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基于主方向的行人自主定位航向修正算法

2024-08-11 来源:小侦探旅游网
Computer Technology and Its Applications 基于主方向的行人自主定位航向修正算法 赵辉,李擎,李超 (北京信息科技大学高动态导航技术北京市重点实验室,北京100101) 摘要:无信标环境下的行人导航问题是目前导航领域的难题和研究热点,考虑到系统的便携性和实用性,行人自 主导航系统多采用惯性器件进行定位解算。针对当前的行人惯性导航系统航向角发散问题,在启发式漂移消除算 法(HDE)的基础上,提出一种基于主方向的航向修正算法,根据室内的行走方向大多分为8个主方向的事实,当检 测到行人轨迹为直线时,将当前的航向角与主方向角的差值作为观测量进行卡尔曼滤波,对航向角进行修正,并利 用腰部PDR的方案进行了单圈和两圈矩形轨迹实验。实验结果表明,该算法在航向修正方面具有一定有效性,且重 复性好。定位误差为总路程的1%~2%。 关键词:室内行人导航;陀螺漂移;航向修正;主方向;卡尔曼滤波器 中图分类号:TP391.9 文献标识码:A DOl:10.16157/i.issn.0258—7998.2016.11.029 中文引用格式:赵辉,李擎,李超.基于主方向的行人自主定位航向修正算法【J】.电子技术应用,2016,42(11):108—111. 英文引用格式:Zhao Hui,Li Qing,Li Chao.A heading correction algorithm based on the main direction for pedestiran navigation[J】 Application of Electronic Technique,2016,42(1 1):108—1 11. A heading correction algorithm based on the main direction for pedestrian navigation Zhao Hui,Li Qing,Li Chao (Beijing Key Laboratory of High Dynamic Navigation Technology, Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100101,China) Abstract:Pedestrian navigation in a non beacon environment is a diiculft problem and a hot research topic in the field of naviga tion.Considering the portability and practicality of the system,the pedestian selrf-navigation system uses the inertil device fan po— sitioning.Aiming at the heading divergence problem of the current pedestiran inertil naviagation system,a heading correction algo— rithm based on the main direction under the foundation of Heuristic Drift Elimination is proposed.It is a fact that most of the cor— ridors and the paths in the man-made buildings are perpendicular or parallel to each other. e heading direction is divided into eight directions.The diference between the current heading and the main direction iS as the observation valHe when the pedestian ris walking along a straight line.Then the filter is used to correct the heading angels.Single rectangle and double rectangle tests 82ee done.The results show that the algorithm can correct the heading direction efficiently and the location error is about 1%2%of total travel distance. to Key words:indoor pedestirn naviagation;gyroscope drift;heading correction;main direction;Kalman filter O引言 行人导航系统(PNS)主要用于跟踪人员的实时位置 信息。