CN109297495A

CN109297495A - 一种行人导航定位方法和行人导航定位系统

Info

Publication number: CN109297495A
Application number: CN201811107486.3A
Authority: CN
Inventors: 贾铮洋; 张伦东; 吕志伟; 高扬骏; 周朋进
Original assignee: Information Engineering University of PLA Strategic Support Force
Current assignee: Information Engineering University of PLA Strategic Support Force
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2019-02-01
Anticipated expiration: 2038-09-21
Also published as: CN109297495B

Abstract

本发明提供一种行人导航定位方法和行人导航定位系统，属于行人导航技术领域。该方法包括：1)令佩戴MIMU设备的行人沿直线行走定位预定步数：采集每步的MIMU数据，经解算得到MIMU坐标系下行人的每步相对坐标，计算初始相对航向；采集每步的卫星导航数据，经高斯正算得到高斯坐标系下行人的每步绝对坐标，计算初始绝对航向；记录行人初始位置的绝对坐标；计算初始转换关系；2)根据行人继续行走时在MIMU坐标系下的每步相对坐标，结合所述初始转换关系和行人初始位置的绝对坐标，在高斯坐标系下计算行人每步的位置信息。本发明利用卫星定位提供绝对航向信息，将行人在MIMU坐标系下的每步相对坐标转换为高斯坐标系下的绝对坐标，实现了行人导航的绝对定位。

Description

一种行人导航定位方法和行人导航定位系统

技术领域

本发明涉及一种行人导航定位方法和行人导航定位系统，属于行人导航技术领域。

背景技术

行人导航系统固联在使用者的鞋上，主要用于跟踪定位徒步行走人员的实时位置，并通过无线通讯传输给监控单元，实时监测人员的位置变化。在各种导航定位设备中，微惯性测量单元MIMU以其低成本、小体积、自主性强以及良好的环境适应能力等优点成为行人导航系统的理想设备。但是由于微惯性器件工作时误差发散严重，在导航期间如果不能得到有效修正，位置误差会以时间三次方的趋势发散，最终行人导航系统将丧失导航功能，因此，将微惯性系统应用于行人导航定位的最大难点在于有效的修正误差。

目前，基于微惯性测量单元MIMU的行人导航系统主要有两种算法：PDR(Pedestrian Dead-Reckoning)算法和SINS(Strap-down Inertial Navigation System)算法。其中，PDR算法利用航向估计以及基于身高、步频等参数的步长估计，结合航迹推算的方法得到行人的位置信息；SINS算法通过零速修正ZUPT(Zero Velocity Update)辅助捷联惯导解算的方式实现定位导航，虽然能较大程度的消除导航误差，但是长时间导航之后航向仍会发散；而且利用上述算法得到的均是相对于MIMU自身参考系的位置坐标，即相对坐标，得到的航向信息也是相对航向，由于没有统一的坐标系，所以得到的这些相对坐标、相对航向的意义并不大。

发明内容

本发明的目的是提供一种行人导航定位方法和行人导航定位系统，用以解决现有基于MIMU的行人导航无绝对航向信息，不能实现绝对定位的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种行人导航定位方法，包括以下步骤：

1)令佩戴MIMU设备的行人沿直线行走定位预定步数：

采集行人每步的MIMU数据，通过解算得到MIMU坐标系下行人的每步相对坐标，计算得到初始相对航向；

采集行人每步的卫星导航数据，得到行人每步的经纬度坐标，通过高斯正算得到高斯坐标系下行人的每步绝对坐标，计算得到初始绝对航向；记录行人初始位置的绝对坐标

根据所述初始绝对航向与初始相对航向的角度差α得到初始相对航向到初始绝对航向的初始转换关系T；

2)根据行人继续行走时在MIMU坐标系下的每步相对坐标X^MIMU，结合所述初始转换关系T和行人初始位置的绝对坐标在高斯坐标系下计算得到行人每步的位置信息X₀；其中，

本发明还提供了一种行人导航定位系统，包括微惯性测量单元MIMU、卫星定位信号接收器、存储器和数据处理器；所述数据处理器用于运行存储在所述存储器中的程序指令以实现如下步骤：

1)令佩戴MIMU设备的行人沿直线行走定位预定步数：

本发明行人导航定位方法和行人导航定位系统的有益效果是：利用卫星定位提供绝对航向信息，并利用初始转换关系和行人初始位置的绝对坐标，将行人在MIMU坐标系下的每步相对坐标转换为高斯坐标系下的绝对坐标，实现了行人导航的绝对定位。

