基于捷联惯性导航的室内定位系统设计研究

张洁　付素芳

摘 要：以捷联惯性导航技术为依托，对室内定位系统进行了设计，通过HMC5983三轴电子指南针模块、MPU6050陀螺加速度计模块以及蓝牙模块实现定位功能，配合STM32单片机，能够对载体在导航坐标系中的运动加速度进行计算，结合加速度积分计算，明确载体空间位置，具备良好的定位精度。

关键词：捷联惯性导航；室内定位系统；设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.103

1 引言

捷联惯性导航属于导航技术的一种，于载体上直接固定惯性测量期间，将输出通过数学平台进行导航结算。系统体积和质量较小，惯性仪表直接与载体连接的形式也略去了机电式导航平台，不仅安装方便，而且仪器的维护和更换简单，惯性仪表可以测量轴向线加速度及角速度，这些信息都是控制系统所必须的，余度配置的方式也保证了系统的可靠性。基于捷联惯性导航的室内定位系统，不仅可以结合位置修正点发送的RSSI对载体位置进行准确计算，也可以对现有位置信息进行修正，对累积误差进行补偿，在超市、商场、博物馆等室内环境下有着良好的应用效果。

2 基于捷联惯性导航的室内定位系统设计

2.1 整体方案设计

室内定位系统分为手持部分和蓝牙位置修正点，手持部分以STM32单片机为核心，包含了液晶显示模块、HMC5983三轴电子指南针模块、MPU6050陀螺加速度计模块以及蓝牙模块，单片机与其他模块的通信可以通过IIC和USART协议实现；蓝牙位置修正点主要是以单片机实现对蓝牙模块的控制，结合USART协议进行数据传输，可以自动向手持部分发送自身编号及坐标信息[1]。

2.2 定位算法设计

在室内定位系统中，定位算法是核心，也是保证定位准确性的关键。定位算法的设计包括几个方面的内容：

2.2.1 姿态角计算

姿态角可以通过四元数计算旋转矩阵获取，在算法中包含载体坐标系（b系）和导航坐标系（n系），可以实现两个坐标系的坐标快速转换，具体来讲，需要先运用毕卡逼近法二阶近似迭代算法对四元数值吉进行更新和归一化处理，然后计算旋转矩阵，坐标变换如图1所示。

2.2.2 修正计算

考虑到相对角速度误差的存在，伴随着时间的延长，姿态角（Ⅰ）中的累积误差会越来越大，需要结合加速度计模块和指南针模块采集到的数据，对姿态角（Ⅱ）进行推算，通过加权平均融合，对累积误差进行补偿。现阶段，对于融合计算环节权重系数的取值尚没有有效方法，一般需要凭借经验进行反复测试，依照现场实际反应确定。在实际应用中，为了尽量消除干扰，保证计算结果准确，应该针对读数进行卡尔曼滤波后，再进行计算。将两个姿态角进行加权平均融合[2]，可以得到最优姿态角：

2.2.3 载体位置计算

载体本身处于移动中，在对其位置信息进行计算时，需要首先设定初始位置，即，之后利用加速度计测量数据，进行比力换算，就能够得导航坐标系中的载体加速度，有：

积分一次，能够得到导航坐标系中的载体速度。

对速度积分一次，就能够得到導航坐标系中的载体位置。

2.2.4 蓝牙位置修正节点

修正节点能够通过接受信号强度指示实现定位，而在实际应用中，可以采用简化渐变模型，通过多次取平均值的方式，消除RSSIP误差，保证定位精度。

2.2.5 载体位置信息修正

捷联惯性导航本身存在累积误差，可以在关键区域安装蓝牙位置修正节点，对误差进行修正，通过修正节点计算得到的载体位置信息LB（k），与计算得到的载体位置信息LC（K）进行加权平均融合，就可以得到载体的准确位置信息。

2.3 设计方案验证

在125Hz采样频率下，以加速度计模块和电子指南针模块中的AD芯片对直线行走和正方形行走时的数据信息进行采集，通过定位算法，单片机能够对载体当前状态下的位置信息进行计算，结合蓝牙位置修正节点，进行加权平均融合修正，将计算得到的位置信息按照1Hz的频率，经蓝牙模块发送给上位机，在上位机中利用MATLAB软件进行仿真，将位置信息转化为载体运动轨迹。

对比修正前后的运动轨迹：修正前，随着时间的逐渐延长，载体的运动轨迹开始偏离实际运动路线；修正后，位置信息的累积误差得到补偿，定位的准确性也大大提高[3]。

3 结语

综上所述，本文提出了一种基于捷联惯性导航的室内定位系统设计方案，对系统结构进行了说明，并就室内定位的基本流程进行了阐述，结合定位算法设计，提出了姿态角计算和误差修正算法，运用蓝牙修正节点实现对累积误差的补偿，并结合直线轨迹与正方形轨迹实验，对设计方案的可行性与可靠性进行了验证，结果表明，本文提出的室内定位系统设计方案能够满足室内定位的基本要求。

参考文献：

[1]唐荔.基于捷联惯性导航的室内定位系统设计与实现[D].成都理工大学，2016.

[2]温熙.Kinect和惯性系统组合的室内定位技术研究[D].南昌大学，2016.

[3]刘见辉，王东，刘凤英等.高精度UWB/SINS组合室内定位系统研究[J].导航定位学报，2016，4（02）：53-56.

*为通讯作者

作者简介：张洁（1981-），本科，助理讲师，研究方向：机电工程。endprint