基于MEMS傳感器的室內外多源融合導航系統設計

田 丹

(沈陽工學院 信息與控制學院，遼寧 撫順 113122)

0 引言

MEMS傳感器是一種檢測應用裝置，能夠直接感受到處于傳輸狀態的被測信息，并可以按照一定的規律或原則，將這些待測信息整合成完全不同的輸出形式，在此過程中，信息參量的傳輸路徑、處理方式與存儲形式都不會發生變化[1]。對于導航系統來說，MEMS傳感器作為核心信號輸入設備，可以絕對數據信息的后續傳輸方向，并可在陀螺儀、加速度計等應用元件的作用下，完成對數據信息參量的查詢與處理[2-3]。與常規IMU裝置不同，MEMS傳感器對于位置信息的校準能力更強，能夠在修正數據信息參量的同時，滿足各種慣性與非慣性查詢需求，且由于數據信息的排序始終遵循一致性原則，所以任何細微定義指令都不會對傳感器元件的運行能力造成影響，這也是MEMS傳感器始終具備較強實用適應性的主要原因[4]。

室內外導航系統是指利用調用服務對位置節點進行定義的應用系統，可在智能終端軟件的作用下，獲取GPS模塊內暫存的信息參量，并可根據相關性原則，將表達形式較為相似的數據信息歸為一類，對于數據庫主機而言，這種系統節省了大量的信息分類時間，能夠從根本上解決主機運行速率相對較慢的問題[5]。在上述背景下，國內外相關領域研究學者紛紛對室內外多源融合導航系統的設計做出了研究。夏琳琳[6]等人提出基于降維對偶四元數的室內外導航應用系統，能夠根據AR主機的導航能力，構建完整的室內與室外地圖，并可借助WIFI組織，將位置信息序列轉換成完整的數據文件參量，并可在遵循數據庫存儲標注的情況下，完成對這些信息參量的實時存儲。然而對于磁力計設備而言，該系統系統并沒有關注元件自身的偏轉能力，以促使偏轉角數值持續增大，并最終使得實際導航坐標結果不能與理想預設坐標值相貼合，對主機設備的精準導航能力造成影響。Zeng[7]等人提出基于貝葉斯網絡模型的機器人導航系統設計，機器人的姿態由兩個子網絡分別編碼，每個子網絡貝葉斯代碼一組用于前庭線索整合的積分器單元，一組用于視覺線索校準的校準單元。應用該模型SLAM系統實現室外和室內環境的導航定位。該方法在室內環境中的導航效果較好，但未考慮室外環境中的環境因素影響，室外導航精度差。

為避免上述情況的發生，在MEMS傳感器的支持下，設計一種新型的室內外多源融合導航系統。設計基于MEMS傳感器的室內外多源融合導航系統。應用MEMS傳感器，同時獲取空間內的導航點信息，獲取實時坐標，通過計算位姿角數值的方式，處理導航點與傳感器信息之間的多源融合關系，實現導航點的坐標轉換。通過對節點坐標的旋轉與縮放完成對導航路徑的可視化處理，結合硬件設備實現基于MEMS傳感器的室內外多源融合導航系統設計。

1 系統總體結構設計及硬件結構的設計與實現

室內外多源融合導航系統的硬件執行環境包含多源外接模塊電路、MEMS磁力計、微處理器導航元件、地圖空間定義模塊、融合信息存儲單元，軟件設計中，基于MEMS傳感器原件，融合導航點與傳感器信息，實現導航定位坐標點的坐標轉換，對路徑節點進行平移變換處理，再遵循旋轉與縮放理論，實現室內外多源融合導航系統實時路徑的可視化處理。系統總體結構如圖1所示。

圖1 室內外多源融合導航系統整體結構設計

系統硬件結構的設計如下所示。

1.1 多源外接模塊電路

多源外接模塊電路其主要功能就是為室內外多源融合導航系統、MEMS傳感器元件提供傳輸電流，以便于主機單元可對磁力計偏轉角度信息進行捕捉，從而實現對導航信息的存儲與處理(詳細連接如圖2所示)。在實際應用過程中，該模塊的連接位置處于系統VCC輸出端與VDD輸入端之間，可將高壓交變電流轉化成低壓直流傳輸形式，并可以借助K1、K2、K3、K4、K5、K6幾類磁力消耗設備，完成對傳輸電流的二次利用。由于K類磁力消耗設備的存在，傳輸于多源外接模塊電路的物理電流不會出現任何形式的外泄行為[5-6]。當剩余電量足以負擔MEMS磁力計、微處理器導航元件等下級結構的連接行為時，傳輸電流便可以在導線通路的作用下，直接反饋至既定元件體系之內；而當剩余電量不足以負擔下級結構的連接行為時，K類磁力設備便會釋放暫存的傳輸電流，使其對電信號誤差量進行彌補，從而滿足室內外多源融合導航系統的常規供應需求。