基于微机电惯性测量单元(MEMS IMU)的行人导 平等人提出采用视觉陀螺仪的方法 ;英国诺丁汉大学 ABDULRAHIM K等人提出利用建筑物的结构信息来修正 行人航向信息的方法[41;美国密歇根大学BORESTEIN J 航定位系统由于其不受环境约束、使用灵活和鲁棒性好 等优点,在应急救灾、反恐安全以及日常生活等方面均 具有较高的应用价值川。 等人提出启发式漂移消除算法,利用行人走直线时航向 角的变化量对陀螺仪输出进行校正(51。但以上方法的修 正效果不够理想,算法复杂且实时性较差。 为了解决行人惯性导航中航向角发散的问题,在不 行人惯性导航系统通常采用陀螺仪来估计航向,由 于陀螺仪存在漂移误差,航向修正问题一直是国内外研 究的热点。如南京航空航天大学曾庆化等人提出了一种 蜂窝网格粒子滤波算法 ;中国科学院光电研究院公续 基金项目:国家自然科学基金(61471046);北京市教委市属高校创新能 力提升计划项目(TJSHG2Ol51o772017) 引入外部信息的情况下,本文提出了一种基于主方向的 航向修正算法,相比于启发式漂移消除算法中利用二进 制积分控制器对陀螺仪的角速率进行修正的方法,本文 直接对航向角误差进行估计,并将差值作为观测量,利 用卡尔曼滤波器对航向进行修正,算法更加简练实用。 108 欢迎网上投稿WWW.ChinaAET.corn 《电子技术应用》2016年第42卷第11期 lIl《ill《lli《ilili《li i 1计步检测与步长估计 1.1计步检测 Compute Teehn。I。gy and Its Applicati。ns 本文认为步长估计应采用非线性模型进行估计更 为准确,并且非线性模型只有一个训练参数,更易于进 行实时的步长估计,所以在进行单步距离计算时采用非 线性模型。 采用行人航位推算(PDR)的方法进行位置解算,首 先要进行准确的计步检测,即判断行人是否跨步,然后 再进行步长估计。计步检测主要利用加速度计信号,为 了提高检测的鲁棒性,将三轴加速度信号作如下处理: ,_— —r—r 2航向估计与修正 2.1航向估计 叻D=V口 +0 +n; (1) 基于PDR的行人导航系统的导航精度主要由步长 其中,∞。为三轴合成加速度, 、 、 分别为三轴加速度 信号。采用滑动平均滤波对合成加速度进行处理,以消 除其中的噪声信息。 常用的计步检测方法有:峰值检测、平区检测法和 过零检测法【 。简便起见,本文采用峰值检测法来进行 计步检测。为提高检测的准确率,特别加入以下两个约 束条件: (1)加速度峰值必须大于阈值,避免因身体抖动带来 的虚检测; (2)两连续峰值之间的时间间隔必须大于设定阈值, 去除一步中多峰值的情况。 峰值探测效果图如图1所示,图中圆圈表示峰值 点,一个圆圈代表一步。 吕 直 dⅡ 图1峰值探测 从图1可以看出,共有35个圆圈,表明行走了35 步,与实际行走步数吻合,说明该计步探测算法具有较 高准确率。 1.2步长估计 常用的步长估计模型主要分为:线性估计模型和非 线性估计模型。 线性步长估计模型如下所示: SL=a+b xSF+c xSV (2) 式中,sL为估计步长,SF为步频,SV为每一步的加速度 方差,。、b、C为回归参数。 非线性步长估计模型如下: SL:VA 一A血× (3) 式中,A一、A 分别为一步中加速度的最大值和最小值, k为经验常数,通过实际测试确定。 《电子技术应用》2016年第42卷第11期 估计精度和航向估计精度决定。考虑到算法精度,本文 采用四元数法来解算航向角。 在初始时刻,定义3个姿态角为0,利用式(4)初始 化四元数,其中 、 、 。分别为初始的航向角、俯仰角 和横滚角,公式左边为初始四元数。 当陀螺仪数据更新后,利用二阶龙格库塔算法求解 四元数微分方程,进行四元数的更新。四元数微分方程 如式(5)所示,其中 、 为3个轴的角速率,Q为t 时刻的四元数。 ^ 四元数更新完毕,便可以求解出姿态转换矩阵c , 求解公式如式(6)所示。 cos孚cos争cos争+sin孚sin争sin芋 A(0) cosp1(0) 孚cos争sin芋-0 sin孚sin争cos芋 p2(0) cosP3(0) 孚sin争cos争-§c O si。 n孚cos争sin芋 sin孚cos争cos芋…s§|o 孚sin争sin争 一 监一 一 ・ dz 2 (Ox O Az+p 一p 一p;2(p。p。+xp,) 2(p p,一却:) CE= 2(P p:一Ap,)A:+p 一p 一p 2 p,+Ap ) 2(plp3+ap2) 20,2p3-Ap1)A +p 一p 221一p 2 (6) 姿态转换矩阵得到后,利用式(7)求出航向角。