CN110986874A - 一种基于气压计和微机电惯性测量元件的高度测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于气压计和微机电惯性测量元件的高度测量系统及测量方法，包括以下步骤：步骤一：通过微机电惯性测量元件输出的高度测量值判断人的行走状态；步骤二：通过气压计输出的气压值的差值得出粗略高度值；步骤三：根据不同的行走状态对粗略高度值进行滤波，得到精确高度值。本发明的高度测量精度高于单独气压计测量或者单独微机电惯性测量元件测量；在平地行走时不会出现高度波动，提升了高度值输出的稳定性；算法复杂度低，易于工程实现。

Description

一种基于气压计和微机电惯性测量元件的高度测量系统及测 量方法

技术领域

本发明属于室内定位领域，具体涉及一种基于气压计和微机电惯性测量元件的高度测量系统及测量方法。

背景技术

随着无线通信技术的迅速发展以及移动智能终端的逐渐普及，基于位置的服务(Location-based Service，LBS)已成为智能社会的重要组成部分。除了紧急求救情况下的人员定位之外，LBS已经在军事国防、交通运输、现代物流、大地测绘等领域得到了广泛应用，目前正向更加丰富多彩、市场潜力巨大的创新型移动位置服务方向发展，例如基于位置的社交、广告、移动搜索灯。这些创新型位置服务以移动互联网为基础，需要实时获取用户在室内外全空间的精确地理位置信息。

对于室外环境下的定位，全球卫星导航系统(Global Navigation SatelliteSystem，GNSS)作为一种覆盖全球的定位手段已经得到了广泛应用。除了发展最早也最完善的全球卫星定位系统(Global Positioning System,GPS)以外，我国也自行建设了北斗全球卫星导航系统(BeiDou，BD)，但是包括北斗和GPS在内的GNSS共有的一个缺陷是其信号受到遮挡而在室内环境无法工作。

为解决室内定位难题，国内外专家学者提出了一系列技术解决方案，例如：基于移动通信网络的辅助GPS(A-GPS)、伪卫星(Pseudolite)、无线局域网(WLAN)、射频标签(RFID)、Zigbee、蓝牙(Bluetooth，BT)、超宽带无线电(UltraWideBand，UWB)、其他卫星或地面数字通信及广播信号、红外定位、光跟踪定位、计算机视觉定位、超声波定位等。其中基于微机电惯性测量元件的室内定位方法具有精度高、抗干扰能力强、无需提前布设环境等特点，在消防定位、矿井定位、人员搜救等领域得到了广泛的应用。

但由于基于微机电惯性测量元件的定位系统存在累积误差，如何准确的进行高度测量是该系统的难点之一。本专利提出的基于气压计和微机电惯性测量元件的高度测量方法可以解决该问题。

发明内容

本发明主要针对上述问题，发明了一种基于气压计和微机电惯性测量元件的高度测量方法。利用气压计输出的气压值得到初步的高度测量值；再利用微机电惯性测量元件输出的高度测量值，进行1秒间隔的高度差计算，从而判断人的行走状态；最后使用人的行走状态信息对气压计得到的初步高度测量结果进行校正，得到最终的高度测量结果。

本发明的上述技术问题是通过以下技术方案得以实施的：一种基于气压计和微机电惯性测量元件的高度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过微机电惯性测量元件输出的高度测量值判断人的行走状态；

步骤二：通过气压计输出的气压值的差值得出粗略高度值；

步骤三：根据不同的行走状态对粗略高度值进行滤波，得到精确高度值。

作为优选，所述步骤一，利用微机电惯性测量元件的短时高精度特性，通过计算1秒时间间隔的微机电惯性测量元件输出的高度测量值的差，判断人的行走状态。

作为优选，所述人的行走状态包括行走在平面状态、下楼状态、上楼状态；

判断公式为：公式(1)；

其中h_k为k时刻微机电惯性测量元件输出的高度值，hd_k为间隔k时刻与k-1时刻的微机电惯性测量元件输出的高度值之差，α为下楼判断阈值，β为上楼判断阈值；flat为行走在平面状态，down为下楼状态，up为上楼状态。