为了提高行人导航定位结果的准确性，作为对上述行人导航定位方法和行人导航定位系统的一种改进：还包括在行人行走过程中进行修正的步骤，令当前修正为第N次修正，N≥1：

(1)记录开始当前修正时行人的位置信息并令佩戴MIMU设备的行人沿直线行走修正预定步数：

采集行人每步的MIMU数据，根据前N-1次修正的转换关系，计算得到行人每步的位置信息，计算得到当前的相对航向；其中，N＝1时，前0次修正的转换关系为初始转换关系；

采集行人每步的卫星导航数据，得到行人每步的经纬度坐标，通过高斯正算得到在高斯坐标系下行人的每步绝对坐标，计算得到当前的绝对航向；

根据所述当前的绝对航向与当前的相对航向的角度差α_N得到当前修正的转换关系T_N；

(2)根据行人继续行走时在MIMU坐标系下的每步相对坐标X^MIMU，结合当前修正的转换关系T_N、前N-1次修正的转换关系、开始第1次修正时行人的位置信息和开始当前修正时行人的位置信息在高斯坐标系下，计算当前修正后的行人每步的位置信息X_N，其中，

为了更好地计算转换关系，作为对上述行人导航定位方法和行人导航定位系统的又一种改进：

所述初始转换关系T为矩阵：

所述当前修正的转换关系T_N为矩阵：

为了更好地对行人导航定位结果进行修正，作为对上述行人导航定位方法和行人导航定位系统的再一种改进：当满足修正条件时，进行修正；所述修正条件为卫星定位精度误差小于第一预设值，且航向偏差大于等于第二预设值；所述航向偏差为经前N-1次修正后，每修正条件预定步数对应的利用MIMU数据计算得到的相对航向与利用卫星导航数据计算得到的绝对航向的角度差的绝对值。

附图说明

图1是本发明的行人导航定位方法流程图；

图2是本发明的初始绝对航向角示意图；

图3是本发明的初始相对航向角示意图；

图4是本发明的初始绝对航向角和初始相对航向角在Gauss坐标系中的示意图；

图5是本发明的航向初始修正结果示意图；

图6是本发明的经航向初始修正后的行人导航定位示意图；

图7是本发明的经第1次航向重复修正后的行人导航定位示意图；

图8是本发明的经第2次航向重复修正后的行人导航定位示意图；

图9是本发明的行人导航定位结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

本发明行人导航定位方法的实施例

在进行行人导航定位时，首先将微惯性测量单元MIMU(即MIMU设备，以下简称“MIMU”)固定在行人足部，MIMU与手机之间通过蓝牙进行数据传输，手机实时采集MIMU的数据，并利用SINS算法对采集到的MIMU数据进行捷联惯导解算，得到行人每步相对坐标；同时手机实时接收卫星导航数据，得到行人每步的经纬度坐标，经高斯正算后，得到行人每步绝对坐标；手机实时存储行人每步绝对坐标和相对坐标。

Xⁱ＝(xⁱ,yⁱ)^T,i＝GNSS,MIMU (1)

其中，X^GNSS表示由卫星定位得到的行人每步绝对坐标，其坐标系为Gauss坐标系；X^MIMU表示由MIMU得到的行人每步相对坐标，其坐标系为MIMU坐标系。

作为其他实施方式，也可以采用PDR算法对采集到的MIMU数据进行解算得到行人每步相对坐标。

其次，检测卫星定位精度，在卫星定位精度误差小于5米，即满足Positioning_error<5m的条件下，记录行人初始位置的绝对坐标

接着，从行人初始位置沿直线行走10步(即沿直线行走定位预定步数)，记为10步直线行走；

然后，利用这10步直线行走对应的由卫星定位得到的绝对坐标(以下简称“10步卫星定位绝对坐标”)和这10步直线行走对应的由MIMU得到的相对坐标(以下简称“10步MIMU相对坐标”)，见公式(2)，实现行人导航的航向初始修正，航向初始修正原理如图2至图5所示。

式中，X(GNSS)、Y(GNSS)分别表示上述10步卫星定位绝对坐标的横、纵坐标的集合，X(MIMU)、Y(MIMU)分别表示上述10步MIMU相对坐标的横、纵坐标的集合。

