一种基于微惯性传感器的室内定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种室内定位方法，特别是一种基于微惯性传感器的室内定位方法。
【背景技术】
[0002] 目前，由于卫星定位系统导航信号无法覆盖到室内，因此室内定位都是基于射频 识别的定位方法。基于射频识别方法的室内定位系统包括：参考电子标签、射频读写器、主 机以及数据库，电子标签和读写器通过无线网络实现数据交换，读写器通过有线或无线形 式连接到数据库，其定位精度高，但需要事先将电子标签阵列精确布置到室内环境中，同时 为了保证高的定位精度还需要提高电子标签的数量，这就意味着成本的提高，而且还将产 生较大的干扰，影响信号的强度。因此，现有的室内定位方法由于各种原因的限制，使得室 内定位方法一直无法大规模普及。
【发明内容】
[0003] 本发明目的在于提供一种基于微惯性传感器的室内定位方法，解决卫星定位在室 内存在盲区以及基于射频识别的定位方法信息采集工作量大、算法复杂、数据处理困难、硬 件设备成本高的问题。
[0004] 一种基于微惯性传感器的室内定位方法，其具体步骤为： 第一步搭建微惯性室内定位系统 微惯性室内定位系统，包括：微惯性传感器、磁阻电子罗盘、信息采集处理装置、导航解 算处理器、显控装置、通信总线A、通信总线B和通信总线C ;其中微惯性传感器包括：三轴 微惯性加速度计和三轴微惯性陀螺仪；导航解算处理器包括：误差补偿模块、静动态测量 数据辨识模块、初始对准模块和捷联惯性导航解算模块。微惯性传感器与磁阻电子罗盘封 装于一体，均通过通信总线A与信息采集处理装置连接；信息采集处理装置通过通信总线B 与导航解算处理器连接；导航解算处理器通过通信总线C与显控装置连接；显控装置用于 人机交互。
[0005] 第二步微惯性室内定位系统开机 在需要定位的室内载体上安装好微惯性室内定位系统后，控制显控装置给微惯性室内 定位系统加电，微惯性传感器与磁阻电子罗盘开始采集载体数据并经数据采集处理装置处 理后传输给导航解算处理器。
[0006] 第三步误差补偿模块补偿测量数据误差 导航解算处理器接收到微惯性传感器和磁阻电子罗盘的测量数据后，由误差补偿模块 进行误差补偿： 考虑三轴微惯性加速度计的零偏、安装误差、随机漂移误差项，忽略二阶以上动态小量 误差，建立三轴微惯性加速度计的误差模型为：
(1) 式中，j为三轴微惯性加速度计输出值；为三轴微惯性加速度计零偏为三轴微 惯性加速度计标度系数；
为三轴微惯性加速度计?轴对/轴的正交误差系 数;我:为载体运动输入加速度；在为三轴微惯性加速度计随机误差。
[0007] 考虑三轴微陀螺仪的零偏、安装误差、正交误差和随机漂移误差，忽略二阶以上动 态小量误差，建立三轴微陀螺仪的误差模型为：
(2) 式中，右为三轴微陀螺仪输出值丨为三轴微陀螺仪的零偏为三轴微陀螺仪的 标度系数；e?为载体运动输入角速度；#为三轴微陀螺仪随机误差；
;为三轴 微陀螺仪?轴对逆轴的安装误差系数；
为与加速度有关的一次项误差系数。
[0008] 建立磁阻电子罗盘的误差模型为：
(3) 式中，:供为磁阻电子罗盘的输出值；轉为预先输入的载体航向角；4、波、、:其为 磁阻电子罗盘的补偿系数。
[0009] 误差补偿模块对测量数据进行误差补偿后传输给静动态测量数据辨识模块。
[0010] 第四步静动态测量数据辨识模块辨识载体静态与动态数据 静动态测量数据辨识模块接收到经误差补偿的测量数据后，根据微惯性传感器（1)测 量数据的变化情况辨识出载体的静态与动态，并将测量数据分解为静态数据与动态数据。 其中，静态数据用于载体姿态角的初始对准，动态数据用于载体的姿态更新、速度更新与位 置更新。
[0011] 第五步初始对准模块解算载体初始姿态角 初始对准模块根据静动态测量数据辨识模块的静态数据进行载体姿态角的初始对准 解算。
[0012] 由三轴微加速度计输出的加速度静态信息确定载体的俯仰角设和横滚角膂，公式 为：
(4) (5) 式中，<、#、<为加速度计的输出值，宏:为重力加速度。
[0013] 由磁阻电子罗盘确定载体的航向角:
(6) 通过式（4 )、式（5 )、式（6 )得到载体初始静止状态下的初始姿态角。
[0014] 初始对准模块将载体的初始姿态角信息传送给导航解算处理器内的捷联惯性导 航解算模块。
[0015] 第六步捷联惯性导航解算模块解算载体定位信息 捷联惯性导航解算模块根据静动态辨识模块辨识出的动态数据与初始对准模块获得 的载体初始姿态角，采用捷联惯性导航算法对结果进行连续积分处理，并转换到导航坐标 系中，先解算出载体的姿态角信息：俯仰角巍、航向角髮和横滚角再解算出载体的速度 信息：横向速度￥、前向速度％和纵向速度·^ ;最后解算出载体的位置信息横向位移#、 前向位移龙和纵向位移贫。
