CN109974694B - 一种基于uwb/imu/气压计的室内行人3d定位方法 - Google Patents

一种基于uwb/imu/气压计的室内行人3d定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于UWB/IMU/气压计的室内行人3D定位方法，包括：用气压计判断待定位人员是在某一楼层行走或在楼梯间上下楼；若在某一楼层行走，则用气压计确定其所在的楼层，根据所处的场景环境选择使用IMU单独定位或UWB/IMU紧组合定位，并用地图匹配技术对出现在非定位区域的错误点进行修正；若在楼梯间上下楼，则用IMU进行三维定位，并用气压计辅助测量高程信息。本发明可有效、精确地获取待定位人员所在的楼层、在每一楼层和楼梯间的位置，实现人员的3D定位，并且能够减小定位系统成本、扩大定位范围。

Description

一种基于UWB/IMU/气压计的室内行人3D定位方法
技术领域
本发明属于室内定位技术领域，尤其涉及一种基于UWB/IMU/气压计的室内行人3D定位的方法。
背景技术
随着近距离通信技术以及无线定位技术的发展，基于位置的服务(Location-Based Service,LBS)的定位模式得到发展与丰富，成为近几年来的研究热点。伴随着数据业务和多媒体业务数据的发展，人们对室内尤其是复杂的室内定位的需求日益增长；在机场大厅、停车场、商场、超市等环境中，常常需要确定移动端或其所有者、设备与物品在室内的位置信息。目前发展成熟的室内定位技术有红外线定位技术、蓝牙定位技术、射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)定位技术、超宽带(Ultra-Wide Band,UWB)定位技术、ZigBee定位技术、Wi-Fi定位技术以及基于惯性测量单元(Inertial MeasurementUnit,IMU)的定位技术等。在这些技术中，UWB定位技术以精度高、多径分辨能力强成为室内定位技术的一个研究热点。高程信息也是行人室内定位的一个重要位置信息，由于在地球重力场中大气压强随着高度的增加而减小，使用气压计测量行人高度成为一个普遍的做法。
单一的室内定位技术有各自的缺点，如RFID定位技术作用距离近、不具备通信能力、与其他系统的整合性差；Wi-Fi定位技术的指纹库更新工作量较大、易受其他信号干扰；UWB定位技术定位系统成本高、穿墙信号衰减严重；基于惯性传感器的定位技术的定位误差会随时间进行累积。针对单一定位技术的要么定位精度不高要么对定位环境要求苛刻的缺点，多种定位技术的组合方法也是当前的一个研究重点，如Wi-Fi/PDR组合、PDR/超声波组合、IMU/RFID组合等。
针对气压计测量高程信息的应用，有的通过建立气压指纹地图来定位行人所在的楼层；有的利用多个气压计作为参考节点，将行人的气压信号与参考节点的气压进行匹配；有的对气压和高度信息进行拟合。这些方法所需要的提前进行指纹采集、不断地对气压计进行校准等工作很大程度上给气压计测高带来了不便，另外使用过程中会受到空气温度、湿度和风速等因素的影响，气压计数据也会产生很大的噪声。
在上述提及的定位技术中，UWB的定位技术以精度高、多径分辨能力强成为室内定位技术的一个研究热点，由于铁材料、结构复杂的钢筋混凝土墙、液体等对UWB信号的衰减严重，UWB定位技术的定位精度也会受到很大的影响。当前很多研究都是将UWB与IMU进行组合进行室内定位，利用IMU自主性强、无需提前布设节点的优点，从而减少UWB布设节点的个数、弥补UWB信号因非视距误差、多径传播引起的测距粗大误差的缺点；利用UWB定位结果对IMU定位结果进行更新，弥补IMU误差累积的不足。但是现有的UWB/IMU组合定位的研究大多针对2D定位场景，鲜有3D定位方面的研究。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于UWB/IMU/气压计的室内行人3D定位方法。该方法包含两部分内容：(1)用气压计判断待定位人员所在的楼层，然后用UWB/IMU进行平面定位，输出其在该楼层的2D位置坐标。在UWB定位中，多径传播、粗大误差等因素的影响会降低系统的定位精度；使用IMU进行定位时，误差累积会引起位置漂移。本发明将两者进行组合，用扩展卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter,EKF)进行紧组合；同时利用地图匹配技术对该定位技术中出现在非定位区域的错误点进行修正，提高定位跟踪精度。(2)用IMU/气压计组合实现楼梯间的定位，输出待定位人员在楼梯间的3D位置坐标。通过惯导方法解算出待定位人员的位置，并用气压计来修正高程信息。
