基于建筑物结构特征的人员自主定位技术研究

摘要

人员自主定位系统作为卫星导航失效条件下的一种重要“补盲”手段，在城区、山区、密林等环境中的消防救援、反恐处突、治安维稳等应急任务中具有十分重要的应用。人员自主定位的自主性体现在其不需要外部的其它设备，仅仅依靠自身测量人员鞋尖的六自由度的加速度与角速度，通过惯性解算实现对人员的定位。经典的零速漂移抑制算法（ZUPT-aided EKF，Zero velocity UPdaTe-aided Extended Kalman Filter）可很好地抑制器件漂移带来的定位误差，解算惯性运动数据后生成人员初步的行走轨迹，即轨迹生成阶段。由于此轨迹的误差仍然较大，为了进一步提高定位精度，需要利用建筑物的结构信息辅助定位，即轨迹修正阶段。
　　在轨迹修正阶段，最主要的辅助定位信息为建筑物的结构信息。本文主要研究了建筑物结构特征的提取与分析方法，以及基于建筑物结构特征的轨迹修正方法。在建筑物特征提取与分析中，主要从主方向、控制点、楼层特征、地图和人员行走习惯这五个方面论述不同的建筑物结构特征的提取方法及其对定位的影响，并将这些特征用特殊的形式表示，使其能够更加方便地辅助定位，修正行走轨迹。然后针对不同的建筑物的结构信息，提出相应的轨迹修正方法。特别提出了粒子滤波框架下的轨迹修正方法，从而有效利用建筑物主方向信息、地图信息、人员行走习惯的信息，还针对控制点信息和楼层高度特征提出了其它的相应修正方法。通过实验验证了这些轨迹修正方法的有效性。
　　本文创新点在于：1）首次将人员行走习惯信息与主方向信息融合辅助定位，根据这些信息自适应地调整粒子滤波框架中粒子的权值，经实验证明，此方法在总行走距离为908米的户外复杂大场景轨迹下定位误差低于总行走距离的0.5％，有效校正了航向的漂移，相对于轨迹修正前大大提高了定位精度。与传统的利用主方向进行轨迹修正的启发式的航向漂移校正（HDE, Heuristic Drift Elimination）方法相比，算法稳健性高，可以应付多种复杂轨迹下的准确定位；2）提出了改进的地图辅助定位算法，新算法根据实际情况加入粒子“穿墙”数目的检测，可以应付地图出现局部错误的情况，提高了算法的稳定性。并且在传统方法粒子二值加权的基础上引入了方向加权，提高了定位精度，在典型的办公楼中随意行走定位误差保持在1m以下；3）提出了基于楼层特征的高度修正方法，假设人员在建筑物内行走中高度变化仅由上下楼梯引起，通过隐马尔科夫平滑过程将轨迹的高度变化分为平地阶段和楼梯阶段。在平地阶段高度不变，抑制较小的高度漂移，在楼梯阶段通过统计的方法估计楼层的高度。此方法充分利用了楼层特征使得高度向的定位精度更高，可准确进行楼层判断；4）首次提出了基于控制点的轨迹修正方法，根据人员行走在短时间内行走轨迹漂移小的特性，可以认为轨迹滑窗内形状准确。根据这些轨迹可提取出能反映建筑物结构特性的点，如走廊的直角拐点等，即控制点。根据这些点的位置不变性，对轨迹进行修正。经过实验表明，此方法在位置多重访的条件下，对航向漂移的抑制效果明显，定位精度相对于轨迹修正前大大提高。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及其意义

1.2 研究与发展现状

1.3 本文的研究内容与主要任务

第二章人员自主定位系统设计概述

2 .1 引言

2.2 硬件概述

2.3 软件概述

2.4 本章小结

第三章 建筑物结构特征的提取及分析

3.1 引言

3.2 建筑物主方向提取与分析

3.3 基于行走轨迹的控制点提取及分析

3.4 建筑物楼层特征的提取及分析

3.5 建筑物地图的分析与应用

3. 6 人员行走习惯的统计分析

3.7 本章小结

第四章 基于建筑物结构特征的轨迹修正方法

4.1 引言

4.2 轨迹修正的粒子滤波算法

4.3 基于控制点的轨迹修正方法

4.4 基于建筑物楼层特征的高度漂移抑制算法

4.5 本章小结

第五章 结束语

5.1 本文工作总结

5.2 未来研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果