[0016] 载体的姿态角信息解算： 载体坐标系I至导航坐标系的姿态矩阵r为：
由初始对准模块得到的初始姿态角通过公式（7)得到初始状态矩阵为载体的姿态 更新提供了初值，由初始状态矩阵求出初始四元数的值。
(8) 用经过误差补偿的三轴微陀螺仪测量的角速度，对式（8)进行四阶龙 格一库塔法解算，并依据式（9)做归一化处理，实现四元数的实时更新。
[0018]
经过式（8)和式（9)实时计算出四元数后，由式（10)完成姿态矩阵的更新，并可根据式 (7)和式（10)获得载体的姿态角信息。
[0019] 载体的速度信息解算： 经过补偿的三轴微加速度计测量的比力信息#、_、<，通过姿态矩阵f与室内坐标 系的关系转化到室内坐标系，通过一次积分进行室内坐标系内载体的速度更新。
[0020]
(11) 结合前面解算出的载体的姿态角信息，对式（8 )进行二阶龙格-库塔法解算，得到载体 的速度信息。
[0021] 载体的位置信息解算：
(13) 对式（13)再进行一次积分解算，得到载体的位置信息。
[0022] 导航解算处理器输出载体的姿态角信息，包括：俯仰角在、航向角妒和横滚角#， 速度信息，包括：横向速度％、前向速度1^:和纵向速度％，位置信息，包括：横向位移x、前 向位移:甚和纵向位移z。解算得到的载体定位信息由通信总线C传输给显控装置。
[0023] 第七步显控装置输出载体定位信息 显控装置将接收到的载体的姿态角信息、速度信息、位置信息输出显示，从而完成了基 于微惯性传感器的室内定位。
[0024] 本发明的基于微惯性传感器的室内定位方法解决了卫星定位在室内存在盲区、其 它定位技术信息采集工作量大、算法复杂、数据处理困难、硬件设备成本高的问题。
【附图说明】
[0025] 图1 一种基于微惯性传感器的室内定位方法的微惯性室内定位系统示意图。
[0026] 1.微惯性传感器 2.磁阻电子罗盘3.信息采集处理装置4.导航解算处理 器5.显控装置6.通信总线A 7.通信总线B 8.通信总线C 9.三轴微惯性陀螺仪 10.三轴微惯性加速度计11.误差补偿模块12.静动态测量数据辨识模块13.初始对准模 块14.捷联惯性导航解算模块。
【具体实施方式】
[0027] -种基于微惯性传感器的室内定位方法，其具体步骤为： 第一步搭建微惯性室内定位系统 微惯性室内定位系统，包括：微惯性传感器1、磁阻电子罗盘2、信息采集处理装置3、导 航解算处理器4、显控装置5、通信总线A6、通信总线B7和通信总线C8 ;其中微惯性传感器 1包括：三轴微惯性加速度计9和三轴微惯性陀螺仪10 ;导航解算处理器4包括：误差补偿 模块11、静动态测量数据辨识模块12、初始对准模块13和捷联惯性导航解算模块14。微 惯性传感器1与磁阻电子罗盘2封装于一体，均通过通信总线A6与信息采集处理装置3连 接；信息采集处理装置3通过通信总线B7与导航解算处理器4连接；导航解算处理器4通 过通信总线C8与显控装置5连接；显控装置5用于人机交互。
[0028] 第二步微惯性室内定位系统开机 在需要定位的室内载体上安装好微惯性室内定位系统后，控制显控装置5给微惯性室 内定位系统加电，微惯性传感器1与磁阻电子罗盘2开始采集载体数据并经数据采集处理 装置3处理后传输给导航解算处理器4。
[0029] 第三步误差补偿模块11补偿测量数据误差 导航解算处理器4接收到微惯性传感器1和磁阻电子罗盘2的测量数据后，由误差补 偿模块11进行误差补偿： 考虑三轴微惯性加速度计9的零偏、安装误差、随机漂移误差项，忽略二阶以上动态小 量误差，建立三轴微惯性加速度计9的误差模型为：
(1) 式中，y!为三轴微惯性加速度计9输出值；4|为三轴微惯性加速度计9零偏；为三 轴微惯性加速度计9标度系数；
丨为三轴微惯性加速度计9:纟轴对g5轴的正交 误差系数；苹为载体运动输入加速度；波为三轴微惯性加速度计9随机误差。
[0030] 考虑三轴微陀螺仪10的零偏、安装误差、正交误差和随机漂移误差，忽略二阶以 上动态小量误差，建立三轴微陀螺仪10的误差模型为：
(2) 式中，益为三轴微陀螺仪10输出值:为三轴微陀螺仪10的零偏；为三轴微 陀螺仪10的标度系数；#为载体运动输入角速度；g为三轴微陀螺仪10随机误差/?:
丨为三轴微陀螺仪10 ?轴对※轴的安装误差系数r
为与加速度 有关的一次项误差系数。
[0031] 建立磁阻电子罗盘2的误差模型为：
(3) 式中，，为磁阻电子罗盘2的输出值;为预先输入的载体航向角；羞、_、泣、_、_ 为磁阻电子罗盘2的补偿系数。
[0032] 误差补偿模块11对测量数据进行误差补偿后传输给静动态测量数据辨识模块 12。
[0033] 第四步静动态测量数据辨识模块12辨识载体静态与动态数据 静动态测量数据