如图2所示：在Gauss坐标系下，将上述10步卫星定位绝对坐标处理为基于行人初始位置的相对坐标，并进行最小二乘线性拟合，可得由卫星定位得到的初始绝对航向(以下简称“卫星定位初始航向”)，初始绝对航向角为

如图3所示：在MIMU坐标系下，将上述10步MIMU相对坐标进行最小二乘线性拟合，可得由MIMU得到的初始相对航向(以下简称“MIMU初始航向”)，初始相对航向角为

初始绝对航向角和初始相对航向角的求解公式为：

式中，k(GNSS)为上述10步卫星定位绝对坐标对应的真实斜率，为利用最小二乘线性拟合得到的k(GNSS)的估计值，为初始绝对航向角；k(MIMU)为上述10步MIMU相对坐标对应的真实斜率，为利用最小二乘线性拟合得到的k(MIMU)的估计值，为初始相对航向角。

如图4所示：由于图2和图3中均为每步的相对坐标，且点与点之间的相对关系与坐标系无关，因此可将图3中每步的相对坐标直接在Gauss坐标系中表示出来，此时虽然坐标系发生变化，但是点与点的相对关系并没有发生变化。

如图5所示：通过旋转的方式，利用航向初始修正旋转角α(即初始绝对航向与初始相对航向的角度差)使MIMU初始航向与卫星定位初始航向一致，实现行人导航的航向初始修正。其中，航向初始修正后，得到MIMU初始绝对航向角

航向初始修正旋转角α为：

最后，结合行人初始位置的绝对坐标和航向初始修正旋转矩阵T(即初始转换关系)，将行人继续行走时在MIMU坐标系下的行人每步相对坐标X^MIMU转换为经航向初始修正后，由MIMU得到的行人每步绝对坐标(即Gauss坐标系下行人每步的位置信息，以下简称“X₀”)，实现行人导航的绝对定位：

其中，航向初始修正旋转矩阵T为：

作为其他实施方式，当行人导航为三维定位时，所述初始转换关系为三维旋转矩阵。

由于仅经过航向初始修正后的行人导航绝对定位，随着导航时间的延长，其航向会由于MIMU工作时的误差发散没有得到有效修正而以时间三次方的趋势发散，因此需在航向偏差过大时，以卫星定位绝对航向为基准进行航向重复修正，同时对行人导航定位结果进行重复修正(即在行人行走过程中进行修正)。

航向重复修正条件(即修正条件)如下：

即当MIMU相对航向与卫星定位绝对航向的航向偏差Heading_error≥10^a(即航向偏差大于等于第二预设值)，且卫星定位精度误差小于5米(即卫星定位精度误差小于第一预设值)时，进行航向重复修正和对行人导航定位结果进行重复修正。

航向重复修正的原理与航向初始修正的原理类似。假设经过第N-1次航向重复修正实现一段时间的绝对定位后，在位置A处满足航向重复修正条件，则需进行第N次航向重复修正，N≥1。N＝1时，第0次航向重复修正表示航向初始修正。

其中，航向偏差的计算方法为：在经过第N-1次航向重复修正实现绝对定位的过程中，计算每5步(即每修正条件预定步数)对应的卫星定位绝对航向角与MIMU相对航向角之差的绝对值作为所述航向偏差。

第N次航向重复修正和对行人导航定位结果进行重复修正的过程如下：

首先，记录第N次满足航向重复修正条件的位置A的绝对坐标(即开始第N次修正时行人的位置信息)，其中，是经过第N-1次航向重复修正实现绝对定位的过程中，由MIMU得到的首次满足航向重复修正条件的位置A的绝对坐标。

接着，从位置A开始沿直线行走10步(即沿直线行走修正预定步数)，记为第N次10步直线行走，并记录这10步直线行走对应的由卫星定位得到的绝对坐标(以下简称“第N次10步卫星定位绝对坐标”)和这10步直线行走对应的，经第N-1次航向重复修正后由MIMU得到的绝对坐标(以下简称“第N次10步MIMU绝对坐标”)，见公式(8)、公式(9)：

