CN205384029U - 采用固定区间crts平滑的ins/uwb紧组合导航系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用固定区间CRTS平滑的INS/UWB紧组合导航系统，包括：惯性导航器件INS和UWB无线标签分别设置在行人的鞋子上，UWB无线参考节点和参考系统分别设置在设定位置，惯性导航器件INS、UWB无线标签和参考系统分别与数据处理系统连接；数据处理系统包括：局部数据融合滤波器、容积卡尔曼滤波器、伪距数据处理模块、RTS平滑模块和均值滤波模块；本实用新型有益效果：有效的降低的传统紧组合导航模型中忽略泰勒展开式的高次项可能引入截断误差的可能性。

Description

采用固定区间CRTS平滑的INS/UWB紧组合导航系统

技术领域

本实用新型涉及复杂环境下组合定位技术领域，尤其涉及一种采用固定区间CRTS平滑的INS/UWB紧组合导航系统。

背景技术

近年来，行人导航(PedestrianNavigation,PN)作为导航技术应用的新兴领域，正越来越受到各国学者的重视，并逐渐成为该领域的研究热点。然而在隧道、大型仓库、地下停车场等室内环境下，外界无线电信号微弱、电磁干扰强烈等因素都会对目标行人导航信息获取的准确性、实时性及鲁棒性有很大影响。如何将室内环境下获取的有限信息进行有效的融合以消除室内复杂环境影响，保证行人导航精度的持续稳定，具有重要的科学理论意义和实际应用价值。

在现有的定位方式中，全球卫星导航系统(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)是最为常用的一种方式。虽然GNSS能够通过精度持续稳定的位置信息，但是其易受电磁干扰、遮挡等外界环境影响的缺点限制了其应用范围，特别是在室内、地下巷道等一些密闭的、环境复杂的场景，GNSS信号被严重遮挡，无法进行有效的工作。近年来，UWB以其在复杂环境下定位精度高的特点在短距离局部定位领域表现出很大的潜力。学者们提出将基于UWB的目标跟踪应用于GNSS失效环境下的行人导航。这种方式虽然能够实现室内定位，但是由于室内环境复杂多变，UWB信号十分容易受到干扰而导致定位精度下降甚至失锁；与此同时，由于UWB采用的通信技术通常为短距离无线通信技术，因此若想完成大范围的室内目标跟踪定位，需要大量的网络节点共同完成，这必将引入网络组织结构优化设计、多节点多簇网络协同通信等一系列问题。因此现阶段基于UWB的目标跟踪在室内导航领域仍旧面临很多挑战。

在导航模型方面，目前在室内行人组合导航领域应用较多的为松组合导航模型。该模型具有容易实现的优点，但是需要指出的是，该模型的实现需要参与组合导航的多种技术能够独立的完成导航定位。例如，需要UWB设备能够提供行人的导航信息，这就要求目标行人所处的环境必须能够获取至少3个参考节点信息，这大大的降低的组合导航模型的应用范围，与此同时，参与导航的子技术独立完成定位，也引入了新的误差，不利于组合导航技术精度的提高。为了克服这一问题，学者们提出将紧组合模型应用于室内行人导航领域，紧组合模型直接将参与组合导航的子技术的原始传感器数据应用于最后的导航信息的解算，减少了子技术自行解算引入新误差的风险，提高了组合导航的精度，但是需要指出的是，传统的紧组合导航模型都是建立在一阶泰勒展开的基础上的，这不可避免的引入了系统的截断误差，这在普遍采用低成本传感器的行人导航领域，严重影响了组合导航系统的精度。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决上述难题，提供了一种采用固定区间CRTS平滑的INS/UWB紧组合导航系统，该系统能满足室内行人导航的中高精度定位和定向的要求。

为实现上述目的，本实用新型的具体方案如下：

一种采用固定区间CRTS平滑的INS/UWB紧组合导航系统，包括：

惯性导航器件INS、UWB无线标签、UWB无线参考节点、参考系统和数据处理系统；

所述惯性导航器件INS和UWB无线标签分别设置在行人的鞋子上，所述UWB无线参考节点和参考系统分别设置在设定位置，所述惯性导航器件INS、UWB无线标签和参考系统分别与数据处理系统连接。

进一步地，所述数据处理系统包括：局部数据融合滤波器、容积卡尔曼滤波器、伪距数据处理模块、RTS平滑模块和均值滤波模块；

所述惯性导航器件INS与局部数据融合滤波器连接，所述惯性导航器件INS和UWB无线标签分别与伪距数据处理模块连接，伪距数据处理模块的输出连接所述容积卡尔曼滤波器；所述容积卡尔曼滤波器的输出依次连接RTS平滑模块和均值滤波模块后与减法器的一个输入端连接；所述局部数据融合滤波器的输出与减法器的另一个输入端连接。

进一步地，所述伪距数据处理模块内置第一伪距平方和求取单元、第二伪距平方和求取单元和减法器单元；所述第一伪距平方和求取单元和第二伪距平方和求取单元分别与减法器单元连接。

