基于捷聯慣性導航的室內定位系統設計研究

張潔　付素芳

摘 要：以捷聯慣性導航技術為依托，對室內定位系統進行了設計，通過HMC5983三軸電子指南針模塊、MPU6050陀螺加速度計模塊以及藍牙模塊實現定位功能，配合STM32單片機，能夠對載體在導航坐標系中的運動加速度進行計算，結合加速度積分計算，明確載體空間位置，具備良好的定位精度。

關鍵詞：捷聯慣性導航；室內定位系統；設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.103

1 引言

捷聯慣性導航屬于導航技術的一種，于載體上直接固定慣性測量期間，將輸出通過數學平臺進行導航結算。系統體積和質量較小，慣性儀表直接與載體連接的形式也略去了機電式導航平臺，不僅安裝方便，而且儀器的維護和更換簡單，慣性儀表可以測量軸向線加速度及角速度，這些信息都是控制系統所必須的，余度配置的方式也保證了系統的可靠性。基于捷聯慣性導航的室內定位系統，不僅可以結合位置修正點發送的RSSI對載體位置進行準確計算，也可以對現有位置信息進行修正，對累積誤差進行補償，在超市、商場、博物館等室內環境下有著良好的應用效果。

2 基于捷聯慣性導航的室內定位系統設計

2.1 整體方案設計

室內定位系統分為手持部分和藍牙位置修正點，手持部分以STM32單片機為核心，包含了液晶顯示模塊、HMC5983三軸電子指南針模塊、MPU6050陀螺加速度計模塊以及藍牙模塊，單片機與其他模塊的通信可以通過IIC和USART協議實現；藍牙位置修正點主要是以單片機實現對藍牙模塊的控制，結合USART協議進行數據傳輸，可以自動向手持部分發送自身編號及坐標信息[1]。

2.2 定位算法設計

在室內定位系統中，定位算法是核心，也是保證定位準確性的關鍵。定位算法的設計包括幾個方面的內容：

2.2.1 姿態角計算

姿態角可以通過四元數計算旋轉矩陣獲取，在算法中包含載體坐標系（b系）和導航坐標系（n系），可以實現兩個坐標系的坐標快速轉換，具體來講，需要先運用畢卡逼近法二階近似迭代算法對四元數值吉進行更新和歸一化處理，然后計算旋轉矩陣，坐標變換如圖1所示。

2.2.2 修正計算

考慮到相對角速度誤差的存在，伴隨著時間的延長，姿態角（Ⅰ）中的累積誤差會越來越大，需要結合加速度計模塊和指南針模塊采集到的數據，對姿態角（Ⅱ）進行推算，通過加權平均融合，對累積誤差進行補償。現階段，對于融合計算環節權重系數的取值尚沒有有效方法，一般需要憑借經驗進行反復測試，依照現場實際反應確定。在實際應用中，為了盡量消除干擾，保證計算結果準確，應該針對讀數進行卡爾曼濾波后，再進行計算。將兩個姿態角進行加權平均融合[2]，可以得到最優姿態角：

2.2.3 載體位置計算

載體本身處于移動中，在對其位置信息進行計算時，需要首先設定初始位置，即，之后利用加速度計測量數據，進行比力換算，就能夠得導航坐標系中的載體加速度，有：

積分一次，能夠得到導航坐標系中的載體速度。

對速度積分一次，就能夠得到導航坐標系中的載體位置。

2.2.4 藍牙位置修正節點

修正節點能夠通過接受信號強度指示實現定位，而在實際應用中，可以采用簡化漸變模型，通過多次取平均值的方式，消除RSSIP誤差，保證定位精度。

2.2.5 載體位置信息修正

捷聯慣性導航本身存在累積誤差，可以在關鍵區域安裝藍牙位置修正節點，對誤差進行修正，通過修正節點計算得到的載體位置信息LB（k），與計算得到的載體位置信息LC（K）進行加權平均融合，就可以得到載體的準確位置信息。

2.3 設計方案驗證

在125Hz采樣頻率下，以加速度計模塊和電子指南針模塊中的AD芯片對直線行走和正方形行走時的數據信息進行采集，通過定位算法，單片機能夠對載體當前狀態下的位置信息進行計算，結合藍牙位置修正節點，進行加權平均融合修正，將計算得到的位置信息按照1Hz的頻率，經藍牙模塊發送給上位機，在上位機中利用MATLAB軟件進行仿真，將位置信息轉化為載體運動軌跡。

對比修正前后的運動軌跡：修正前，隨著時間的逐漸延長，載體的運動軌跡開始偏離實際運動路線；修正后，位置信息的累積誤差得到補償，定位的準確性也大大提高[3]。

3 結語

綜上所述，本文提出了一種基于捷聯慣性導航的室內定位系統設計方案，對系統結構進行了說明，并就室內定位的基本流程進行了闡述，結合定位算法設計，提出了姿態角計算和誤差修正算法，運用藍牙修正節點實現對累積誤差的補償，并結合直線軌跡與正方形軌跡實驗，對設計方案的可行性與可靠性進行了驗證，結果表明，本文提出的室內定位系統設計方案能夠滿足室內定位的基本要求。

參考文獻：

[1]唐荔.基于捷聯慣性導航的室內定位系統設計與實現[D].成都理工大學，2016.

[2]溫熙.Kinect和慣性系統組合的室內定位技術研究[D].南昌大學，2016.

[3]劉見輝，王東，劉鳳英等.高精度UWB/SINS組合室內定位系統研究[J].導航定位學報，2016，4（02）：53-56.

*為通訊作者

作者簡介：張潔（1981-），本科，助理講師，研究方向：機電工程。endprint