式中，X_N(GNSS)、Y_N(GNSS)分别表示上述第N次10步卫星定位绝对坐标的横、纵坐标的集合。

式中，X_N(MIMU)、Y_N(MIMU)分别表示上述第N次10步MIMU绝对坐标的横、纵坐标的集合。

然后，分别计算第N次航向重复修正对应的第N次卫星定位绝对航向角和第N次MIMU相对航向角，见公式(10)：

式中，k_N(GNSS)为第N次10步卫星定位绝对坐标对应的真实斜率，为利用最小二乘线性拟合得到的k_N(GNSS)的估计值，为第N次卫星定位绝对航向角；k_N(MIMU)为第N次10步MIMU绝对坐标对应的真实斜率，为利用最小二乘线性拟合得到的k_N(MIMU)的估计值，为第N次MIMU相对航向角。

然后，计算第N次航向重复修正对应的航向重复修正旋转角α_N和航向重复修正旋转矩阵T_N：

最后，通过旋转的方式利用航向重复修正旋转角α_N实现第N次航向重复修正；利用航向重复修正旋转矩阵T_N对经第N-1次航向重复修正后由MIMU得到的行人每步绝对坐标(以下简称“X_N-1”)进行修正，得到第N次修正后的，由MIMU得到的行人每步绝对坐标(即Gauss坐标系下，第N次修正后的行人每步的位置信息，以下简称“X_N”)，实现行人导航绝对定位：

下面结合图6至图8，详细介绍航向重复修正和对行人导航定位结果进行重复修正的原理。

经航向初始修正后的行人导航定位示意图，如图6所示：S_MIMU表示经航向初始修正后，由MIMU得到的行人每步绝对坐标组成的曲线；S_GNSS表示相同时间由卫星定位得到的行人每步绝对坐标组成的曲线。

假设第1次满足航向重复修正条件的位置的绝对坐标为下面进行第1次航向重复修正。

在第1次满足航向重复修正条件的位置，进行第1次10步直线行走，并记录第1次10步卫星定位绝对坐标：

记录第1次10步MIMU绝对坐标：

其中，第1次10步MIMU绝对坐标为第1次10步直线行走对应的，经航向初始修正后由MIMU得到的绝对坐标。

然后，利用公式(10)和公式(11)，分别计算第1次航向重复修正对应的航向重复修正旋转角α₁和航向重复修正旋转矩阵T₁。

最后，通过旋转的方式利用航向重复修正旋转角α₁实现第1次航向重复修正；利用航向重复修正旋转矩阵T₁对经航向初始修正后由MIMU得到的行人每步绝对坐标X₀进行修正，实现行人导航绝对定位：

式中，X₁表示经第1次航向重复修正后，由MIMU得到的行人每步绝对坐标。

经第1次航向重复修正后的行人导航定位示意图，如图7所示：表示经第1次航向重复修正后，由MIMU得到的行人每步绝对坐标组成的曲线。

假设第2次满足航向重复修正条件的位置的绝对坐标为下面进行第2次航向重复修正。

在第2次满足航向重复修正条件的位置，进行第2次10步直线行走，并记录第2次10步卫星定位绝对坐标：

记录第2次10步MIMU绝对坐标：

其中，第2次10步MIMU绝对坐标为第2次10步直线行走对应的，经第1次航向重复修正后由MIMU得到的绝对坐标。

然后，利用公式(10)和公式(11)，分别计算第2次航向重复修正对应的航向重复修正旋转角α₂和航向重复修正旋转矩阵T₂。

最后，通过旋转的方式利用航向重复修正旋转角α₂实现第2次航向重复修正；利用航向重复修正旋转矩阵T₂对经第1次航向重复修正后由MIMU得到的行人每步绝对坐标X₁进行修正，实现行人导航绝对定位：

式中，X₂表示经第2次航向重复修正后，由MIMU得到的行人每步绝对坐标。

将公式(13)代入公式(14)，可得：

由公式(13)易得：

其中，是经航向初始修正后，由MIMU得到的绝对坐标，且经第1次航向重复修正后为

则最终可得：

经第2次航向重复修正后的行人导航定位示意图，如图8所示：表示经第2次航向重复修正后，由MIMU得到的行人每步绝对坐标组成的曲线。

假设第3次满足航向重复修正条件的位置的绝对坐标为同理，容易得到第3次航向重复修正对应的航向重复修正旋转角α₃和航向重复修正旋转矩阵T₃。

然后，通过旋转的方式利用航向重复修正旋转角α₃实现第3次航向重复修正；利用航向重复修正旋转矩阵T₃对经第2次航向重复修正后由MIMU得到的行人每步绝对坐标X₂进行修正，实现行人导航绝对定位：