圖2 多源外接模塊電路結構圖

R1、R2、R3、R4、R5、R6作為6個完全獨立的連接電阻，分別與多源外接模塊電路的PD1、PD2、PD3、PD4、PD5、PD6子通路相連，可在承接VCC電壓輸出端傳輸電流的同時，對剩余電信號參量進行打包處理，并將其分別反饋至不同的子通路環境之中，以供導航主機元件的自由選取。

1.2 MEMS磁力計

MEMS磁力計是具有磁性能力的導航定向裝置，在接頭處于持續連通狀態的情況下，導線中存在大量的傳輸電流，且由于磁性能力的不同，正向電流的傳輸方向總是由主機端指向電源結構外側，而負向電流的傳輸方向則總是由電源結構外側指向主機端[7]。在多源融合導航系統中，MEMS磁力計作為外接模塊電路的下級附屬結構，可借助磁性探頭確定室內外空間中定位節點所處的具體位置，根據待測節點與初始節點間物理距離的不同，多源外接模塊電路對MEMS磁力計所輸出的電信號數量也有所不同，一般來說，待測節點與初始節點之間的物理距離越遠，模塊電力對MEMS磁力計輸出的電信號數量也就越多，反之則越少[8]。為了減少電量傳輸信號的浪費，磁性探頭分別與MEMS磁力計的主電機和外接導線相連，且所測得的導航節點定位數據也可借助原電信號回路，直接反饋回系統應用主機之中。

磁力計主電機表面包含一個控制開關、兩個調節按鈕和一個物理顯示屏。開關結構負責掌控MEMS磁力計的斷開與閉合狀態；調節按鈕負責控制電信號的實際輸出流量；顯示屏負責顯示與MEMS磁力計相關的各項物理示數。

1.3 微處理器導航元件

微處理器導航元件以MPU6500芯片、MPU9250芯片作為核心設備結構，可聯合微電阻元件，采用MEMS傳感器控制MEMS磁力計，得出偏轉角數值，并可借助電信號傳輸導線，將數據信息以傳輸電流的形式，分別反饋給下級硬件應用結構和核心導航主機，從而使得室內外多源融合導航系統的運行能力得到保障[9]。MPU6500芯片、MPU9250芯片及微電阻元件的具體應用能力如下：

1)MPU6500芯片：負責記錄多源外接模塊電路向外輸出穩壓電流的數量值水平，可以在分析MEMS磁力計偏轉角度的同時，控制電流信號的消耗速度，從而實現對導航主機精準定位能力的干擾。

2)MPU9250芯片：作為MPU6500芯片的附屬連接結構，負責統一調度整個微處理器導航元件的連接能力，既可以記錄電流信號的實際傳輸位置，也可以存儲既定地圖節點的物理坐標，并能夠與多源融合導航系統的數據庫主機建立連接關系，從而為導航信息流提供一個相對穩定的傳輸環境[10]。

3)微電阻元件：與多源外接模塊電路中的連接電阻相比，微電阻元件的內阻水平相對較低，對于傳輸電流的承載能力較弱。僅能對MEMS磁力計的偏轉行為起到小幅度的促進影響作用，但對于多源融合導航系統精準定位行為的影響能力極強。

1.4 地圖空間定義模塊

地圖空間定義模塊的連接必須同時借助GControl、GContro Anchor、GControl Postion三類應用節點，且在MEMS傳感器、導航元件等模塊結構的作用下，各類節點組織所具備的連接能力也有所不同。以下分別對GControl節點、GContro Anchor節點及GControl Postion節點的室內外多源導航信息傳輸能力進行分析，匯總導航主機采集的多源位置信息，實現地圖空間定義模塊設計。

