使用MEMS惯性测量单元和拓扑地图的室内定位与导航技术研究

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室内定位与导航潜藏着巨大的社会功能和经济效益，鉴于GNSS导航在室内环境中存在严重的信号衰减和多径问题，使用惯性测量单元进行不依赖于外部环境的自主定位与导航技术成为该领域研究的热点。
　　本文即使用MEMS惯性测量单元装配在行人脚部进行行走动作的测量，并作航位推算，然后结合行人所在室内的拓扑地图估计其在室内的位置和航迹。具体而言，本文在研究和构建完整的基于MEMS惯性测量单元的室内定位与导航试验系统中完成如下工作：
　　首先，本文针对室内定位与导航领域对精度、实时性和成本等各方面的需求，对导航系统平台的架构和整体工作流程做了设计，并针对其中所涉及的MEMS惯性测量传感器精度级别较低的特点进行了误差分析，在对惯性测量传感器的误差分析中，将其测量误差源分为确定性偏差与随机噪声两类，提出了一个综合性的校准方案。
　　其次，传统的行人航位推算方法基于扩展卡尔曼滤波器和对行人脚步站姿的检测方法从而得到最优估计的行人航迹。但这一方法并未考虑惯性测量传感器的确定性偏差，使得推算航迹偏离实际航迹较大。本文所提出的最优航迹推算方案加入了对传感器确定性偏差的校准，通过建立一个综合性的误差模型，将计算得到的确定性校准系数以及Allan方差作为参数用于卡尔曼滤波器中，同时对两类误差进行补偿，根据所使用的传感器，以实际行走总距离为基准，新的方案使得最终航迹推算的位置精度相比传统方法提高了30％左右。
　　然后，本文根据行人航位推算结果使用基于粒子滤波的地图匹配算法估计行人在室内的位置与航迹。这一地图匹配算法需要利用到室内地图中门、房间、走廊等结构信息及其空间关系，本文采用一种容差性的方案提取所需建筑结构并构建室内拓扑地图。不同于已有室内地图拓扑化方案中将走廊作为路径，走廊中拐点作为节点的拓扑数据结构，本文在提取出室内门、房间、走廊等空间结构后，将可以通行的空间作为路径以及将门作为节点进行室内拓扑地图的构建，一方面可以使用可通行空间的轮廓作为路径约束，用于地图匹配所使用粒子滤波算法的重要性采样中，另一方面将房间也纳入到可通行空间中，更加符合实际中行人常常在房间之间进行活动的特点。
　　最后，采用手机客户端实现演示系统，对地图匹配算法进行了实验验证，结果显示最终地图匹配的位置精度可以达到±1.5m左右，行人可以根据匹配结果确定当前所在室内的位置，证明了该室内导航方案的有效性。

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作者
尹杭;
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作者单位

电子科技大学;

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授予单位电子科技大学;
学科电子与通信工程
授予学位硕士
导师姓名张伟;
年度 2014
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类卫星导航系统;
关键词
室内定位; 导航技术; MEMS惯性测量单元; 拓扑地图; 航迹推算;

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