本发明可以有效、精确地获取待定位人员所在的楼层、在每一楼层和楼梯间的位置，实现人员的3D定位。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于UWB/IMU/气压计的室内行人3D定位方法，具体包含如下步骤；
S1：读取气压计的读数，将数据变化值与设定的阈值进行比较：若数据变化值小于阈值，说明不涉及高程变化，待定位人员在某一楼层运动，则转入步骤S2；若数据变化值大于阈值，说明待定位人员涉及高程变化，在楼梯间上下楼梯，则转入步骤S5；
S2：根据气压计示数确定待定位人员所在的楼层；读取UWB信号，比较接收到的UWB信号的个数与满足定位要求的信号个数，若接收到的信号个数少于指定要求，即不满足UWB定位要求，则用IMU单独定位，转入步骤S3；若接收到的信号个数大于等于指定要求，则采用UWB/IMU紧组合的方法进行定位，转入步骤S4；
S3：当不满足UWB定位要求时，使用IMU单独定位；利用IMU输出的加速度、角速度等信息，进行惯导解算，得到位置与速度等信息，添加地图约束条件，对出现在不可到达区域的定位点进行修正，输出相对准确的位置信息，跳转至步骤S6；
S4：对UWB设备进行标定，获得测距模型；获取UWB标签与基站之间的距离信息；利用已经获得的测距模型对定位过程中获取的距离信息进行预处理，以获得更加准确的距离值，作为EKF的观测数据之一；
IMU输出的加速度与角速度等信息首用惯导方法进行解算，获得导航信息，并将速度与位置作为EKF的观测数据之二；
利用EKF得到导航信息的误差估计并与惯导解算出的导航信息做差，得到UWB/IMU紧组合的定位结果；
与已知的该楼层的地图信息相比较，对定位结果加以地图约束，对出现在不可到达区域的定位结果点进行处理，得到最终的UWB/IMU/地图滤波组合的定位结果，即待定位人员所在的楼层、楼层内的平面定位已实现，跳转至步骤S6；
S5：当待定位人员在上下楼梯时，根据气压计示数的变化来判断上楼或下楼：若气压计的示数变小，则为上楼；若气压计示数变大，则为下楼；
楼梯间的定位需要提供信息包括三维坐标，IMU输出加速度、角速度，经过惯导方法解算得到载体的三维坐标，用气压计对高程信息进行修正，得到更为准确的楼梯间的三维坐标，跳转至步骤S6；
S6：待定位人员某一时刻的定位结果已知，跳转至S1进行下一时刻的定位。
作为本发明一种基于UWB/IMU/气压计的室内行人3D定位方法的进一步优选方案，在步骤S2中，UWB/IMU紧组合的方法具体如下：
Figure BDA0001990418630000031
式中，
Figure BDA0001990418630000032
为状态向量；
Figure BDA0001990418630000033
为四个参考节点的位置坐标向量；
Figure BDA0001990418630000034
为k时刻15维惯导解算误差向量，fk为姿态误差向量，
Figure BDA0001990418630000035
为速度误差向量，
Figure BDA0001990418630000036
为位置误差向量，
Figure BDA0001990418630000037
为加速度计误差向量，
Figure BDA0001990418630000038
为陀螺仪误差向量，且这5个误差向量均含有3个元素；
Figure BDA0001990418630000039
ωk代表协方差矩阵为Qk的均值为零的正态分布系统噪声；
Figure BDA00019904186300000310