其中 为航向角, (n)表示姿态矩阵的第i行、第J列的元 素。 …( ) 通过以上步骤的解算,便可以利用陀螺仪的角速率 输出来得到行人的航向角,但陀螺仪的输出会随着时间 而产生漂移,从而影响航向角的解算精度。为了抑制由 于陀螺漂移而产生的航向角发散现象,需要采用相关手 段对航向角进行修正。 2.2基于主方向的航向修正算法 陀螺仪的输出误差会随着时间而不断增大,在不使 109 l Computer Technology and Its Applications 用外部辅助信息(如GNSS、地图)的情况下,通常采用零 角速度修正(ZARU)、启发式随机漂移消除法(HDE)[5 和磁力计进行偏航角的校正。 估计量 ,如式(13)所示,然后利用式(14)结合行人的 步长信息进行行人位置的推算。 本文在HDE算法的基础上,提出了基于主方向的 航向修正算法。首先假设行人在室内环境行走时遵循8 个主方向的原则,即可选移动方向呈一个“米”字型,如 图2所示。 ) . { ( )= ( 一 )+SLxcos( ( )) Iy( )=Y(i-1)+SLxsin( )) 式中, 、y为位置坐标,SL为步长, 为估计航向。 f14) HDE算法在计算航向角 过程中,只利用了陀螺仪数 据,但角速率直接积分会产 3实验与结果 为验证提出的航向修正算法的有效性,本文利用自 研的MIMU导航模块进行室内行人定位实验,将模块固 定在腰部,设定行走轨迹为一个矩形,实际的效果图如 \ / 生累积误差,另外系统对用 来修正角速率的反馈系数比 较敏感,导致系统的鲁棒性 { / ’ \一}  较差。而本文直接对航向角 (一180) 进行处理,将解算得到的航 向角与当前主方向的差作为 图2主方向划分 观测量进行卡尔曼滤波,从而对航向角进行修正。 当行人按直线或接近直线的线路行走时,相邻两步 的航向角变化是非常小的。行人进行转向时,当前步的 航向角相对于前一步的航向角会发生巨大变化,因此可 以利用相邻步之间航向角的突变来探测行人的转向活 动。为了保证转向探测的正确率,本文采用3个相邻步 问的航向变化情况来探测转向运动,公式如下所示: m 1 f1 < (8) 【0 其他 式中,m表示行走路线状态,1代表直线,0代表转弯; 表示当前步的航向角, 一 和 一 分别表示前一步和前 两步的航向角, 表示偏差阈值。通常情况下,设定角 度值l0。作为阈值。 当判断行人走直线时,计算当前航向角与当前主方 向差值,将差值作为观测量进行卡尔曼滤波。 设置9维误差状态向量,如下所示: =【6 8v 】 (9) 式中 =【 却6朔,为3个姿态角误差向量;8v =【面 面,面 】为三轴速度误差向量;£ =[ s, ]为三轴角速 度误差向量。 建立的误差状态方程如下所示: = l 一1-I-Fk一1 W 一1 (10) 式中 .¨是状态转移矩阵, 一。和w 一。分别是噪声强 度矩阵和噪声矩阵。 针对航向角误差的观测方程如下所示: z, 』=6 =j5 + = + ( ) (1 1) 其中, 为航向角观测噪声矩阵。 =[0 0 1 0 0 0 0 0 0 0] (12) = +6 (13) 利用滤波后的航向角偏差量6哕得到较好的航向角 ll0 欢迎网上投稿WWW.ChinaAET.corn 图3所示。 g 褪 距离/m 图3单矩形轨迹行走效果图 图3可以看出,未修正的虚线轨迹的航向角一直在 偏移,导致最后形成的是平行四边形的轨迹,而修正后 的轨迹虽然与真实轨迹仍存在一定误差,但已较好地接 近实际轨迹,并且误差为总行进路程的1%,说明本文的 航向修正算法具有较好的修正效果。 为了进一步验证本文算法的修正效果,另外进行了 两圈矩形行走实验,实际效果如图4所示。 昌 、 键 X距离/in 图4双矩形轨迹行走效果图 图4中可以看出,未修正的虚线轨迹严重偏离,两圈轨 迹的重复性也较差;采用本文算法修正的实线轨迹较好地 接近实际行走的矩形轨迹,并且两圈的重复性也较好,最终 误差为总行程的2-3%,进一步验证了本文算法在航向上起 到了一定的修正效果,提高了行人导航定位的精度。 4结论 航向发散问题是行人导航定位的主要误差源之一, 《电子技术应用》2016年第42卷第11期 ● Computer Technology and Its Applications 为了抑制由于陀螺漂移而带来的航向误差问题,本文在 启发式漂移消除算法(HDE)的基础上,提出了基于主方 向的航向修正算法,将行人航向划分为8个主方向,当 检测到行人在沿类直线轨迹行走时,将行人当前航向与 当前主方向的差值作为观测量进行卡尔曼滤波,从而实 现对航向的修正。 