前語定位是感知運用的一個重要特點。在室內(nèi)環(huán)境中，假如方位信息可用并十分牢靠，有更多的運用場景能夠完成的。行人航位核算(PDR) 就是這樣一種技能，在室內(nèi)環(huán)境中可供給行人航位信息并進(jìn)步定位牢靠性。慣性傳感器、磁力計和壓力傳感器是航位核算運用中必不可少的傳感器組件，用之可大幅提高導(dǎo)航功能，這些器件的功耗有必要極低，這樣才干始終保持敞開形式并供給數(shù)據(jù)用于航位核算運用。完成隨時隨地定位的方針離不開高質(zhì)量的MEMS傳感器和高功能的行人航位核算算法。本文首要評論各種行人航位核算算法上需求用到的傳感器組件的數(shù)學(xué)表述，以及可用性和牢靠性更高的PDR行人航位核算算法的測驗成果。定位技能概述全球?qū)Ш叫l(wèi)星體系(GNSS)接收器已成為室外導(dǎo)航處理方案的常用電子元器件，今日簡直每一臺智能手機(jī)內(nèi)部都有一個這樣的衛(wèi)星接收器芯片，可完成各種與方位相關(guān)的移動效勞，其間包含導(dǎo)航、愛好點查找和地圖。
用戶開端等待他們的設(shè)備在所有環(huán)境中都能供給方位信息，可是他們一般疏忽衛(wèi)星信號是不能穿透商廈和候機(jī)樓的墻面和房頂這個事實。建筑材料會使全球?qū)Ш叫l(wèi)星體系信號衰減變?nèi)?，即便高靈敏度接收器也無法在室內(nèi)收到定位信息?，F(xiàn)在業(yè)界正在開發(fā)不同的行人航位核算處理方案，大都選用無線發(fā)射器充任信標(biāo)，運用三角丈量法核算接收器的方位。這些處理方案運用室內(nèi)環(huán)境中的Wi-Fi接入點(AP)定位。類似的處理方案還包含運用藍(lán)牙發(fā)射器、GSM和其它手機(jī)發(fā)射器或?qū)Ｓ眯艠?biāo)，例如Nextnavfor室內(nèi)定位設(shè)備。這些技能整合運用效勞器等基礎(chǔ)設(shè)施傳送的輔助GPS/GLONASS數(shù)據(jù)、星歷擴(kuò)展數(shù)據(jù)和Wi-Fi接入點(AP)方位數(shù)據(jù)。此外，還有一種運用MEMS傳感器(加速度計、磁力計、陀螺儀和高度計)核算方位數(shù)據(jù)的室內(nèi)導(dǎo)航技能。今日簡直所有的智能手機(jī)、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)、健身產(chǎn)品等便攜消費電子產(chǎn)品都配有MEMS傳感器。
這些傳感器合作行人航位核算(PDR) 技能能夠斷定用戶方位。每項室內(nèi)定位技能都有其利益和短板。數(shù)據(jù)整合依照定位精度和功耗要求，微控制器整合處理各類信息源送來的信息，然后將具有不斷定性的單一方位值供給給運用。運用信賴參數(shù)、相關(guān)參數(shù)和曩昔丈量數(shù)據(jù)核算每個方位，權(quán)衡Wi-Fi、藍(lán)牙、行人航位核算和全球?qū)Ш叫l(wèi)星體系等多個技能送來的信息，數(shù)據(jù)整合算法在其間發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在室外，全球?qū)Ш叫l(wèi)星體系接收器送來的方位信息精度杰出，不斷定性低。當(dāng)控制器運用的丈量數(shù)據(jù)是來自用戶鄰近的Wi-Fi接入點時，方位核算信號強度高，Wi-Fi體系送來的方位估測數(shù)據(jù)精度也就比較高(相關(guān)不斷定性低)。
