基于地标点匹配的高精度室内定位算法.pdf
《基于地标点匹配的高精度室内定位算法.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于地标点匹配的高精度室内定位算法.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第32卷第2期 中国惯性技术学报 Vol.32 No.2 2024 年 02 月 Journal of Chinese Inertial Technology Feb.2024 收稿日期:收稿日期:2023-06-01;修回日期:修回日期:2023-11-12 基金项目:基金项目:高新工程重大专项(5140501B0203)作者简介:作者简介:周凌柯(1973),女,副教授,硕士生导师,主要从事故障监控、数据协调、室内定位的研究。文章编号:文章编号:1005-6734(2024)02-0132-07 doi.10.13695/ki.12-1222/o3.2024.02.004 基于地标点匹配的
2、高精度室内定位算法 基于地标点匹配的高精度室内定位算法 周凌柯,鲜 委,龚文龙,李 胜(南京理工大学 自动化学院,南京 210094)摘要:摘要:针对基于惯导的行人室内定位算法定位误差大的问题,提出了一种基于地标点匹配的行人高精度三维室内定位算法。该算法仅使用惯性测量单元(IMU)这一单一传感器,包含速度约束、航向角约束、水平位置约束和高度约束四个模块。水平位置约束模块可根据航向角变化实时检测并建立地标点,并设计了一种地标点匹配度函数,提高了地标匹配的准确度。多楼层行走实验表明所提算法能够提升行人室内定位精度,其终点误差为 0.3421 m,相较于 ZUPT 算法和 ZUPT+HDE 算法分别
3、减小了82.6%和 68.3%,具有一定的工程应用价值。关 键 词:关 键 词:室内定位;卡尔曼滤波;航向角约束;地标点 中图分类号:中图分类号:TP212.9 文献标志码:文献标志码:A High-precision indoor positioning algorithm based on landmark matching ZHOU Lingke,XIAN Wei,GONG Wenlong,LI Sheng(School of automation,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)Abst
4、ract:Aiming at the problem of large positioning error of inertial navigation system based pedestrian indoor positioning algorithm,a high-precision three-dimensional indoor pedestrian location algorithm based on landmark matching is proposed.The algorithm only uses the inertial measurement unit(IMU)a
5、s a single sensor and includes four modules of speed constraint,heading constraint,horizontal position constraint and height constraint.The horizontal position constraint module can detect and establish landmark points in real-time according to the changes of heading angle,and a landmark matching de
6、gree function is designed to improve the accuracy of landmark matching.The multi-floor walking experiment shows that the proposed algorithm can improve the accuracy of pedestrian indoor positioning.Compared to the ZUPT algorithm and the ZUPT+HDE algorithm,the terminal point error of the proposed alg
7、orithm is only 0.3421 m,which is reduced by 82.6%and 68.3%respectively,and has certain engineering application value.Key words:indoor positioning;Kalman filtering;heading constraint;landmark 行人导航系统又称单兵导航系统,用于实时提供行人的速度、位置等导航信息1,是单兵数字化系统的重要组成部分。全球定位系统(Global Positioning System,GPS)在室外定位中具有广泛的应用,但是在室内环
8、境下,卫星信号会由于遮挡和多路径效应而不可用,这就使得行人室内定位具有挑战性。基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)具备自主性好、体积小、质量小、便于携带等特点2,因此被广泛应用于行人导航系统。基于 IMU 的行人的室内定位广泛使用零速检测(Zero Velocity Update,ZUPT)与行人航迹推算(Pedestrian Dead Reckoning,PDR)算法,但这些定位算法只能得到行人的相对位置与相对航向,并且定位误差会随着时间而累积,导致定位效果变差3
