进行定位，在室内外交界处切换到GPS/Wi-Fi融合定位算法，进入室内后切换到Wi-Fi位置指纹定位算法。但是该方案在进行室内定位是对WIFI依赖性较大，没有WIFI就不能定位，而且必须处于联网状态。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出了一种基于GPS/IMU的室内外行人组合定位系统，在室外时通过GPS进行定位，在室内时通过IMU传感器进行定位，从而解决GPS在室内信号衰减、定位不精确的问题，实现室内外精准定位。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于GPS/IMU的室内外行人组合定位系统，包括电源、数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块和上位机。其中：所述电源为数据采集模块、数据处理模块和无线通信模块供电。所述数据采集模块包括GPS和IMU传感器，GPS和IMU传感器通过信号线与主控芯片连接。在室外是通过GPS进行定位，采集相应位置信息，在室内时通过IMU传感器进行定位，通过采集行人在行进过程中的加速度、角速度、磁力和压力等数据。所述数据处理模块包括主控芯片、数据存储芯片和串口。主控芯片通过信号线与GPS和IMU传感器连接，数据存储芯片和串口通过信号线与主控芯片连接。当行人位于室外时，主控芯片实时接受来自GPS的定位信息，通过无线通信模块发送给上位机；当行人处于室内时，主控芯片实时接受来自IMU传感器的加速度、角速度、磁力和压力等数据，并利用PDR算法对这些数据进行处理，对行进人员进行步长与方向的推算，从而达到对行人进行定位的目的。最终将得到的定位信息保存到数据存储芯片中并通过无线通信模块发送给上位机。所述无线通信模块包括无线通信芯片等，通过信号线线与主控芯片进行连接。主要负责将处理后的定位信息发送给上位机。附图说明图1是本专利技术实施例的一种基于GPS/IMU的室内外行人组合定位系统总体结构示意图。图2是本专利技术实施例的PDR算法原理示意图。图3是本专利技术实施例的定位系统执行流程图。图4是本专利技术实施例的实验环境图。图5是本专利技术实施例的实验数据处理图。具体实施方式结合图1，本专利技术提供了一种基于GPS/IMU的室内外行人组合定位系统，包括电源、数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块和上位机。其中：所述电源分别与数据采集模块、数据处理模块和无线通信模块连接，向数据采集模块、数据处理模块和无线通信模块供电。所述数据采集模块包括GPS和IMU传感器，GPS具体选用ATK-NEO-6M模块，IMU传感器选用MPU6050九轴传感器芯片，其分别通过信号线与主控芯片连接。在室外是通过GPS进行定位，采集相应位置信息，在室内时通过IMU传感器进行定位，通过采集行人在行进过程中的加速度、角速度、磁力和压力等数据。所述数据处理模块包括主控芯片、数据存储芯片和串口。主控芯片采用STM32F407VGT6，通过信号线与GPS和IMU传感器连接，数据存储芯片和串口通过信号线与主控芯片连接。当行人位于室外时，主控芯片实时接受来自GPS的定位信息，通过无线通信模块发送给上位机；当行人处于室内时，主控芯片实时接受来自IMU传感器的加速度、角速度、磁力和压力等数据，并利用PDR算法对这些数据进行处理，对行进人员进行步长与方向的推算，从而达到对行人进行定位的目的。最终将得到的定位信息保存到数据存储芯片中并通过无线通信模块发送给上位机。所述无线通信模块包括无线通信芯片等，具体型号选用24L01芯片，通过信号线线与主控芯片进行连接。主要负责将处理后的定位信息发送给上位机。结合图2，本专利技术中的PDR算法原理为：PDR算法是通过IMU传感器感知行人在行进过程中的加速度、角速度、磁力和压力等数据，并利用这些数据对行进人员进行步频、步长与方向的推算，从而达到对人员进行定位跟踪的目的。已知初始位置S0(N0,E0)，则根据推算公式，可以得出任意时刻的位置Sk(Nk,Ek)，其推算公式如下：其中，N0为初始位置横坐标，E0为初始位置纵坐标，Nk为任意时刻位置横坐标，Ek为任意时刻位置坐标，dn为步长，θn为方向。结合图3，本专利技术的执行流程为：(1)判断行人是否处于室外。(2)当行人位于室外是，则GPS开始工作，采集行人的具体位置信息，并发送给主控芯片。(3)当行人位于室内时，则IMU传感器开始工作，采集加速度、角速度、磁力和压力等数据，并发送给主控芯片。(4)当主控芯片接受到来自GPS的定位信息时，则将其保存到数据储存芯片，并通过无线通信模块发送给上位机。当主控芯片接受到来自IMU传感器的采集数据后通过PDR算法进行定位计算，确定行人位置，再将得到定位结果保存到数据储存芯片，并通过无线通信模块发送给上位机。结合图4，为了验证本专利技术的实际效果，采用如图4所示的环境，选取一条从室本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于GPS/IMU的室内外行人组合定位系统，其特征在于：包括电源、数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块和上位机；电源分别与数据采集模块、数据处理模块和无线通信模块连接，向数据采集模块、数据处理模块和无线通信模块供电；数据采集模块包括GPS和IMU传感器，GPS和IMU传感器通过信号线分别与数据处理模块连接，在室外通过GPS进行定位，采集相应位置信息，在室内时通过IMU传感器进行定位，通过采集行人在行进过程中的加速度、角速度、磁力和压力数据；数据处理模块包括主控芯片、数据存储芯片和串口；主控芯片通过信号线与GPS和IMU传感器连接，数据存储芯片和串口通过信号线分别与主控芯片；当行人位于室外时，主控芯片实时接受来自GPS的定位信息，通过无线通信模块发送给上位机；当行人处于室内时，主控芯片实时接受来自IMU传感器的加速度、角速度、磁力和压力数据，并利用PDR算法对上述数据进行处理，对行进人员进行步长与方向的推算，从而对行人进行定位；最终将得到的定位信息保存到数据存储芯片中并通过无线通信模块发送给上位机。

【技术特征摘要】
1.一种基于GPS/IMU的室内外行人组合定位系统，其特征在于：包括电源、数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块和上位机；电源分别与数据采集模块、数据处理模块和无线通信模块连接，向数据采集模块、数据处理模块和无线通信模块供电；数据采集模块包括GPS和IMU传感器，GPS和IMU传感器通过信号线分别与数据处理模块连接，在室外通过GPS进行定位，采集相应位置信息，在室内时通过IMU传感器进行定位，通过采集行人在行进过程中的加速度、角速度、磁力和压力数据；数据处理模块包括主控芯片、数据存储芯片和串口；主控芯片通过信号线与GPS和IMU传感器连接，数据存储芯片和串口通过信号线分别与主控芯片；当行人位于室外时，主控芯片实时接受来自GPS的定位信息，通过无线通信模块发送给上位机；当行人处于室内时，主控芯片实时接受来自IMU传感器的加速度、角速度、磁力和压力数据，并利用PDR算...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟伟，于纪言，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32