不過，Wi-Fi接入點數(shù)據(jù)庫(包含Wi-Fi接入點方位數(shù)據(jù)及其不斷定性數(shù)據(jù))的質(zhì)量也會影響定位精度。PDR行人航位核算不依賴任何外力幫忙，無需任何外部基礎(chǔ)設(shè)施合作，就能發(fā)生準(zhǔn)確的相對方位定位信息。因而，其特點與肯定定位技能優(yōu)勢互補，例如，全球?qū)Ш叫l(wèi)星體系或根據(jù)Wi-Fi的導(dǎo)航體系。因而，PDR行人航位核算適用于混合體系，能夠在室內(nèi)環(huán)境斷定用戶方位，定位的準(zhǔn)確度、可用性和牢靠性更高。
行人航位核算移動設(shè)備中的MEMS傳感器因遭到數(shù)據(jù)漂移和噪聲的影響，會引起根據(jù)積分運算辦法的傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航體系呈現(xiàn)難以處理的位移和姿勢差錯。在行人航位核算運用中，傳統(tǒng)積分運算導(dǎo)航辦法作用不抱負(fù)，由于與人體運動相關(guān)的雜亂動力學(xué)很難建模，將其用于運算有不小的難度。
在曩昔十年中，業(yè)界首要開宣布兩種很有遠(yuǎn)景的室內(nèi)環(huán)境行人導(dǎo)航辦法，一種在參閱文獻(xiàn)[1]論說的根據(jù)零速率更新的INS-EKF-ZUPT (IEZ)慣導(dǎo)辦法，另一種是包含腳步檢測、步長預(yù)算和航向算法的根據(jù)人類步行動力學(xué)的慣導(dǎo)辦法。根據(jù)零速率更新的(ZUPT)的辦法根據(jù)一個假定和一個物理現(xiàn)象，即假定慣性傳感器是安裝在腳上，且每邁出一步后都是暫時停止?fàn)顩r。本文首要評論通用性更強的辦法。從通用導(dǎo)航方程式[2]能夠推出行人航位核算進(jìn)程的數(shù)學(xué)表述。在進(jìn)行兩次積分運算后，渠道加速度變成了北東坐標(biāo)系的方位，能夠?qū)憺椋?br style="font-family: "sans serif", tahoma, verdana, helvetica; font-size: 12px; white-space: normal;"/>
方程式1
其間，(t)是位移，(t)是航向。在行人腳步間隔期間，假定速度和航向是常量?？紤]到折線法，方程式1可改寫成：
方程式2
方程式2表述航位核算(DR)算法，該辦法是根據(jù)步數(shù)核算，而不是加速度和角速率的積分運算。方程式2的航位核算進(jìn)程有三個要素：1)在t-1 (Et-1, Nt-1)時終究一次已知的用戶肯定方位(用東北坐標(biāo)系表明)；2)從t-1到t(3.png)的步長；3)從時刻t-1開端的航向 (ψ) 能夠算出新方位相對已知方位(Et-1, Nt-1)的坐標(biāo)(Et, Nt)，如方程式2所示。咱們仔細(xì)觀察方程式2不難發(fā)現(xiàn)，行人航位核算精度取決于兩個要素：1)行走間隔的核算，2)用戶航向(或方向)在行人航位核算原理中，行走間隔的核算辦法是檢測預(yù)算行人每行走一步的步長，然后累計步長預(yù)算值。準(zhǔn)確地預(yù)算全球用戶的步長是一項具有挑戰(zhàn)性的使命?，F(xiàn)在業(yè)界開宣布了多個步長準(zhǔn)確預(yù)算模型，見參閱文獻(xiàn)[3][4]。圖1所示是含有各種組件的行人航位核算體系框圖。慣性傳感器數(shù)據(jù)通過校準(zhǔn)監(jiān)督邏輯處理，以保持對加速度計和陀螺儀丈量差錯和標(biāo)度系數(shù)的準(zhǔn)確預(yù)算。磁強計數(shù)據(jù)通過校準(zhǔn)監(jiān)督模塊處理，以決定是硬鐵參數(shù)仍是軟鐵參數(shù)。磁力計數(shù)據(jù)監(jiān)督的另一個意圖是斷定丈量數(shù)據(jù)有無磁性攪擾數(shù)據(jù)，避免磁攪擾影響校準(zhǔn)參數(shù)。
圖 1 行人航位核算框圖