实验结果表明,本文算法能够较好地修正行人航向 【4】ABDULRAHIM K,HIDE C,MOORE T,et a1.Aiding low cost inertial navigation with building heading for pedestrian navigation[J】.Journal of Navigation,2011,64(2):219—233. [5】BORENSTEIN J,OJEDA L,KWANMUANG S.Heuristic reduction of gym dritf for pe ̄onnel tracking systems[J】. Journal of Navigation,2009,62(1):41—58. [6]PARK J,KIM Y,LEE J.Waist mounted Pedestiran Dead- 角以及运动轨迹,从而提高行人导航的定位精度。但本 文算法不适合在空旷环境中行人随意行走的情况下使 用,在以后的工作中,考虑引入绝对位置信息,如地图信 息[71,或结合其他室内定位方法,如WiFi、UWB等,进一 步改善行人惯性导航的航向问题,提高导航定位精度。 参考文献 【1】申崇江,冯成涛,崔莹,等.穿戴式室内行人航位推算系 统研究【C】.第五届中国卫星导航学术年会论文集一S9组 合导航与导航新方法,2014. 【2】曾庆化,万骏炜,刘建业,等.基于蜂窝网格粒子滤波的行 Reckoning system[C].Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence(URAI),2012 9th International Conference on. IEEE,2012:335-336. [7】胡安冬,王坚,高井祥.一种基于地图匹配辅助行人航位 推算的室内定位方法[J】.测绘科学技术学报,2014(5): 529-532. (收稿13期:2016—03—29) 作者简介: 赵辉(1992一),男,硕士研究生,主要研究方向:行人自 主导航与定位。 李擎(1964一),通信作者,女,博士,教授,主要研究方 向:高动态导航与控制,E—mail:liqing@bistu.edu.cn。 李超(1990一),男,博士,主要研究方向:室内定位技 人导航航向估计方法[J】.中国惯性技术学报,2014(5): 576—579. 【3】公续平,魏东岩,李祥红,等.一种面向智能终端的视觉 陀螺仪/PDR/GNSS组合导航方法【C].第六届中国卫星导 航学术年会,2015. 术、组合导航算法。 (上接第107页) 机行业健康发展。 参考文献 [1】李丽萍.计算机网络数据库的安全管理技术分析[J】.科技 与企业,2014,11(4):97-97,99. 性,说明最有效的数据包Ⅳ在接收完毕后存储在云端, 若期间出现问题,云端只保存N一1个数据包。因文中探 讨的加密方法选取数据包长度具有随意性的特点,想要 完成续传点定位,只能限定在每个数据包源数据长度相 同的情况下。因此,可借助服务端对保存的数据实施读 取操作。由第一个数据包开始,通过RSA密钥展开解密 后,读取操作前32 bit值设计为L1,与之相连的32 bit 值为L2,从而跳过L1+L2字节。重复上述过程,获取语 段某个上传数据包的数量Ⅳ,上传段由(Ⅳ+1)×分包字 节数开始进行续传。 【2】穆俊.基于云平台的并行关联规则挖掘算法分析【J].现代 电子技术,2015,23(11):123—125. 【3】原野,肖周曼,邢劭谦,等.计算机网络安全分析研究[J】. 网络安全技术与应用,2015,15(9):13,16. 【4】嵇潇锋.浅析计算机网络安全现状及改进措施[JJ.中小企 业管理与科技,2013,11(3):231—232. 【5】丘嵘,谭德.基于HTML5的混沌系统的数字化实现[J]. 现代电子技术,2014,19(13):50—52. 【6】罗拥华,邱尚明,姚幼敏,等.云计算背景下计算机安全 与上传续传操作设计类似,下载的数据实施续传时, 客户端计算可以收集明文数据包信息,并把所收集的数 据反馈给服务端,服务端遵循上节中的方法获取相同的 问题及对策【J].电子制作,2015,21(14):37—37,38. 【7】侯晶瑞,吴小明,,王绵斌,等.智能电网中云环境下的虚 数据包,由此点定位作为续传起始点执行续传操作。 3结论 基于云计算环境下网络安全问题越来越多,例如无 拟化技术【J】.网络安全技术与应用,2015,9(1):160. [8]傅颖勋,罗圣美,舒继武,等.安全云存储系统与关键技 术综述[J】.计算机研究与发展,2013,50(1):136—145. (收稿日期:2016—06—02) 法保障数据通信安全、身份认证存在的缺陷等,因此必 须有效解决网络安全问题,确保用户的安全。本文从计 算机网络安全存在的问题人手,介绍由星型拓扑结构、 作者简介: 滑翔(1973一),男,硕士,副教授,主要研究方向:计算机 负载均衡机制等方面设计安全存储系统,以此确保计算 影视多媒体技术。 1l1 《电子技术应用》2016年第42卷第11期 

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