基于步态建模的室内惯性导航定位系统算法研究

摘要

在传统的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)中，由于卫星信号的传输容易受到建筑物的遮挡，所以其对于室内环境的定位结果会发生严重的偏差。捷联式惯性导航系统不依赖于外部信号源，工作环境不受约束，并且成本较低，能够很好的解决这一问题，但是由于惯性元器件本身在使用过程中会产生一定的误差，并且这一误差会在导航定位过程中不断累积，从而严重影响导航定位结果。本文拟设计一种基于步态模型的室内惯性导航定位系统，其主要针对将惯性传感设备佩戴在人体上半身的情况，试图解决上述缺陷。
　　针对将传感器佩戴在人体上半身时，ZUPT算法无法对水平方向速度进行修正的情况，本文尝试构建不对称倒立摆步态模型与融合零速修正的卡尔曼滤波算法相结合的系统框架。其主要通过步态模型对行走过程中的步长信息进行估计，结合陀螺仪数据计算得到的方向信息，实现基于行人的室内定位导航。
　　为了分析该系统方案的整体性能，本文对系统进行了理论误差分析以及理论数据实验仿真，结果表明，融合零速修正的卡尔曼滤波算法能够较好的修正由加速度计和陀螺仪测量误差引起的系统距离估计误差，而对步态模型误差引起的步长估计误差以及陀螺仪测量误差引起的系统方向漂移误差，其修正能力有限。
　　为了进一步提高系统的定位精度，本文拟提出一种通过水平惯性数据修正步长估计误差的方案，其通过模拟人体行走过程中质心的运动轨迹，利用竖直方向速度与水平方向速度的联系来修正水平运动速度，同时，由水平方向速度计算得到水平方向位移信息，以此修正步态模型估计步长误差。另外，本文通过引入启发式方向漂移消除算法对系统方向误差进行修正，改善整个基于步态模型的室内惯性导航定位系统的精度。通过多组实验结果表明，本文设计的基于步态模型的室内惯性导航定位系统能够满足将惯性传感设备佩戴于人体上半身情况下的高精度室内定位。
　　本文设计的基于步态模型的室内惯性导航定位系统，为基于将传感设备佩戴于人体上半身情况下的导航定位研究提供了一种简单而有效的解决方案，如果能进一步对该方案进行改进研究，其对日后智能家居、安全保障、救灾应急以及室内定位导航等领域都会有较大的应用前景和应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 基于惯导的室内定位技术研究现状

1．2．1 基于传统惯性数据积分的室内定位技术

1．2．2 基于步长-方向的行人航向推算的室内定位技术

1．3 本文的主要内容和文章框架

1．3．1 本文的主要内容

1．3．2 本文组织架构

第二章 基于惯性导航的室内定位系统方案

2．1 概述

2．2 惯性计算模块介绍

2．2．1 载体-导航坐标系的转换关系

2．2．2 姿态更新算法简介

2．2．3 四元数法

2．2．4 捷联式惯性计算

2．3 零速检测算法

2．4 简单步态模型介绍

2．5 卡尔曼滤波系统模型介绍

2．6 本章小结

第三章 基于步态模型的室内定位系统理论性能分析

3．1 概述

3．2 基于步态模型的室内定位系统介绍

3．3 基于步态模型的室内定位系统误差分析

3．3．1 单轴加速度信号测量误差引起的系统误差分析

3．3．2 单轴陀螺仪信号测量误差引起的系统误差分析

3．3．3 步态模型引起的系统误差分析

3．4 融合零速修正的卡尔曼滤波性能分析

3．4．1 融合零速修正的卡尔曼滤波误差消除

3．4．2 融合零速修正的卡尔曼滤波仿真分析

3．5 本章小结

第四章 步态模型结合水平惯性数据的室内定位算法

4．1 概述

4．2 步态模型结合惯导数据的室内定位系统框架介绍

4．3 步态模型与惯性导航数据相结合的步长估计算法

4．3．1 步态模型的选取

4．3．2 融合水平惯性数据的步态模型步长估计算法

4．4 启发式漂移消除算法

4．4．1 算法原理介绍

4．4．2 实验仿真分析

4．5 步态模型结合惯导数据的室内定位系统仿真分析

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目