1)GControl節點:室內外多源導航信息的傳輸必須借助GControl類節點，可根據定位地圖中自定義控件的從屬連接狀態，規劃導航節點在室內外環境中所處的位置[11]。相較于MEMS磁力計元件而言，GControl節點可以在地圖空間恒定覆蓋的情況下，將與MPU6500芯片、MPU9250芯片匹配的操作行為限定在既定地圖空間內，一方面避免了磁力計設備出現過低偏轉的行為，另一方面也可實現對多源電信號傳輸行為的有效控制。

2)GContro Anchor節點:該類型節點能夠控制導航標記點在地圖空間定義模塊中所處的實時連接位置，由于MEMS磁力計單次發生的偏轉角數值并不完全相等，所以節點分布步長值的制定必須與導航主機中信息參量的輸入行為保持一致化狀態。一般來說，相鄰導航標記點之間的間隔距離越大，GContro Anchor節點所具備的實時連接能力也就越強，反之則越弱。

3)GControl Postion節點:與其它兩類定義節點不同，GControl Postion節點對于導航標記點的作用能力相對較弱，在獨立的地圖空間內，受到室內外多源信息分布多樣性的影響，MEMS傳感器對于偏轉角參量的提取能力會不斷增強，此時為使節點主體自身的連接能力得到保障，外接模塊電路必須增強對于電信號的輸出強度，并以此為基礎，驅動相鄰GControl Postion節點不斷向著同一位置靠近，最終匯總導航主機所采集到的多源位置信息，并將其全部存儲于系統數據庫元件之中[12]。

1.5 融合信息存儲單元

在室內外多源融合導航系統中，融合信息存儲單元與地圖空間定義模塊之間的連接適配性最強，由主存儲模塊、附屬存儲模塊兩部分共同組成，前者負責建立完整的導航定位信息輸入、輸出指令流程，后者負責對反饋信息進行整合與處理，并可在SQL數據庫元件的作用下，將這些數據信息參量直接傳輸至核心分析主機中，以供MEMS磁力計設備的二次調取與利用。主存儲模塊中包含一個MiniSD 卡、一個STM32F407 芯片、一個EEPROM組件和一個EEPROM元件，STM32F407 芯片能夠接收并處理微處理器導航元件中MPU6500芯片存儲的多源外接模塊電路向外輸出穩壓電流的數值，減少導航主機精準定位能力的外界干擾。EEPROM組件能夠借助定位節點，改變多源導航信息的實時存儲位置，并可以按照傳輸信道的實際連接形式，構建更加完善的信息導入與導出映射關系，從而將室內外多源導航信息改寫成IAP編碼的形式[13-14]。附屬存儲模塊只包含一個SQL數據庫和一個核心分析主機，能夠將已獲得的室內外多源數據按需分類成傳感信息、導航信息與定位信息的存儲形式，并可以與主存儲模塊間構建一種動態的信息互傳關系，從而滿足MEMS傳感器對于室內外環境進行導航控制的實際應用需求。完整的模塊結構詳解如圖3所示。

圖3 融合信息存儲單元示意結構詳解

SQL數據庫必須負擔室內外多源導航信息的實時融合需求，其連接形式也必須隨著MEMS磁力計偏轉角度的改變而不斷發生變化。

2 基于MEMS傳感器的坐標轉換

在硬件設計的基礎上，設計室內外多源融合導航系統軟件，在MEMS傳感器元件的作用下，按照坐標定義、位姿角計算、導航點與傳感器信息融合的執行流程，實現對室內外導航系統定位坐標點的轉換處理。

2.1 傳感器坐標定義

傳感器坐標定義分為俯仰角分析、翻滾角分析兩部分。其中，俯仰角是指由較遠定位節點指向核心節點的標記曲線角，與之相匹配的傳感器導航射線相對較長；翻滾角是指由非恒定定位節點指向核心節點的標記曲線角，與之相匹配的傳感器導航射線一般不會比俯仰角導航射線更長。

(1)

式中，F1為基于俯仰角的傳感器坐標定義系數，F2為基于翻滾角的傳感器坐標定義系數，d1為與俯仰角匹配的傳感器導航射線長度，d2為與翻滾角匹配的傳感器導航射線長度。在對傳感器坐標進行定義時，默認地圖空間中的導航定位坐標點不會互相遮蓋。