作为优选，所述步骤二，粗略高度值计算公式为：公式(8)；

设起点高度为H_c，气压为P_c，温度为T_c；待测点的气压为P；T_m＝(T_c+T)/2；

R_d为气体常数，数值为287.05287m²/(s²K)。

作为优选，所述步骤三，用微机电惯性测量元件输出的状态判断结果来进行平滑处理，平滑处理的流程为：

①判断为flat状态时，不读取气压计计算结果，高度测量值保持不变；

②判断为down状态时，读取气压计计算结果，作为高度测量值；

③判断为up状态时，读取气压计计算结果，作为高度测量值。

上述粗略高度值计算公式的推算过程如下：

1、通过气压计输出的气压值的差值得出粗略高度值，理想大气方程为：

公式(2)：

P＝ρR_dT

其中P为大气压强，ρ为空气密度，R_d为气体常数，数值为287.05287m²/(s²K)，T为空气热力学温度，单位为开尔文。

2、根据大气静力学方程，大气压强与高度间的关系为：

公式(3)：

dP＝-ρgdH

其中g为所在高度的重力加速度，H为高度。

将公式(3)带入公式(2)中可得，公式(4)：

3、在小范围内，不考虑重力和温度变化，对(4)式积分，则有公式(5)：

可得公式(6)：

4、若H₀＝0，即平均海平面高度，则平均海平面大气压强P₀＝101325Pa；

假设g＝9.8m/s²，T＝300K；则公式(6)可简化为公式(7)：

通常情况下测量点的大气变化是随机的，并不满足标准大气的各项参数指标。采用相对气压测高，可以削弱大气物理变化对测高的影响。

5、假设起点高度为H_c，气压为P_c，温度为T_c；待测点的气压为P，温度为T；在室内小范围内，根据公式(6)可得待测点高度计算公式为，公式(8)：

其中T_m＝(T_c+T)/2；从而通过气压计输出的气压值的差值得出粗略高度值。但由于气压计存在测量误差，需要通过行走状态对粗略高度值进行滤波，从而得到精确高度值。

一种基于气压计和微机电惯性测量元件的高度测量系统，其特征在于，包括气压计高度测量模块、人的行走状态判断模块、高度值平滑更新模块。

气压计高度测量模块的输入源是气压计元件实时测量的气压值与温度值，通过气压计输出的气压值的差值得出粗略高度值。

人的行走状态判断模块的输入源是微机电惯性测量元件，输出具有累积误差的高度测量值z，通过1秒间隔的高度差值判断人的行走状态，包括走平地、上楼和下楼三种。

高度值平滑更新模块利用人的行走状态信息对气压计高度测量模块输出的粗略高度值进行平滑更新，从而得到精确的最终高度计算结果。

综上所述，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明利用气压计输出的气压值的差分信息得到初步的高度测量结果。再利用微机电惯性测量元件的室内定位算法输出的三维定位结果即位置信息(x，y，z)中的z坐标值，进行1秒间隔的高度差计算。从而对气压差得到的初步高度测量结果进行校正，得到精确的高度测量结果；本发明的高度测量精度高于单独气压计测量或者单独微机电惯性测量元件测量；本发明在平地行走时不会出现高度波动，提升了高度值输出的稳定性；本发明的算法复杂度低，易于工程实现。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明的算法流程图；

图3是本发明的高度测量示例。

图中标号为：1、微机电惯性测量元件高度计算结果；2、气压计高度计算结果；3、本本发明方法高度计算结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

如图1所示，一种基于气压计和微机电惯性测量元件的高度测量方法的系统总体框图；主要包括三个模块：气压计高度测量模块；人的行走状态判断模块；高度值平滑更新模块。气压计高度测量模块的输入源是气压计元件实时测量的气压值与温度值，通过气压计输出的气压值的差值得出粗略高度值。人的行走状态判断模块的输入源是微机电惯性测量元件，可以输出具有累积误差的高度测量值z，通过1秒间隔的高度差值判断人的行走状态，包括走平地、上楼和下楼三种。高度值平滑更新模块是利用人的行走状态信息对气压计高度测量模块输出的粗略高度值进行平滑更新，从而得到精确的最终高度计算结果。

图2为基于气压计和微机电惯性测量元件的高度测量算法流程图，算法实现的具体步骤如下：

(1)读取微机电惯性测量元件计算得到的高度数据

微机电惯性测量元件通过加速度计输出的加速度信息，和陀螺仪输出的角速度信息计算得到人的三维位置(x,y,z),其中z为高度计算值。

(2)通过微机电惯性测量元件输出的高度值z判断人的行走状态

由于存在累积误差，微机电惯性测量元件输出的高度计算值z无法直接使用。但微机电惯性测量元件的短时精度较高，通过计算1秒时间间隔的微机电惯性测量元件输出的高度值的差，可以判断人行走状态。其中行走状态指的是走平地、上楼和下楼三种状态。判断公式为：

其中h_k为k时刻微机电惯性测量元件输出的高度值，hd_k为间隔k时刻与k-1时刻的微机电惯性测量元件输出的高度值之差，α为下楼判断阈值，β为上楼判断阈值。flat为行走在平面状态，down为下楼状态，up为上楼状态。

(3)气压值与温度值的数据滤波

气压计元件输出的气压值与温度值存在噪声可波动，为了提高系统的鲁棒性，需要对其进行中值滤波处理，中值滤波窗长选择为21个采样点长度。

(4)通过气压计输出的气压值的差值得出粗略高度值

理想大气方程为：

P＝ρR_dT (10)

