一种基于微惯性传感器的室内定位方法

摘要

本发明公开了一种基于微惯性传感器的室内定位方法，其具体步骤为：搭建包括微惯性传感器（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A（6）、通信总线B（7）和通信总线C（8）的微惯性室内定位系统；微惯性室内定位系统开机后，误差补偿模块（11）补偿测量数据误差，静动态测量数据辨识模块（12）辨识载体静态与动态数据，初始对准模块（13）解算载体初始姿态角，捷联惯性导航解算模块（14）解算载体定位信息，显控装置（5）输出载体定位信息。本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。

主权项

一种基于微惯性传感器的室内定位方法，其特征在于具体步骤为：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A（6）、通信总线B（7）和通信总线C（8）；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A（6）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B（7）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C（8）与显控装置（5）连接；显控装置（5）用于人机交互；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）；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，为三轴微惯性加速度计（9）输出值；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；为三轴微惯性加速度计（9）轴对轴的正交误差系数；为载体运动输入加速度；为三轴微惯性加速度计（9）随机误差；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，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；为三轴微陀螺仪（10）随机误差；为三轴微陀螺仪（10）轴对轴的安装误差系数；为与加速度有关的一次项误差系数；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；、、、、为磁阻电子罗盘（2）的补偿系数；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）；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辨识模块（12）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；第五步 初始对准模块（13）解算载体初始姿态角初始对准模块（13）根据静动态测量数据辨识模块（12）的静态数据进行载体姿态角的初始对准解算；由三轴微加速度计（9）输出的加速度静态信息确定载体的俯仰角和横滚角，公式为：（4）（5）式中，、、为加速度计的输出值，为重力加速度；由磁阻电子罗盘（2）确定载体的航向角：（6）通过式（4）、式（5）和式（6）得到载体初始静止状态下的初始姿态角；初始对准模块（13）将载体的初始姿态角信息传送给导航解算处理器（4）内的捷联惯性导航解算模块（14）；第六步 捷联惯性导航解算模块（14）解算载体定位信息捷联惯性导航解算模块（14）根据静动态辨识模块（12）辨识出的动态数据与初始对准模块（13）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、航向角和横滚角；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、前向位移和纵向位移；载体的姿态角信息解算：载体坐标系至导航坐标系的姿态矩阵为：（7）由初始对准模块（13）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）（9）用经过误差补偿的三轴微陀螺仪（10）测量的角速度、、，对式（8）进行四阶龙格—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；（10）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，并根据式（7）和式（10）获得载体的姿态角信息；载体的速度信息解算：经过补偿的三轴微加速度计（9）测量的比力信息、、，通过姿态矩阵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；（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；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；导航解算处理器（4）输出载体的姿态角信息，包括：俯仰角、航向角和横滚角，速度信息，包括：横向速度、前向速度和纵向速度，位置信息，包括：横向位移、前向位移和纵向位移；解算得到的载体定位信息由通信总线C（8）传输给显控装置（5）；第七步 显控装置（5）输出载体定位信息显控装置（5）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。