基于智能手机的室内行人定位与导航技术研究

摘要

信息技术高速发展时代的到来，使得室内定位与导航技术在越来越多的应用中起着尤其重要的作用。虽然全球卫星定位系统（Global Positioning System, GPS）在室外环境下定位的性能相当出色，但是不适用于室内环境。室内定位在过去的十年间成了定位技术研究和发展的焦点。
　　到目前为止，研究者们提出了多种室内定位技术，本文的研究重点是行人航位推算（Pedestrian Dead Reckoning, PDR）。在PDR系统中，由于行人前进方向的估计存在误差，因此获取精确的方向信息是PDR系统最重要的难题之一。一方面，由于附近金属物体对磁场造成的扭曲和其他电磁干扰，磁力计提供的方向信息并不可靠，无法获得高精度的方向信息。另一方面，由于陀螺仪数据存在偏移和误差，因此对陀螺仪数据进行积分获取方向信息时，偏移和误差也会进行累积，大大降低了方向估计的精确性。
　　当使用智能手机实现PDR系统时，行人前进方向的精确估计更加困难，这是因为当手机放置在裤子口袋中时，一个新的因素影响了方向估计的精度：行人行走时，手机在口袋中会来回摆动，因而造成陀螺仪数据不稳定。将陀螺仪数据转换到世界坐标系下进行方向估计不可行，因为由于磁力计的不可靠性，陀螺仪数据在世界坐标系的转换过程中会产生误差。
　　考虑到很多行人通常将手机放在裤子前口袋中，并且根据手机在口袋中的摆动情况，本文发现了一个有趣的现象：当行人携带手机行走在曲线路径或者转弯时，手机的摆动会造成陀螺仪测得的角速度比真实的值小。本文把这种现象称为转向不足效应（Turn Insufficient Effect, TIE）并用几何分析证明。
　　本文展示了利用带有加速计和陀螺仪的智能手机实现的行人导航系统（Pedestrian navigation system based on one Smartphone residing in trousers’ front Pocket，PSP）。PSP系统的方向估计算法扩展了启发式偏移消除（Heuristic Drift Elimination，HDE）算法的反馈控制系统，不仅补偿了由于陀螺仪自身的偏移造成的误差，还补偿了由于TIE造成的误差。PSP原型系统部署在基于Android系统的智能手机上，5个参与者在两种不同的路径上进行了实验。实验结果表明：PSP系统的平均往返误差为1.33％，并且在有重复圆环的路径下，PSP的误差比HDE低81%。

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1 引言

1.1 研究背景和意义

1.2 室内定位技术研究现状

1.3 研究内容和贡献

1.4 论文组织结构

2 相关工作和基础

2.1 行人航位推算相关定位方法概述

2.2 主成分分析方法简述

2.3 卡尔曼滤波简述

2.4 行人航位推算系统相关工作概述

2.5 本章小结

3 基于智能手机的行人航位推算技术研究

3.1 坐标系定义及变换

3.2 基于智能手机的行人航位推算系统研究

3.3 基于加速计的脚步探测算法实现

3.4 步长估计算法实现

3.5 方向估计算法研究与实现

3.6 本章小结

4 实验与分析

4.1 实验条件

4.2 步长估计算法实现与结果分析

4.3 方向估计算法实现与结果分析

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、攻读硕士学位期间发表的学术论文