式中，X₃表示经第3次航向重复修正后，由MIMU得到的行人每步绝对坐标。

将公式(15)代入公式(16)，可得：

由公式(15)易得：

其中，是经航向初始修正后，由MIMU得到的绝对坐标，且经第2次航向重复修正后为

则最终可得：

综上，容易推出：经第N次航向重复修正后，由MIMU得到的行人每步绝对坐标可表示为：

式中，是经航向初始修正后，由MIMU得到的绝对坐标，且经第N-1次航向重复修正后为

本实施例，当卫星定位精度误差小于5米时，进行航向初始修正；当航向偏差≥10°且卫星定位精度误差小于5米时，进行航向重复修正；航向初始修正和航向重复修正时，行人直线行走10步；计算每5步对应的卫星定位绝对航向角与MIMU相对航向角之差的绝对值作为航向偏差；作为其他实施方式，上述参数均可根据实际需求进行调整。

作为其他实施方式，MIMU与手机之间还可通过其他无线传输的方式进行数据传输，如以太网、2G/3G/4G网络等。

本发明行人导航定位系统的实施例

本发明的行人导航定位系统，包括微惯性测量单元MIMU、卫星定位信号接收器、存储器和数据处理器；所述数据处理器用于运行存储在所述存储器中的程序指令以实现上述行人导航定位方法。

本实施例，利用手机作为卫星定位信号接收器；作为其他实施方式，卫星定位信号接收器不限于手机，例如手持GPS接收机(Garmin G510)等。

下面给出具体的验证实验。

采用微惯性测量单元MIMU和一部手机(华为P10)搭建行人自主导航模型。

其中，MIMU为一套三轴惯性集成组件，由三轴加速度计和三轴陀螺仪组成。

实验过程中相关参数设置如下：

定位系统采样率：250HZ，即MIMU采集数据的频率为：1秒内采集250个数据；

位置发送频率：1次/步，即MIMU给手机发送数据的频率为：1次/步；

三轴加速度计标准偏差：σ_a＝0.01m/s²；

三轴陀螺仪标准偏差：σ_g＝0.1*PI/180rad/s，PI指圆周率；

初始位置的绝对坐标：由手机中的卫星定位模块确定；

初始航向角：由从初始位置进行10步直线行走确定。

在实验开始之前，测试者将MIMU安置于鞋上，并通过蓝牙与手机进行数据传输；在手机卫星定位精度误差小于5米时，开始进行实验。

实验过程中，实时采集卫星定位信息作为真实轨迹的参考；然后按照预定的轨迹行走(约100米)，行走时间约为2分钟。

利用本发明的行人导航定位方法得到的定位结果如图9所示，定位误差如表1所示：

表1定位误差表

其中，RMS表示定位结果的均方根误差。

结合图9和表1：在行走时间约为2分钟的情况下，利用本发明所提方法得到的定位结果的均方根误差为0.94米，利用本发明所提方法得到的行人绝对位置与卫星定位得到的行人绝对位置误差为0.7m，行走距离误差为0.7％；进行多次验证实验，本发明所提方法的定位误差最大值为1米。

实验证明本发明所提方法得到的绝对位置结果比较理想，可以满足相关行业的定位需求。

Claims

1.一种行人导航定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)令佩戴MIMU设备的行人沿直线行走定位预定步数：

2.根据权利要求1所述的行人导航定位方法，其特征在于：还包括在行人行走过程中进行修正的步骤，令当前修正为第N次修正，N≥1：

3.根据权利要求2所述的行人导航定位方法，其特征在于：

所述初始转换关系T为矩阵：

所述当前修正的转换关系T_N为矩阵：

4.根据权利要求3所述的行人导航定位方法，其特征在于：当满足修正条件时，进行修正；所述修正条件为卫星定位精度误差小于第一预设值，且航向偏差大于等于第二预设值；所述航向偏差为经前N-1次修正后，每修正条件预定步数对应的利用MIMU数据计算得到的相对航向与利用卫星导航数据计算得到的绝对航向的角度差的绝对值。

5.一种行人导航定位系统，包括微惯性测量单元MIMU、卫星定位信号接收器、存储器和数据处理器；其特征在于：所述数据处理器用于运行存储在所述存储器中的程序指令以实施权利要求1-4任一项所述的方法。