为惯导解算误差的状态转移矩阵；
Figure BDA00019904186300000311
观测方程为：
Figure BDA00019904186300000312
式中，
Figure BDA00019904186300000313
为速度误差的观测向量；
Figure BDA00019904186300000314
为UWB的观测向量，为标签与各基站的距离测量值；
Figure BDA00019904186300000315
为系统的观测噪声矩阵，其协方差矩阵为Rk。
本发明的有益效果在于：
本发明将UWB与IMU、气压计进行组合，同时辅以地图约束，提供更好的室内定位服务，本发明所提及的室内UWB定位方法有以下优势：
1、本发明扩大了定位范围：一般的UWB定位系统在进行定位时，必须预先在定位区域内安装UWB基站，UWB标签离开这个区域后就无法再定位或定位精度严重降低，而本发明所提出的定位方法，在接收到的距离信息个数小于指定要求时，可以用IMU进行定位，保证定位轨迹不会出现跳点；
2、本发明降低了定位成本：一般的UWB定位系统需要在定位区域内安装多个UWB基站，以保证定位精度，成本较高，而本发明所提出的定位方法，可以在保证定位精度相当的情况下减少基站的个数，从而降低了成本；
3、本发明定位精度比单一定位方法的精度更高：若仅靠UWB进行定位，当环境中存在遮挡或所能接收到的距离信息个数难以满足定位要求时，UWB定位的轨迹会出现跳点、断点，影响定位精度；若仅靠IMU进行定位，误差会随时间增长而积累，时间越长，误差越大，而本发明所提出的组合定位方法，可以有效避免两种定位方法单独定位时所出现的问题，提高定位精度。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更佳清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为UWB/IMU/气压计实现室内人员3D定位的整体框图；
图2为UWB/IMU紧组合定位的原理图；
图3为IMU/气压计组合定位的原理框图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
UWB定位的原理是，位置未知的UWB标签通过测量其与各位置已知的基站之间的距离，通过解方程的方式得到自身的位置坐标。在二维平面中，当标签获取到三个及以上的UWB距离信息后，可以解算出平面位置；在三维空间中，当标签获取到四个及以上的UWB距离信息后，可以解算出三维坐标。
考虑到UWB定位方法定位空间有限、对信号要求高、跨楼层定位精度低以及成本较高等缺点，本发明对UWB定位系统及方法做出如下改进：
1.用气压计判断所在楼层，将三维定位转换为二维定位，减少对定位基站的个数的要求；
2.楼层内的定位由UWB/IMU紧组合和地图滤波辅助的方法实现，可以避免障碍物、行走的人员等带来的非视距误差对定位精度的不良影响；
3.针对楼梯间UWB信号弱、IMU高程定位误差大的问题，采用IMU/气压计组合的方法。
改进后的室内定位系统，包括若干基站、1个标签、1个气压计和1块IMU，基站的个数不能少于3个，至少能满足平面定位，可以在定位精度要求较高的区域安装多个基站，提高更稳定的定位服务。
本实施例基于以下主要部件：
1.UWB定位模块：WxRobot UK100(基站，4块)、UM208(标签，1块)；
2.IMU模块：维特智能BWT901BCL(融合气压计)。
基于UWB/IMU/气压计组合的室内行人定位方法的整体框图如图1所示，包括以下步骤：
S1：在定位区域布设UWB基站，要求基站不在同一条直线上、在同一高度上且尽量覆盖整个定位区域；
S2：待定位人员携带UWB标签和IMU模块；
S3：读取气压计的读数，比较数据变化值与设定的阈值：若数据变化值小于阈值，说明待定位人员高程上变动不大，在某一楼层进行运动，则转入步骤S4；若数据变化值大于阈值，说明待定位人员涉及高程变化，需要进行楼梯间定位，则转入步骤S7；
