CN111811505A - 基于智能设备和mimu的行人无缝导航定位方法和系统 - Google Patents

基于智能设备和mimu的行人无缝导航定位方法和系统 Download PDF

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CN111811505A CN202010874638.3A CN202010874638A CN111811505A CN 111811505 A CN111811505 A CN 111811505A CN 202010874638 A CN202010874638 A CN 202010874638A CN 111811505 A CN111811505 A CN 111811505A
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Abstract

本申请涉及一种基于智能设备和MIMU的行人无缝导航定位方法和系统。所述方法包括：由智能设备通过近距离无线通信信道实时接收固定在持有智能设备的行人身体上的MIMU惯性导航模块的惯性导航数据，实时接收检测卫星导航信号，满足卫星信号质量条件时用组合导航算法得到行人导航定位数据，否则用惯性导航算法得到行人导航定位数据。由智能设备实时生成行人导航定位数据并发送给云服务器，接收并显示云服务器发送的用户组行人导航可视化数据。上述方法仅用一部智能设备和一个MIMU惯性导航模块，根据卫星导航信号质量在组合导航和惯性导航间无缝切换，借助云技术实时显示本地和组内用户的导航数据，具有可靠、小型化、简单易用等优点。

Description

基于智能设备和MIMU的行人无缝导航定位方法和系统
技术领域
本申请涉及行人导航技术领域，特别是涉及一种基于智能设备和MIMU的行人无缝导航定位方法和系统。
背景技术
卫星导航系统由于具有全时空、全天候、高精度、连续实时的特点，已成为广泛应用的行人导航技术。但是，在室内、地下、丛林、巷道等环境下，卫星信号难以全面覆盖且容易被干扰，导致卫星导航系统难以发挥应有的作用。针对行人在卫星信号受限环境下的导航定位需求，市面上有很多种室内导航定位方案，但大多需要前铺设专门的导航定位设施或者利用环境中现有设备作为导航定位辅助设施，如室内伪卫星定位技术、射频定位技术、超宽带定位技术、LED定位技术、WLAN指纹定位技术、蓝牙定位技术和ZigBee定位技术等。
由于MIMU具有成本低、功耗低、体积小、重量轻、抗干扰性强、环境依赖性小等优点，目前主流的室内行人自主导航研究大多基于足部安装的MIMU，采用惯性导航（InertialNavigation System，INS）、扩展Kalman滤波（Extend Kalman Filter，EKF）和零速修正（Zero Velocity Potential Update，ZUPT）的算法架构，简称INS-EKF-ZUPT算法。但是在应用的过程中仍存在一些问题：一是普适性不够好，没有将脚部的惯性导航与手机上的卫星导航相结合，构成一个完整的室内外无缝导航定位系统；二是数据采集有盲区，在卫星信号受限的地区采集不到行人的运动数据，更谈不上分析和利用这些数据；三是没有将传统导航技术与云技术相结合，实现行人群组的实时监控与通信和大数据分析；四是实用性不够强，没有一个简单易用、成熟可靠的软硬件设计，小型化、市场化还不够。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够无缝结合惯性导航与卫星导航方式，且部署简单、实用性强的一种基于智能设备和MIMU的行人无缝导航定位方法和系统。
一种基于智能设备和MIMU的行人无缝导航定位方法，所述方法包括：
根据预设的导航模式由智能设备通过预先建立的近距离无线通信信道设置MIMU惯性导航模块的参数。MIMU惯性导航模块固定在持有智能设备的行人的身体指定部位。
由智能设备通过近距离无线通信信道实时接收MIMU惯性导航模块发送的惯性导航数据。
由智能设备实时接收并检测卫星导航信号，当卫星导航信号满足预设的卫星信号质量条件时，根据惯性导航数据和卫星导航信号使用组合导航算法得到行人导航定位数据，当卫星导航信号不满足卫星信号质量条件时，根据惯性导航数据使用惯性导航算法得到行人导航定位数据。
由智能设备根据行人导航定位数据实时生成行人导航可视化数据，并在所述智能设备上显示。