9、。为了抑制行人室内定位中航向角漂移的问题,第 2 期 周凌柯等:基于地标点匹配的高精度室内定位算法 133 Borenstein 提出了启发式航向角削减(Heuristic Drift Elimination,HDE)算法。基于建筑多为矩形这一事实,将建筑方向定义为主方向,通过主方向来约束航向角4;Jimenez 则对 HDE 算法进行改进,只有检测到行人正在直行时才会执行 HDE 算法,从而减小行人在非主方向上行走时 HDE 的过度修正5;针对 HDE方法中判断直行需要设定阈值的问题,Muhammad 提出了一种无阈值的转弯检测技术6。然而传统的 HDE方法只是将航向角的主方向在 360 内
10、等间隔地分割为 4 个或 8 个,若行人在非预设的主方向上直行,则HDE 方法无法起到修正作用。HDE 方法仅能对行人的航向角进行约束,可以增添超宽带7、蓝牙8、WIFI9、音频10等外接设备来辅助定位,但这些额外设备的部署与维护进一步增加了人力与财力的消耗。使用地标点辅助定位则具备成本低的优势,在室内定位领域,传感器输出呈现规律性变化的位置点被称为地标点11。Jimenez 将建筑物中出现的斜坡作为地标,事先建立包含斜坡位置信息的数据库,若检测到斜坡则对行人位置进行修正12。胡倩针对不同类型的地标点设定了置信度的计算公式,提高了匹配的准确率13。然而传统的地标点辅助定位需要事先将地标与位置相
11、关联,并不适用于未知环境。考虑到纯惯导解算时高度通道并不稳定,因此需要额外的信息源去约束高度信息,通常使用气压计进行约束。Zhao 将气压计和 PDR 方法融合,通过气压计来计算垂直位移,解决了 PDR 只能实现平面二维定位的问题14;Jao 提出了一种结合气压计和超声波的混合高度计,并在楼梯、坡道等常见室内地形进行实验。在该高度计的辅助下,ZUPT 的导航精度相较于无辅助时提升 91%15,但是气压计解算的高度在温度、气压变化的情况下会急剧恶化。在分析上面所提问题的基础上,本文研究了行人室内行走时的特点,提出了一种基于地标点匹配的高精度室内定位算法。该算法使用 IMU 这一单一传感器,包含速
12、度约束、航向角约束、水平位置约束和高度约束四个模块,其中零速检测算法用来约束速度;增强型启发式偏移消除(Enhanced Heuristic Drift Elimination,eHDE)算法实时检测和建立主方向以约束航向角;实时建立地标点约束水平位置,并设计匹配度的计算公式以区分不同的地标点;基于阶梯高度的高度约束算法约束高度,实现了行人室内的高精度定位。1 融合滤波器设计 1 融合滤波器设计 本文采用卡尔曼滤波算法融合四个模块,该滤波器的框架如图 1 所示。图 1 融合滤波器架构 Fig.1 The structure of fusion filter 陀螺仪和加速度计的测量值被用来进行捷
13、联惯导解算。由于惯性传感器的误差会随着时间迅速增长,为了更好地描述惯导误差的传播规律,建立 15 维误差状态向量模型kX。TnnbbkkkkkkXvpa (1)其中,k 为k时刻的三个姿态角误差;nk v为东向、北向、天向的速度误差;nkp 为东向、北向、天向的位置误差;bk 为陀螺仪零偏向量;bka 为加速度计零偏向量。将惯导的解算结果当做预测量,不同的运动约束算法将会提供相应误差值的虚拟观测量,将预测量与观测量融合以对行人运动时的导航信息进行约束。2 模块设计 2 模块设计 2.1 速度约束 在足绑式行人惯性导航系统中,零速状态时支撑脚相对于地面是静止的,支撑脚上的速度应该为 0,但是由于
14、传感器本身以及惯导算法所带来的误差影响,导致此时的速度并不为 0,可以使用零速检测算法检测零速状态以对速度误差进行修正。本文使用文献16的姿态假设最优检测(Stance Hypothesis Optimal Detection,SHOE)算法进行零速检测,关于该算法本文不再赘述。若检测到当前时刻为零速状态,可得速度的虚拟观测量为:000nnnnENUvvvv (2)为了获得更完整的零速区间,对零速检测结果进行二进制均值滤波。图1中的“零速点”对应每个零速区间的第一个采样点,当前时刻为零速点是进行航向角约束、地标点约束以及高度约束的前提。2.2 航向角约束 2.2.1 传统的HDE HDE算法需
15、事先计算零速点时刻的步幅航向,设134 中国惯性技术学报 第 32 卷 第m个零速点在所有采样点中的序列号为 s m,s m时刻惯导解算的东向、北向位移分别为 x s m和 y s m,则第m步的步幅航向 sm可由相邻两个零速点的东向、北向位移表示1m:1arctan21sx s mx s mmy s my s m (3)该步的对应步长 SL m可以表示为:221+1SL mx s mx s my s my s m(4)由“静止”向“运动”过渡可能会出现伪零速点,这些伪零速点的特征是计算的步长过小。设定步长阈值0.15mSLth,筛除步长小于该阈值的零速点。使用主方向的前提是当前时刻为直行状态