腳步檢測算法運用形式匹配法與人類步態(tài)模型特征匹配。加速度形式跟著設(shè)備帶著方位（褲子口袋、腰帶包、襯衫口袋）不同而改變。載物方位斷定模塊用于斷定設(shè)備常用寄存方位，例如，手里拿著擺臂走路；舉在頭部鄰近，放在褲子口袋、襯衫口袋、腰帶包、雙肩背包里。用戶航向是行人航位核算方程式的第二個術(shù)語，包含設(shè)備航向和用戶行走方向。核算設(shè)備航向需求運用通過歪斜批改的羅盤丈量值。不過，由于外部磁擾會影響羅盤的功能，完全依賴羅盤的丈量值不現(xiàn)實，這是咱們選用一個數(shù)據(jù)整合濾波器又稱姿勢濾波器，整合磁力計、陀螺儀和加速度計數(shù)據(jù)的首要原因。姿勢濾波器能夠核算設(shè)備在人體坐標(biāo)系相對大地參閱坐標(biāo)系的方向。由于這個數(shù)學(xué)表達(dá)式比較緊湊，所以設(shè)備方向用四元數(shù)表明，與Euler視點或 9 X 9 方向矩陣比較，四元數(shù)更具有數(shù)字穩(wěn)定性。姿勢濾波器根據(jù)擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF)概念，以處理外部磁場強度不斷改變和用戶在常用情況下導(dǎo)致的設(shè)備動態(tài)運動對航向的影響。由于航向?qū)φw定位精度的影響巨大，所以有必要仔細(xì)考慮傳感器隨機(jī)噪聲、差錯、差錯不穩(wěn)定性、非線性以及其它的可能下降體系功能的要素。低噪聲磁力計的重要性在3-D空間正常旋轉(zhuǎn)設(shè)備時，傳感器各軸受地磁場強矢量影響，咱們運用此刻收集到的丈量數(shù)據(jù)核算磁強計校準(zhǔn)參數(shù)(硬鐵和軟鐵)。偏移預(yù)算精度與磁強計數(shù)據(jù)中的噪聲信號直接關(guān)聯(lián)。假如磁力計的噪聲十分高，偏移預(yù)算精度將會變差，終究將會影響航向預(yù)算成果。偏移預(yù)算差錯對高緯度區(qū)域定準(zhǔn)更加重要，由于高緯度區(qū)域磁場水平場強較弱。即便在水平場強中等區(qū)域，1 ?T偏移差錯能夠引起5度的航向差錯，這關(guān)于行人航位核算運用是一個不小的差錯。行走視點斷定姿勢濾波器用于核算設(shè)備在身體坐標(biāo)系內(nèi)的航向。不過，設(shè)備可能隨意置于用戶身體某一方位，姿勢濾波器航向與用戶航向或行走方向并不共同，如圖2所示。
圖2行走方向
行走視點α的核算運用了行人運動的身體特征以及加速度波形的周期特征和統(tǒng)計學(xué)。測驗成果咱們選用加速度計和陀螺儀模塊(LSM6DSM)、磁強計(LSM303AGR)和壓力傳感器(LPS22HB)和STM32微控制器開宣布一個行人航位核算處理方案，這個由傳感器、微控制器和藍(lán)牙組成的硬件參閱設(shè)計叫做SensorTile? (概況拜訪www.ST.com)，能夠運用一個安卓運用在手機(jī)上實時顯現(xiàn)行人航位核算軌道輸出。六軸傳感器LSM6DSM(加速度計 + 陀螺儀)正常作業(yè)形式下功耗小于400 ?A。在這個傳感器模塊內(nèi)，陀螺儀的角速率噪聲密度為3.8 mdps /√Hz。加速度計噪聲密度為90 ?g /√Hz。磁力計的RMS噪聲為3 mGauss，選用AMR技能，無溫度漂移問題，在高分辨率形式下，作業(yè)電流小于200 ?A。壓力傳感器RMS噪聲為0.0075 hPA，溫度漂移0.1 hPa。上文描繪的傳感器的噪聲特性和偏移穩(wěn)定性，合作穩(wěn)健牢靠的高功能行人航位核算算法，能夠完成隨時隨地定位的方針。下圖3所示是某些常用場景行走測驗軌道。
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