S4：根据气压计示数确定带定位人员所在的楼层；读取UWB信号，比较接收到的UWB信号的个数与满足定位要求的信号个数，若接收到的信号个数少于指定要求，即不满足UWB定位要求，则用IMU单独定位，转入步骤S5；若接收到的信号个数大于等于指定要求，则采用UWB/IMU紧组合的方法进行定位，仅需提供待定位人员的二维坐标，原理图如图2所示，转入步骤S6；
S5：当不满足UWB定位要求时，使用IMU单独定位，利用IMU输出的加速度、角速度等信息，进行惯导解算，得到位置与速度等信息，考虑到IMU的误差会进行累积，因而添加地图约束条件，对出现在不可到达区域的定位点进行修正，输出相对准确的位置信息，跳转至步骤S8；
S6：进行UWB/IMU组合定位时，首先需要对UWB设备进行标定，获得测距模型；获取UWB标签与各基站的距离信息，利用已经获得的测距模型对定位过程中获取的距离信息进行预处理，以获得更加准确的距离值，作为EKF的观测数据之一；
IMU输出的加速度与角速度等信息首先进行坐标变换，并进行零速检测与零速更新，然后用惯导方法进行结算，获得导航信息，并将速度与位置作为EKF的观测数据之二；
利用EKF得到导航信息的误差估计(位置、速度等)，并与惯导解算出的导航信息做差，得到UWB/IMU紧组合的定位结果；
与已知的该楼层的地图信息相比较，对定位结果加以地图约束，对出现在不可到达区域的定位结果点进行处理，得到最终的UWB/IMU/地图滤波组合的定位结果，即待定位人员所在的楼层、楼层内的平面定位已实现，跳转至步骤S8；
S7：当待定位人员在楼梯间上下楼梯时，首先根据气压计示数的变化来判断上楼或下楼：若气压计的示数变小，则为上楼；若气压计示数变大，则为下楼；
楼梯间的定位需要提供相对准确的三维坐标，原理框图如图3所示，IMU输出加速度、角速度等信息，经过惯导方法解算得到载体的三维坐标，由于IMU在高程上的误差较大，因此用气压计对高程信息进行修正，得到更为准确的楼梯间的三维坐标，即楼梯间的三维定位已实现，跳转至步骤S8；
S8：待定位人员某一时刻的定位结果已知，跳转至S3进行下一时刻的定位。
进一步，所述的在某一楼层进行2D定位所使用的UWB/IMU紧组合定位方法的关键是状态方程与观测方程的构建，具体步骤如下：
S6-1：状态方程为：
Figure BDA0001990418630000061
式中，
Figure BDA0001990418630000062
为状态向量；
Figure BDA0001990418630000063
为四个参考节点的位置坐标向量；
Figure BDA0001990418630000064
为k时刻15维惯导解算误差向量，fk为姿态误差向量，
Figure BDA0001990418630000065
为速度误差向量，
Figure BDA0001990418630000066
为位置误差向量，
Figure BDA0001990418630000067
为加速度计误差向量，
Figure BDA0001990418630000068
为陀螺仪误差向量，且这5个误差向量均含有3个元素；
Figure BDA0001990418630000069
ωk代表协方差矩阵为Qk的均值为零的正态分布系统噪声；
Figure BDA00019904186300000610
为惯导解算误差的状态转移矩阵。
Figure BDA00019904186300000611
S6-2：观测方程为：
Figure BDA00019904186300000612
式中，
Figure BDA00019904186300000613
为速度误差的观测向量；
Figure BDA00019904186300000614
为UWB的观测向量，为标签与各基站的距离测量值；
Figure BDA00019904186300000615
为系统的观测噪声矩阵，其协方差矩阵为Rk。
S6-3：使用EKF滤波器对实验数据进行融合处理，得到坐标的最优期望值。
综上，本发明的方法，实现多源数据融合，可以在保证定位精度相当的情况下减少基站的个数，降低整个定位系统的布设成本；有效避免UWB、IMU这两种定位方法单独定位时所出现的问题，提高定位精度。

Claims (2)