由智能设备将行人导航定位数据实时发送给预设的云服务器，并接收由云服务器发送的用户组行人导航可视化数据，并在智能设备上显示。
其中一个实施例中，由智能设备实时接收并检测卫星导航信号，当卫星导航信号满足预设的卫星信号质量条件时，根据惯性导航数据和卫星导航信号使用组合导航算法得到行人导航定位数据，当卫星导航信号不满足卫星信号质量条件时，根据惯性导航数据使用惯性导航算法得到行人导航定位数据的步骤包括：
由智能设备实时接收并检测卫星导航信号。
当卫星导航信号的强度大于预设强度时，根据惯性导航数据和卫星导航信号使用组合导航算法得到行人导航定位数据。
当卫星导航信号的强度在预设强度以下时，根据惯性导航数据使用惯性导航算法得到行人导航定位数据。
其中一个实施例中，由智能设备实时接收并检测卫星导航信号，当卫星导航信号满足预设的卫星信号质量条件时，根据惯性导航数据和卫星导航信号使用组合导航算法得到行人导航定位数据，当卫星导航信号不满足卫星信号质量条件时，根据惯性导航数据使用惯性导航算法得到行人导航定位数据的步骤包括：
由智能设备实时接收并检测卫星导航信号。
当卫星导航信号的数量大于预设数量时，根据惯性导航数据和卫星导航信号使用组合导航算法得到行人导航定位数据。
当卫星导航信号的数量在预设数量以下时，根据惯性导航数据使用惯性导航算法得到行人导航定位数据。
其中一个实施例中，由智能设备实时接收并检测卫星导航信号，当卫星导航信号满足预设的卫星信号质量条件时，根据惯性导航数据和卫星导航信号使用组合导航算法得到行人导航定位数据，当卫星导航信号不满足卫星信号质量条件时，根据惯性导航数据使用惯性导航算法得到行人导航定位数据的步骤包括：
由智能设备实时接收并检测卫星导航信号。
当卫星导航信号满足预设的卫星信号质量条件时，根据惯性导航数据和卫星导航信号使用组合导航算法得到行人导航定位数据。
当卫星导航信号不满足所述卫星信号质量条件时，根据惯性导航数据使用基于零速修正的惯性导航算法得到行人导航定位数据。
一种基于智能设备和MIMU的行人无缝导航定位系统，所述系统包括：
智能设备，由被定位的行人持有，用于根据预设的导航模式通过预先建立的近距离无线通信信道设置MIMU惯性导航模块的参数，通过近距离无线通信信道实时接收MIMU惯性导航模块发送的惯性导航数据，并实时接收并检测卫星导航信号，当卫星导航信号满足预设的卫星信号质量条件时，根据惯性导航数据和卫星导航信号使用组合导航算法得到行人导航定位数据，当卫星导航信号不满足卫星信号质量条件时，根据惯性导航数据使用惯性导航算法得到行人导航定位数据，以及用于根据行人导航定位数据实时生成并显示行人导航可视化数据，将行人导航定位数据实时发送给预设的云服务器，接收并显示由云服务器发送的用户组行人导航可视化数据。
MIMU惯性导航模块，固定在持有智能设备的行人的身体指定部位，用于通过近距离无线通信信道实时向智能设备发送惯性导航数据。
其中一个实施例中，MIMU惯性导航模块固定在持有智能设备的行人的脚部。
其中一个实施例中，MIMU惯性导航模块包括：MIMU单元和气压计，MIMU单元所述气压计的测量数据用于行人导航定位数据中的高度数值计算。
其中一个实施例中，智能设备和所述MIMU惯性导航模块均包括蓝牙通信模块，用于建立智能设备和MIMU惯性导航模块之间的蓝牙通信信道，MIMU惯性导航模块通过蓝牙通信信道实时向智能设备发送惯性导航数据，智能设备根据预设的导航模式通过蓝牙通信信道设置MIMU惯性导航模块的参数。
其中一个实施例中，智能设备预设有应用程序，应用程序用于实时和回溯地显示行人导航可视化数据和用户组行人导航可视化数据。
其中一个实施例中，智能设备包括北斗卫星通信模块，北斗卫星通信模块用于接收北斗卫星导航信号，以及用于和用户组成员之间进行北斗短报文通信。
上述一种基于智能设备和MIMU的行人无缝导航定位方法和系统，在硬件上仅使用一部智能设备和一个固定在行人身体上的基于MIMU的惯性导航模块，在算法上根据卫星导航信号的质量，在组合导航算法和惯性导航算法之间无缝切换，并且借助云技术实时监控和显示行人和组内其他用户的位置等信息，提供了一种小型化、简单易用、成熟可靠的行人无缝导航定位解决方案。
附图说明
图1为一个实施例中一种基于智能设备和MIMU的行人无缝导航定位方法的步骤图；
图2为一个实施例中智能设备和MIMU惯性导航模块的配备方式示意图；