2.2 位姿角計算

位姿角也叫因MEMS磁力計偏轉行為而產生的位移轉動角，在已知傳感器坐標定義條件的情況下，可認為俯仰角轉向量與翻滾角轉向量之間的物理差值越大，位姿角的實際數值水平也就越高[15-17]。在一個導航定位周期內，室內外多源信息的最大融合變化量只能達到ΔEmax，且該項物理量屬于一項非矢量指標，即隨著導航行為、磁力計偏轉行為等外界條件的改變，指標參量自身的數值水平也會發生改變。因此，在計算位姿角數值的時候，只能將最大融合變化量作為一項關聯性參考條件。聯立公式(1)，可將位姿角正弦變動行為表達式定義為：

(2)

其中：λ為固定偏轉系數。

在公式(2)的基礎上，設xα表示位姿角α的X軸投影長度值，yα表示位姿角α的Y軸投影長度值，根據上述物理量，可將位姿角α計算結果表示為：

(3)

式中，μ為位姿角反轉系數。一般來說，位姿角數值越大，μ指標的取值結果也就越大，此時室內外多源融合導航系統判別主機對于MEMS磁力計偏轉行為的依賴性也就越強。

2.3 導航點與傳感器信息的多源融合

導航點是指位姿角的核心定位點，在MEMS磁力計偏轉行為發生變化的過程中，導航點所處位置也會隨之出現變化。傳感器信息是指MEMS傳感器所采集到的室內外定位信息，由于實時導航環境總是處于相對變動的存在狀態，所以傳感器信息采集行為也總是隨之呈現變動形式。具體融合流程如圖4所示。

圖4 導航點與傳感器信息的多源融合流程圖

導航點與傳感器信息的多源融合要求室內外導航環境必須處于絕對穩定的狀態，也只有在此前提下，MEMS傳感器所采集到的節點坐標信息才具有可參考價值。

3 導航路徑可視化處理

在實現對室內外導航系統定位坐標點的轉換處理后。根據定位節點的坐標轉換原則，對導航路徑內的節點進行平移變換，再遵循旋轉與縮放理論，實現室內外多源融合導航系統實時路徑的可視化處理，結合硬件系統完成了基于MEMS傳感器的室內外多源融合導航系統設計。

3.1 路徑節點的平移變換

室內外多源融合導航路徑節點平移變換，也叫考慮MEMS傳感器偏轉行為的導航節點平向轉移變換，在已知導航點與傳感器信息多源融合結果的情況下，位姿角計算數值將直接影響節點坐標的變換結果[18]。

規定P0表示導航路徑節點的初始標記值，其物理坐標為(x0,y0,z0)，Pn表示平移變換后的導航路徑節點標記值，其物理坐標為(xn,yn,zn)，在α位姿角取值恒大于零的情況下，可將室內外多源融合導航系統路徑節點的平移變換表達式定義為：

(4)

式中，cosω為位姿角α的余弦值，sinω為位姿角α的正弦值，tanω為位姿角α的正切值，ΔL為導航節點的單位平移距離，d為平移度量系數，h為縱向平移的深度標準數值，φ為偏轉角定標系數。

路徑節點平移變換是室內外多源融合導航系統設計的關鍵執行環節，由于該項物理條件的定義參考了磁力計偏轉行為對數值計算結果造成的影響，所以各項指標參量的取值都應做到絕對精細化[19]。

3.2 旋轉與縮放

旋轉就是為平移后導航路徑節點賦予一定的初始偏轉角度，從而使得系統主機能夠在較短時間內適應磁力計元件的偏轉行為[20]。設δ0表示初始旋量，且該項物理量能夠直接作用于平移變換后的物理坐標點Pn(xn,yn,zn)。聯立上述物理量，可將基于MEMS傳感器的導航定位角旋轉表達式定義為：

(5)

縮放就是對平移后導航路徑節點所涉及的覆蓋范圍面積進行調節，一般來說，室內外多源導航環境的物理空間越廣泛，縮放比例系數的變化行為也就越明顯[21]。設Δq表示導航路徑節點縮放比例的原始度量值，聯立公式(4)，可將基于MEMS傳感器的導航定位角縮放表達式定義為：

(6)

旋轉與縮放行為可以同時影響室內外多源融合導航系統對于節點坐標的定位能力[22-23]，由于磁力計偏轉行為強度不可能為零，所以旋轉與縮放定義式的取值結果也不可能等于零。