1.一种基于UWB/IMU/气压计的室内行人3D定位方法，其特征在于：具体包含如下步骤；
S1：读取气压计的读数，将数据变化值与设定的阈值进行比较：若数据变化值小于阈值，说明不涉及高程变化，待定位人员在某一楼层运动，则转入步骤S2；若数据变化值大于阈值，说明待定位人员涉及高程变化，在楼梯间上下楼梯，则转入步骤S5；
S2：根据气压计示数确定待定位人员所在的楼层；读取UWB信号，比较接收到的UWB信号的个数与满足定位要求的信号个数，若接收到的信号个数少于指定要求，即不满足UWB定位要求，则用IMU单独定位，转入步骤S3；若接收到的信号个数大于等于指定要求，则采用UWB/IMU紧组合的方法进行定位，转入步骤S4；
S3：当不满足UWB定位要求时，使用IMU单独定位；利用IMU输出的加速度、角速度信息，进行惯导解算，得到位置与速度信息，添加地图约束条件，对出现在不可到达区域的定位点进行修正，输出相对准确的位置信息，跳转至步骤S6；
S4：对UWB设备进行标定，获得测距模型；获取UWB标签与基站之间的距离信息；利用已经获得的测距模型对定位过程中获取的距离信息进行预处理，以获得更加准确的距离值，作为EKF的观测数据之一；
IMU输出的加速度与角速度信息采用惯导方法进行解算，获得导航信息，并将速度与位置作为EKF的观测数据之二；
利用EKF得到导航信息的误差估计并与惯导解算出的导航信息做差，得到UWB/IMU紧组合的定位结果；
与已知的该楼层的地图信息相比较，对定位结果加以地图约束，对出现在不可到达区域的定位结果点进行处理，得到最终的UWB/IMU/地图滤波组合的定位结果，即待定位人员所在的楼层、楼层内的平面定位已实现，跳转至步骤S6；
S5：当待定位人员在上下楼梯时，根据气压计示数的变化来判断上楼或下楼：若气压计的示数变小，则为上楼；若气压计示数变大，则为下楼；
楼梯间的定位需要提供信息包括三维坐标，IMU输出加速度、角速度，经过惯导方法解算得到载体的三维坐标，用气压计对高程信息进行修正，得到更为准确的楼梯间的三维坐标，跳转至步骤S6；
S6：待定位人员某一时刻的定位结果已知，跳转至S1进行下一时刻的定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于UWB/IMU/气压计的室内行人3D定位方法，其特征在于：在步骤S2中，UWB/IMU紧组合的方法具体如下：
Figure FDA0003626858750000021
式中，
Figure FDA0003626858750000022
为状态向量，
Figure FDA0003626858750000023
为四个参考节点的位置坐标向量；
Figure FDA0003626858750000024
为k时刻15维惯导解算误差向量，fk为姿态误差向量，
Figure FDA0003626858750000025
为速度误差向量，
Figure FDA0003626858750000026
为位置误差向量，
Figure FDA0003626858750000027
为加速度计误差向量，
Figure FDA0003626858750000028
为陀螺仪误差向量，且这5个误差向量均含有3个元素；
Figure FDA0003626858750000031
ωk代表协方差矩阵为Qk的均值为零的正态分布系统噪声；
Figure FDA0003626858750000032
为惯导解算误差的状态转移矩阵；
Figure FDA0003626858750000033
观测方程为：
Figure FDA0003626858750000034
式中，
Figure FDA0003626858750000035
为速度误差的观测向量；
Figure FDA0003626858750000036
为UWB的观测向量，为标签与各基站的距离测量值；
Figure FDA0003626858750000037
Figure FDA0003626858750000038
为系统的观测噪声矩阵，其协方差矩阵为Rk。
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