行人室内外混合定位系统研究

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随着社会的发展,人们在日常生活中对于定位的需求越来越高。当行人走在陌生的景区、街道或者处于室内的大型超市、地下停车场时,总是迫切地想要知道自身的位置信息。在室外,行人利用全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)可以比较方便地进行定位。然而,GNSS的穿透能力较弱,在室内或者隧道、峡谷等地带,GNSS信号将无法使用。针对这种情况,本课题重点对室内定位方法中的捷联惯性导航算法展开了研究,设计了一套面向行人的室内外定位系统。首先,对于室外GNSS定位的原理和室内捷联惯性导航算法的原理进行了分析。室外定位算法通过对GNSS接收模块输出的NMEA-0183协议进行解析,得到行人在室外的行走轨迹。室内定位算法首先阐述了捷联惯导算法中要用到的速度、位置和姿态更新算法。通过对行人步态分析,针对行人行走过程中脚部着地阶段的实际速度为零这一特点,引入了零速检测算法。具体分析了四种零速检测算法的原理和算法实现,通过对比,最终选择了广义似然比检测法来进行零速修正。通过扩展卡尔曼滤波与捷联惯导算法、零速修正相结合,实现了行人速度、位置和姿态的估计。为了实现算法功能,设计了相应的行人室内外混合定位系统的硬件电路板。硬件电路分为三个部分,分别是能量管理电路设计、定位电路设计和无线通信模块。整个定位系统由柔性太阳能电池板和可充电锂电池提供能量,太阳能充足时,柔性太阳能电池板为定位系统提供能量,同时给锂电池充电。太阳能不足时,自动切换至锂电池供电。定位电路分为室外定位用到的GNSS接收模块和室内定位用到的惯性传感器模块。最后进行了定位系统的整体测试,对硬件电路的功能和定位算法的精度进行了测试。经过测试,硬件电路的功能满足设计预期,定位系统的室外GNSS定位误差率为0.87%,室内直线和折线定位的误差率分别为3.57%和3.63%,定位算法的精度能满足需求。
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