其中P为大气压强，ρ为空气密度，R_d为气体常数，数值为287.05287m²/(s²K))，T为空气热力学温度，单位为开尔文。

根据大气静力学方程，大气压强与高度间的关系为：

dP＝-ρgdH (11)

其中g为所在高度的重力加速度，H为高度。

将(11)带入(10)中可得：

在小范围内，不考虑重力和温度变化，对(12)式积分，则有：

可得：

若H₀＝0，即平均海平面高度，则平均海平面大气压强P₀＝101325Pa。假设g＝9.8m/s²，T＝300K。则(14)式可简化为：

通常情况下测量点的大气变化是随机的，并不满足标准大气的各项参数指标。采用相对气压测高，可以削弱大气物理变化对测高的影响。

假设起点高度为H_c，气压为P_c，温度为T_c；待测点的气压为P，温度为T。在室内小范围内，根据(14)式可得待测点高度计算公式为：

其中T_m＝(T_c+T)/2。

从而通过气压计输出的气压值的差值得出粗略高度值。

(5)通过行走状态对粗略高度值进行滤波，得到精确高度值

由于气压计测得的气压值存在波动，在平地行走时，需要用微机电惯性测量元件输出的状态判断结果来进行平滑处理。平滑处理的流程为：

①判断为flat状态时，不读取气压计计算结果，高度测量值保持不变；

②判断为down状态时，读取气压计计算结果，作为高度测量值；

③判断为up状态时，读取气压计计算结果，作为高度测量值。

通过以上三个步骤，实现利用微机电惯性测量元件提供的人的行走状态信息对气压计输出的高度值进行平滑处理，从而提升高度测量精度与稳定性。

图3为高度测量示例，实际场景为从1楼走到3楼，然后从3楼返回到1楼。

数据如下：

图3中，线条1为微机电惯性测量元件的高度计算结果，可看出由于存在累积误差，其高度值与真实情况不符。

线条2为气压计高度计算结果，该结果与真实情况大体相符，但由于气压值存在波动，所以在走平地时，高度值存在误差。

线条3为本发明所述的基于气压计和微机电惯性测量元件的高度测量方法，可看出该方法得到的结果优于单独的微机电惯性测量元件结果和气压计结果。

文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种基于气压计和微机电惯性测量元件的高度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过微机电惯性测量元件输出的高度测量值判断人的行走状态；

步骤二：通过气压计输出的气压值的差值得出粗略高度值；

步骤三：根据不同的行走状态对粗略高度值进行滤波，得到精确高度值。

2.根据权利要求1所述的基于气压计和微机电惯性测量元件的高度测量方法，其特征在于，所述步骤一，利用微机电惯性测量元件的短时高精度特性，通过计算1秒时间间隔的微机电惯性测量元件输出的高度测量值的差，判断人的行走状态。

3.根据权利要求2所述的基于气压计和微机电惯性测量元件的高度测量方法，其特征在于，所述人的行走状态包括行走在平面状态、下楼状态、上楼状态；

判断公式为：公式(1)；

其中h_k为k时刻微机电惯性测量元件输出的高度值，hd_k为间隔k时刻与k-1时刻的微机电惯性测量元件输出的高度值之差，α为下楼判断阈值，β为上楼判断阈值；flat为行走在平面状态，down为下楼状态，up为上楼状态。

4.根据权利要求3所述的基于气压计和微机电惯性测量元件的高度测量方法，其特征在于，所述步骤二，粗略高度值计算公式为：公式(8)；

设起点高度为H_c，气压为P_c，温度为T_c；待测点的气压为P；T_m＝(T_c+T)/2；R_d为气体常数，数值为287.05287m²/(s²K)。

5.根据权利要求4所述的基于气压计和微机电惯性测量元件的高度测量方法，其特征在于，所述步骤三，用微机电惯性测量元件输出的状态判断结果来进行平滑处理，平滑处理的流程为：

①判断为flat状态时，不读取气压计计算结果，高度测量值保持不变；

②判断为down状态时，读取气压计计算结果，作为高度测量值；

③判断为up状态时，读取气压计计算结果，作为高度测量值。

6.一种基于气压计和微机电惯性测量元件的高度测量系统，其特征在于，包括气压计高度测量模块、人的行走状态判断模块、高度值平滑更新模块；

气压计高度测量模块的输入源是气压计元件实时测量的气压值与温度值，通过气压计输出的气压值的差值得出粗略高度值；

人的行走状态判断模块的输入源是微机电惯性测量元件，输出具有累积误差的高度测量值z，通过1秒间隔的高度差值判断人的行走状态，包括走平地、上楼和下楼三种；

高度值平滑更新模块利用人的行走状态信息对气压计高度测量模块输出的粗略高度值进行平滑更新，从而得到精确的最终高度计算结果。

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