图3为一个实施例中一种基于智能设备和MIMU的行人无缝导航定位方法的卫星导航信号质量检测流程示意图；
图4为一个实施例中一种基于智能设备和MIMU的行人无缝导航定位方法的消息数据传输方式示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供的一种基于智能设备和MIMU的行人无缝导航定位方法，可以应用于室内、地下、丛林、巷道等卫星信号难以全面覆盖且容易被干扰的环境下，在没有预先铺设的专门导航定位设施并且无导航定位辅助设施的条件下，实现行人在卫星信号受限环境下的导航定位功能。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于智能设备和MIMU的行人无缝导航定位方法，以其应用于行人手持的智能设备为例进行说明，包括以下步骤：
步骤102，根据预设的导航模式由智能设备通过预先建立的近距离无线通信信道设置MIMU惯性导航模块的参数。MIMU惯性导航模块固定在持有智能设备的行人的身体指定部位。
由于行人运动习惯以及MIMU固定位置的差别，MIMU采集的数据会出现较大的变化。对应于不同运动习惯和/或MIMU安装部位，可以在智能设备中预设多种导航模式。当在智能设备上选择不同模式时，智能设备会对应设置MIMU的参数，使后续的导航数据更加准确。
MIMU是微型惯性测量单元（Miniature Inertial Measurement Unit）的缩写，可以提供运动载体的位置、速度和姿态信息，具有环境依赖度低等优点。此外，由于MIMU具有成本低、体积小、功耗低、可靠性高等优点，可满足各种惯导系统的要求。
步骤104，由智能设备通过近距离无线通信信道实时接收MIMU惯性导航模块发送的惯性导航数据。
如图2所示，行人在身体上佩戴MIMU惯性导航模块并携带智能设备，行人在行走时，MIMU惯性导航模块实时采集行人的运动数据，并通过近距离无线通信信道实时发送给智能设备。智能设备可以是各种智能手机、平板电脑、个人电脑、穿戴式智能设备等。
进一步地，MIMU惯性导航模块可固定在行人的脚部，以更准确地采集行人的运动数据。
进一步地，MIMU惯性导航模块和智能设备之间通过蓝牙连接进行实时的惯性导航数据传输，以确保更高速、稳定的数据传输能力。
步骤106，由智能设备实时接收并检测卫星导航信号，当卫星导航信号满足预设的卫星信号质量条件时，根据惯性导航数据和卫星导航信号使用组合导航算法得到行人导航定位数据，当卫星导航信号不满足卫星信号质量条件时，根据惯性导航数据使用惯性导航算法得到行人导航定位数据。
当行人位于室内、地下、丛林、巷道等环境中时，卫星导航信号可能受到遮挡而出现信号质量下降的情况，包括信号强度减弱或中断、可见星数量减少等，因此，卫星导航信号的检测门限可以根据需要设置为当前可见卫星数量、卫星信号强度、卫星信号稳定度等。如图3所示，当智能设备根据预设的检测门限判断出现了上述情况时，将导航算法从使用卫星导航和惯性导航的组合导航算法，无缝切换至仅使用惯性导航（包括基于零速修正的惯性导航算法等现有的惯性导航算法），以确保在上述环境中持续为行人提供导航数据。
步骤108，由智能设备根据行人导航定位数据实时生成行人导航可视化数据，并在所述智能设备上显示。
步骤110，由智能设备将行人导航定位数据实时发送给预设的云服务器，并接收由云服务器发送的用户组行人导航可视化数据，并在智能设备上显示。
智能设备对生成的行人导航定位数据进行实时显示，同时将本地的行人导航定位数据上传至云服务器。云服务器将行人导航定位数据在预设的用户组内进行实时分发。智能终端接收到来自云服务器的其他用户的行人导航定位数据后在本地进行显示。智能设备的显示方式包括基于地图的二维/三维运动轨迹等，并且可以进行历史导航数据回放，实现用户间导航定位信息的共享和交互。具体地，图2中的行人A和行人B之间的数据传输流程如图4所示，其中智能设备在接受到用户选择的导航模式后，通过“信息M1：工作指令”设置MIMU设备的参数。
此外，云端服务器还可以存储行人导航数据，根据数据处理需求对历史数据进行回放、用户行动数据特征挖掘、用户分组导航数据分析等，并基于用户要求和用户权限通过智能设备提供数据分析结果。