4 實例分析

選取圖5所示的計算機元件作為實驗環境，其中左側主機所顯示圖像為室外環境，右側主機所顯示圖像為室內環境。

圖5 室內外導航環境模擬

選取兩臺型號相同且作用能力穩定的磁力計裝置作為實測設備，其中一臺磁力計接受實驗組計算機的控制(實驗組計算機搭載基于MEMS傳感器的室內外多源融合導航系統)，另一臺磁力計接受對照組計算機的控制(對照組計算機搭載基于降維對偶四元數的導航系統)。

磁力計偏轉角數值能夠反映實測導航坐標與理想預設坐標之間的貼合度水平，一般來說，實測角與理想角之間的差值越小，則表示實測導航坐標與理想預設坐標之間的貼合能力越強；而實測角度值過大或過小，都表示磁力計出現了過度偏轉行為，不利于計算機元件對導航信息進行精準處理。

本次實驗主要分為室外導航環境、室內導航環境兩部分，且為保證實驗結果的完整性，每一部分實驗都分為X軸、Y軸兩個導航方向。

表1記錄了室外導航環境中，X軸、Y軸兩個方向上的理想磁力計偏轉角數值。

表1 理想磁力計偏轉角(室外導航環境)

表2記錄了室外環境導航中，實驗組、對照組實測磁力計偏轉角數值。

表2 磁力計偏轉角實測值(室外導航環境)

對比表1、表2可知，對于實驗組導航系統而言，與之匹配的磁力計偏轉角均值水平相對較低，單就X軸上的偏轉角數值來看，第二次實驗所取得的實測偏轉角與理想偏轉角之間的差值最大，達到了2.8°；單就Y軸上的偏轉角數值來看，第三次實驗所取得的實測偏轉角與理想偏轉角之間的差值最大，達到了2.0°。對于對照組導航系統而言，與之匹配的磁力計偏轉角均值水平相對較高，單就X軸上的偏轉角數值來看，第七次實驗所取得的實測偏轉角與理想偏轉角之間的差值最大，達到了12.1°，高于實驗組差值；單就Y軸上的偏轉角數值來看，第二次實驗所取得的實測偏轉角與理想偏轉角之間的差值最大，達到了9.6°，也高于實驗組差值。

圖6反映了室內導航環境中，X軸、Y軸兩個方向上的理想磁力計偏轉角數值，及實驗組、對照組實測結果與理想偏轉角的數值對比情況。

圖6 室內導航環境中的磁力計偏轉角(X軸)

分析圖6可知，對于室內導航環境X軸實驗結果而言，實驗組第6次所取得的實測偏轉角與理想偏轉角數值完全相等，第八次實驗所取得的實測偏轉角與理想偏轉角之間的差值最大，達到了3.7°；對照組第一次實驗所取得的實測偏轉角與理想偏轉角之間的差值最大，21.0°，高于實驗組差值水平。

圖7 室內導航環境中的磁力計偏轉角(Y軸)

分析圖7可知，對于室內導航環境Y軸實驗結果而言，實驗組第五次所取得的實測偏轉角與理想偏轉角之間的差值最大，達到了3.6°；對照組第四次所取得的實測偏轉角與理想偏轉角之間的差值最大，達到了10.2°，也高于實驗組差值水平。

綜上可認為，在MEMS傳感器的作用下，磁力計偏轉角數值在室內、室外導航環境中均能得到較好控制，實測角與理想角之間物理數值差的最大值達到3.7°，說明室內外多源融合導航系統的導航準確性較高，對方位的識別精度較好，完全符合精準導航的實際應用需求。

5 結束語

與基于降維對偶四元數的導航系統相比，新型室內外多源融合導航系統以MEMS傳感器元件為基礎，在模塊電路、地圖空間定義模塊等多個硬件應用結構的作用下，對傳感器坐標進行重新定義，又根據路徑節點平移變換原則，實現對導航定位坐標的旋轉與縮放處理。從對比實驗的角度來看，隨著這種新型導航系統的應用，磁力計的過度偏轉行為得到了較好糾正，實測導航坐標結果能夠更加貼合理想預設坐標值，這對于室內外環境中節點坐標的精確化導航，確實能夠起到一定的促進性影響作用。