基于智能手机PDR的航向修正算法研究

摘要

GNSS定位技术已逐渐发展成熟，在室外可以为用户提供良好的位置服务，然而在室内或高楼林立的市区，GNSS技术因其信号无法穿透建筑物而很难发挥定位功能。智能手机普及率急速上升，性能也逐渐增强，使得基于智能手机的室内定位研究成为室内定位技术研究领域的热点，出现了基于智能手机的蓝牙、WiFi、蜂窝移动等定位技术，从定位技术所需工作量、外部设施、运算需求、成本等角度出发，基于手机内置传感器的PDR定位技术优势突出，但航向精度是阻碍PDR定位算法精度提升的难点之一，航向精度的提升是PDR算法中亟待解决的问题。在此背景下，本文研究了基于智能手机内置传感器的PDR算法，并探究了提高航向精度的方法，主要内容如下：
　　1.分析对比了PDR航向解算过程中两种更新解算四元数的方法，理想条件下四阶龙格库塔法比二阶龙格库塔法精度要高。实验结果表明，在以手机内置传感器为研究对象时，采用二阶龙格库塔法和四阶龙格库塔法的定位算法相比，采用二阶龙格库塔法解算的定位精度更高。
　　2.研究了Mahony滤波算法，利用加速计数据对陀螺仪数据进行误差补偿，在一定程度上减少了陀螺仪的随机漂移误差。实验结果表明，Mahony滤波算法可以显著提高横滚角和俯仰角的精度，但对航向修正效果不明显，故对定位算法的定位精度也没有起到提升作用，甚至会导致最终定位精度降低。
　　3.研究了HDE算法，为该算法应用到基于手机内置传感器的PDR中并增强其稳定性，增设了算法启用的判断条件，改进了步长衰减模型，将HDE算法的直接修正对像改为航向角。实验结果表明，HDE算法可以大幅度的提升航向精度，并在一定程度上提高了定位精度：在400m左右的室内环境下，定位精度可以保持在5m以内，定位精度提升了65%以上。

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摘 要

ABSTRACT

Contents

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1研究背景

1.1.2研究意义

1.2研究现状

1.2.1 室内定位技术

1.2.2 提升PDR航向精度的研究

1.3主要研究内容

1.4论文结构

2 基于惯性传感器的定位原理

2.1 惯性器件的发展简史

2.2 基于惯性传感器定位技术的基本原理

2.2.1传统的惯性导航系统（INS）

2.3 惯性导航中常用的坐标系及坐标转换

2.3.1 常用坐标系

2.3.2坐标转换

2.4姿态更新方法选择

2.5 误差来源

3 基于手机内置传感器PDR的设计与实验

3.1引言

3.2 实验平台的选取

3.3手机内置传感器介绍

3.4 SHS-PDR算法实现及验证实验

3.4.1算法实现

3.4.2设计实验

3.4.3实验结果及分析

4 Mahony滤波算法与HDE算法的实现

4.1 基于Mahony滤波的航向估计

4.1.1 Mahony滤波算法原理

4.1.2 算法的实现

4.2 基于HDE算法的航向修正

4.2.1 HDE算法的提出

4.2.2算法的改进

4.2.3实验及精度分析

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

攻读硕士学位期间发表论文情况

参考文献

附录 1 实验效果图

1.1 二阶龙格库塔法与四阶龙格库塔法对比实验

1.2 Mahony算法实验

1.3 HDE算法实验

附录 2 程序代码

2.1龙格库塔法算法代码

2.1.1 二阶龙格库塔法

2.1.2 四阶龙格库塔法

2.2 Mahony滤波算法代码