上述一种基于智能设备和MIMU的行人无缝导航定位方法，在硬件上仅使用一部智能设备和一个固定在行人身体上的基于MIMU的惯性导航模块，在算法上根据卫星导航信号的质量，在组合导航算法和惯性导航算法之间无缝切换，并且借助云技术实时监控和显示行人和组内其他用户的位置等信息，提供了一种小型化、简单易用、成熟可靠的行人无缝导航定位解决方案。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，提供了一种基于智能设备和MIMU的行人无缝导航定位系统，所述系统包括：
智能设备，由被定位的行人持有，用于根据预设的导航模式通过预先建立的近距离无线通信信道设置MIMU惯性导航模块的参数，通过近距离无线通信信道实时接收MIMU惯性导航模块发送的惯性导航数据，并实时接收并检测卫星导航信号，当卫星导航信号满足预设的卫星信号质量条件时，根据惯性导航数据和卫星导航信号使用组合导航算法得到行人导航定位数据，当卫星导航信号不满足卫星信号质量条件时，根据惯性导航数据使用惯性导航算法得到行人导航定位数据，以及用于根据行人导航定位数据实时生成并显示行人导航可视化数据，将行人导航定位数据实时发送给预设的云服务器，接收并显示由云服务器发送的用户组行人导航可视化数据。
MIMU惯性导航模块，固定在持有智能设备的行人的身体指定部位，用于通过近距离无线通信信道实时向智能设备发送惯性导航数据。
其中一个实施例中，MIMU惯性导航模块固定在持有智能设备的行人的脚部。
其中一个实施例中，MIMU惯性导航模块包括：MIMU单元和气压计，MIMU单元所述气压计的测量数据用于行人导航定位数据中的高度数值计算。
具体地，气压一般随着高度的升高而逐步降低，因此气压计测量得到的气压值中包含了行人所处位置的高度信息。将气压计的测量结果和MIMU得到的速度、方向角等数据结合，能够得到行人的行动状态（包括上下楼等），更好全面的给出行人在室内等复杂环境中的定位信息。
进一步地，惯性导航模块还可以包括磁强计、核心板、扩展板等模块，以适应不同的惯性导航算法的数据采集要求。
其中一个实施例中，智能设备和所述MIMU惯性导航模块均包括蓝牙通信模块，用于建立智能设备和MIMU惯性导航模块之间的蓝牙通信信道，MIMU惯性导航模块通过蓝牙通信信道实时向智能设备发送惯性导航数据，智能设备根据预设的导航模式通过蓝牙通信信道设置MIMU惯性导航模块的参数。
其中一个实施例中，智能设备预设有应用程序，应用程序用于实时和回溯地显示行人导航可视化数据和用户组行人导航可视化数据。
其中一个实施例中，智能设备包括北斗卫星通信模块，北斗卫星通信模块用于接收北斗卫星导航信号，以及用于和用户组成员之间进行北斗短报文通信。
北斗卫星同时提供导航服务和短报文服务，配置北斗卫星通信模块可以智能设备具备更多的卫星导航信号来源，同时能通过短报文收发实现行人间的实时交互。
关于一种基于智能设备和MIMU的行人无缝导航定位系统的具体限定可以参见上文中对于一种基于智能设备和MIMU的行人无缝导航定位方法的限定，在此不再赘述。上述一种基于智能设备和MIMU的行人无缝导航定位系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于智能设备和MIMU的行人无缝导航定位方法，其特征在于，所述方法包括：
根据预设的导航模式由智能设备通过预先建立的近距离无线通信信道设置MIMU惯性导航模块的参数；所述MIMU惯性导航模块固定在持有所述智能设备的行人的身体指定部位；
由所述智能设备通过所述近距离无线通信信道实时接收所述MIMU惯性导航模块发送的惯性导航数据；
由所述智能设备实时接收并检测卫星导航信号，当所述卫星导航信号满足预设的卫星信号质量条件时，根据所述惯性导航数据和所述卫星导航信号使用组合导航算法得到行人导航定位数据，当所述卫星导航信号不满足所述卫星信号质量条件时，根据所述惯性导航数据使用惯性导航算法得到行人导航定位数据；
由所述智能设备根据所述行人导航定位数据实时生成行人导航可视化数据，并在所述智能设备上显示；
由所述智能设备将所述行人导航定位数据实时发送给预设的云服务器，并接收由所述云服务器发送的用户组行人导航可视化数据，并在所述智能设备上显示。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述智能设备实时接收并检测卫星导航信号，当所述卫星导航信号满足预设的卫星信号质量条件时，根据所述惯性导航数据和所述卫星导航信号使用组合导航算法得到行人导航定位数据，当所述卫星导航信号不满足所述卫星信号质量条件时，根据所述惯性导航数据使用惯性导航算法得到行人导航定位数据的步骤包括：