进一步地，所述参考系统包括码盘和电子罗盘。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型系统以INS和UWB分别测量得到的伪距的平方之差作为系统观测量；有效的降低的传统紧组合导航模型中忽略泰勒展开式的高次项可能引入截断误差的可能性。

2、通过容积卡尔曼滤波(CKF)将INS和UWB获取的导航信息进行数据融合；当到达输出时间时，将CKF得到的上一输出时间到现输出时间之间的INS误差预估先通过RTS平滑之后再进行均值滤波，最后将数据输出，与当前时刻INS解算的导航信息做差，最终得到当前时刻最优的导航信息。

3、可用于室内环境下的智能鞋子的中高精度无缝定位和定向。

附图说明

图1为采用固定区间CRTS平滑的INS/UWB紧组合导航的系统结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型进行详细说明：

如图1所示，用于一种采用固定区间CRTS平滑的INS/UWB紧组合导航的方法的系统，包括：惯性导航器件INS(即足部IMU)、UWB无线标签、UWB无线参考节点、参考系统和数据处理系统(采用计算机即可实现)；参考系统包括码盘和电子罗盘。

惯性导航器件INS和UWB无线标签分别设置在行人的鞋子上，UWB无线参考节点和参考系统分别设置在设定位置，惯性导航器件INS、UWB无线标签和参考系统分别与数据处理系统连接；

数据处理系统包括：局部数据融合滤波器(采用自适应CKF强跟踪滤波器)、容积卡尔曼滤波器(采用平方根容积卡尔曼滤波器)、伪距数据处理模块、RTS平滑模块和均值滤波模块；

惯性导航器件INS与局部数据融合滤波器连接，惯性导航器件INS和UWB无线标签分别与伪距数据处理模块连接，伪距数据处理模块的输出连接容积卡尔曼滤波器；容积卡尔曼滤波器的输出依次连接RTS平滑模块和均值滤波模块后与减法器的一个输入端连接；局部数据融合滤波器的输出与减法器的另一个输入端连接。RTS平滑模块和均值滤波模块采用现有的模块即可实现，无需另外配置。

其中，伪距数据处理模块内置第一伪距平方和求取单元、第二伪距平方和求取单元和减法器单元；第一伪距平方和求取单元和第二伪距平方和求取单元分别与减法器单元连接。伪距数据处理模块用于求取惯性导航器件INS和UWB无线标签测量得到的伪距的平方和之差。第一伪距平方和求取单元用于求取惯性导航器件INS测量得到的伪距的平方和、第二伪距平方和求取单元用于求取UWB无线标签测量得到的伪距的平方和；第一伪距平方和求取单元和第二伪距平方和求取单元采用现有的求取平方和的模块的即可实现，无需另外配置。

局部数据融合滤波器用于对惯性导航器件INS解算的导航信息误差进行预估；惯性导航器件INS解算的导航信息误差包括姿态误差、位置误差、速度误差、加速度计误差和陀螺仪误差。通过容积卡尔曼滤波(CubatureKalmanfilter，CKF)将INS、UWB在本地相对坐标系中获取的导航信息进行数据融合；容积卡尔曼滤波器的输出依次经过平滑、滤波处理后，与局部数据融合滤波器的输出做差处理，最终得到当前时刻最优的导航信息。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种采用固定区间CRTS平滑的INS/UWB紧组合导航系统，其特征是，包括：

惯性导航器件INS、UWB无线标签、UWB无线参考节点、参考系统和数据处理系统；

所述惯性导航器件INS和UWB无线标签分别设置在行人的鞋子上，所述UWB无线参考节点和参考系统分别设置在设定位置，所述惯性导航器件INS、UWB无线标签和参考系统分别与数据处理系统连接。

2.如权利要求1所述的一种采用固定区间CRTS平滑的INS/UWB紧组合导航系统，其特征是，所述数据处理系统包括：局部数据融合滤波器、容积卡尔曼滤波器、伪距数据处理模块、RTS平滑模块和均值滤波模块；

所述惯性导航器件INS与局部数据融合滤波器连接，所述惯性导航器件INS和UWB无线标签分别与伪距数据处理模块连接，伪距数据处理模块的输出连接所述容积卡尔曼滤波器；所述容积卡尔曼滤波器的输出依次连接RTS平滑模块和均值滤波模块后与减法器的一个输入端连接；所述局部数据融合滤波器的输出与减法器的另一个输入端连接。

3.如权利要求2所述的一种采用固定区间CRTS平滑的INS/UWB紧组合导航系统，其特征是，所述伪距数据处理模块内置第一伪距平方和求取单元、第二伪距平方和求取单元和减法器单元；所述第一伪距平方和求取单元和第二伪距平方和求取单元分别与减法器单元连接。

4.如权利要求1所述的一种采用固定区间CRTS平滑的INS/UWB紧组合导航系统，其特征是，所述参考系统包括码盘和电子罗盘。