16、,设定直行标识符为 SLP m,角度阈值18th,由相邻四个步幅航向判断当前是否为直行状态3m:11maxmean 3:0otherwisessjjthSLP mfor jmm(5)取走廊方向为主方向,直行标识符为“1”时进行主方向匹配。设与步幅航向最接近的主方向为 1bm,角度阈值28th,满足 12abssbmmth时匹配成功,此时HDE算法提供的虚拟观测量为:1sbmm (6)2.2.2 改进的HDE算法 传统的HDE算法只能在预定义的直线路径上生效,而本文eHDE算法无需预设主方向,能够在行走过程中实时建立主方向,新的主方向new可由相邻四步的步幅航向确定3m:34msj mnewj
17、(7)检测到行人正在直行,则遍历主方向数据库。如果主方向数量为0,则直接建立新的主方向new。如果主方向的数量不为0,则搜索与当前步幅航向最接近的主方向为 1bm,满足 12abssbmmth时用 1bm对航向角进行修正。如果不满足修正条件,则搜索与new最接近的主方向为 2bm,满足 22abs2newbmth时建立新的主方向new,否则不建立新的主方向。为了减小行人在非主方向上直行造成的误修正影响,使用自适应量测噪声进行航向角误差的量测更新,该量测噪声的标准差如式(8)所示。eHDE=exp()(8)其中,eHDE0.013;7。的绝对值越小,卡尔曼滤波对该观测量的置信度越高,即当前的步幅
18、航向与主方向越接近,eHDE的修正作用越明显。eHDE算法的流程图如图2所示。图 2 eHDE 算法流程图 Fig.2 The algorithm flow chart of eHDE 2.3 地标点约束 2.3.1 改进的地标点算法 行人在室内建筑物行走时,在某些特定的区域传感器输出会出现规律性的变化。例如在两条直型走廊相交的拐角处航向角会出现90 左右的变化,而在两个楼梯梯段交接处的平台会出现180 左右的变化,可以把这些位置点视为地标点,对行人导航的位置信息进行修正。经过对建筑结构的分析,本文设定90 与180 这两种类型的地标点。相较于传统的地标点约束算法,本文的地标点约束算法包含两个
19、改进。一是基于航向角的变化实时检测并建立地标点,无需预知地标点的位置。检测到的地标点可以分为初次访问和重复访问两种情况:将初次访问的地标点纳入地标点数据库,与IMU解算的位置进行关联;重复访问时则用已有的地标点信息进行位置修正。虽然IMU解算的位置存在误差,但是该位置由先前时刻的惯导数据解算,其不确定程度小于重复访问时刻,因此基于该信息进行位置修正可以提高定位精度。第二个改进则是设计了一种地标点匹配函数,检测到地标点后取匹配度最高者进行位置修正,避免了单纯以位置区分地标点造成的区分度低、误匹配率高的问题,提高了地标匹配的准确率。考虑到建筑物的结构在不同的楼层上存在强对称性,本文的地标点仅关注东
20、向、北向这二维位置信息,第 2 期 周凌柯等:基于地标点匹配的高精度室内定位算法 135 行走过程中高度方向的位移则通过其他算法进行约束。2.3.2 角度条件 本文的地标点约束算法通过角度条件去检测地标点。地标点检测需要分析相邻两个零速点步幅航向的角度增量,已知第m步与第1m步的步幅航向分别为 sm与1sm,则 第m步 的步 幅航 向增 量 sm可以表示为:1sssmmm (9)假设在地标点处经历的步数为N,事先进行的拐角实验表明该步数满足4,5,3,6,2N。易得地标点处的运动满足两个条件,一是对应N步的步幅航向增量具有相同的符号,逆时针经过拐角时,N步步幅航向增量的符号均为正,顺时针则均为
21、负。设条件一的标识符为 1LF m,则 1LF m可以表示为:111sign0otherwisemsj m NjNLF m (10)二是对应N步的步幅航向增量的总和应该接近特定的角度sum,本文sum为 90 或 180。设定条件二的角度阈值为3=8th,则条件二的标识符 2LFm可以表示为:sum3121abs0otherwisemsj m NjthLFm(11)第m步是否满足地标点检测的角度条件标识符为 LF m,只有条件一与条件二均满足时 LF m才为 1。12&LF mLF mLFm (12)由于角度条件是根据步幅航向是否变化特定的度数来检测地标点,故检测到地标点的时刻滞后于到达地标点
22、的时刻,所以纳入数据库的地标点不能与检测到地标点时输出的位置信息进行关联。设转向中途点 h为N步中满足 sum1abs2msj m Nm的第一个零 速点,则新纳入的地标点应该与h时刻输出的位置相关联。2.3.2 地标点匹配度计算 为了进一步提高地标点匹配的准确度,在角度条件的基础上,引入匹配度的概念。纳入新地标点时不仅会存储位置信息,llx y,也会存储初始步幅航向smN、末尾步幅航向 sm、地标点类型LT以及转向中途点h时刻卡尔曼滤波器输出的东向、北向位置误差的噪声方差2x和2y、以及该条地标点信息入库时的序列号ID。初始和末尾步幅航向将会用来进行匹配度计算,而噪声方差2x和2y将会在重复访
23、问地标点进行位置修正时作为东向、北向位置误差的量测噪声。设第m个零速点满足角度条件,此时遍历地标点数据库。如果此时数据库为空,该地标点肯定是初次访问;如果非空,遍历所有地标点信息,对于数据库中的第 c 个地标点,可得转向中途点h与其位置的欧式距离为cd。若起始航向角偏差为START,末尾航向角偏差为END,第c条地标点信息的类型为cLT,则可根据式(13)计算第c个地标点的匹配度cm。1START2END1cos1cos0otherwisedcccwwdLT mLTmw(13)其中,dw表示距离因素在匹配度中的权重系数;1w和2w表示方向因素所占的权重系数,并且满足121dwww。本文取1/2
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 地标 匹配 高精度 室内 定位 算法
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。