由所述智能设备实时接收并检测卫星导航信号；
当所述卫星导航信号的强度大于预设强度时，根据所述惯性导航数据和所述卫星导航信号使用组合导航算法得到行人导航定位数据；
当所述卫星导航信号的强度在所述预设强度以下时，根据所述惯性导航数据使用惯性导航算法得到行人导航定位数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述智能设备实时接收并检测卫星导航信号，当所述卫星导航信号满足预设的卫星信号质量条件时，根据所述惯性导航数据和所述卫星导航信号使用组合导航算法得到行人导航定位数据，当所述卫星导航信号不满足所述卫星信号质量条件时，根据所述惯性导航数据使用惯性导航算法得到行人导航定位数据的步骤包括：
由所述智能设备实时接收并检测卫星导航信号；
当所述卫星导航信号的数量大于预设数量时，根据所述惯性导航数据和所述卫星导航信号使用组合导航算法得到行人导航定位数据；
当所述卫星导航信号的数量在所述预设数量以下时，根据所述惯性导航数据使用惯性导航算法得到行人导航定位数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述智能设备实时接收并检测卫星导航信号，当所述卫星导航信号满足预设的卫星信号质量条件时，根据所述惯性导航数据和所述卫星导航信号使用组合导航算法得到行人导航定位数据，当所述卫星导航信号不满足所述卫星信号质量条件时，根据所述惯性导航数据使用惯性导航算法得到行人导航定位数据的步骤包括：
由所述智能设备实时接收并检测卫星导航信号；
当所述卫星导航信号满足预设的卫星信号质量条件时，根据所述惯性导航数据和所述卫星导航信号使用组合导航算法得到行人导航定位数据；
当所述卫星导航信号不满足所述卫星信号质量条件时，根据所述惯性导航数据使用基于零速修正的惯性导航算法得到行人导航定位数据。
5.一种基于智能设备和MIMU的行人无缝导航定位系统，所述系统包括：
智能设备，由被定位的行人持有，用于根据预设的导航模式通过预先建立的近距离无线通信信道设置MIMU惯性导航模块的参数，通过所述近距离无线通信信道实时接收所述MIMU惯性导航模块发送的惯性导航数据，并实时接收并检测卫星导航信号，当所述卫星导航信号满足预设的卫星信号质量条件时，根据所述惯性导航数据和所述卫星导航信号使用组合导航算法得到行人导航定位数据，当所述卫星导航信号不满足所述卫星信号质量条件时，根据所述惯性导航数据使用惯性导航算法得到行人导航定位数据，以及用于根据所述行人导航定位数据实时生成并显示行人导航可视化数据，将所述行人导航定位数据实时发送给预设的云服务器，接收并显示由所述云服务器发送的用户组行人导航可视化数据；
MIMU惯性导航模块，固定在持有所述智能设备的行人的身体指定部位，用于通过所述近距离无线通信信道实时向所述智能设备发送惯性导航数据。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，
所述MIMU惯性导航模块固定在持有所述智能设备的行人的脚部。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，
所述MIMU惯性导航模块包括：MIMU单元和气压计，所述MIMU单元和所述气压计的测量数据用于所述行人导航定位数据中的高度数值计算。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，
所述智能设备和所述MIMU惯性导航模块均包括蓝牙通信模块，用于建立所述智能设备和所述MIMU惯性导航模块之间的蓝牙通信信道，所述MIMU惯性导航模块通过所述蓝牙通信信道实时向所述智能设备发送惯性导航数据，所述智能设备根据预设的导航模式通过所述蓝牙通信信道设置所述MIMU惯性导航模块的参数。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，
所述智能设备预设有应用程序，所述应用程序用于实时和回溯地显示所述行人导航可视化数据和所述用户组行人导航可视化数据。
10.根据权利要求5至9中任意一项所述的系统，其特征在于，
所述智能设备包括北斗卫星通信模块，所述北斗卫星通信模块用于接收北斗卫星导航信号，以及用于和用户组成员之间进行北斗短报文通信。
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