基于MEMS的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

馬文君，陳　成，周嘉彬，許衛(wèi)衛(wèi)，章彬彬（南京航空航天大學(xué)　金城學(xué)院，南京　211156）

基于MEMS的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

馬文君，陳成，周嘉彬，許衛(wèi)衛(wèi)，章彬彬
（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，南京211156）

MEMS傳感器的室內(nèi)定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一種完全自主無盲區(qū)，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及顯示終端的功能，本文主要對(duì)采用了MEMS傳感器模塊進(jìn)行測(cè)量行人運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并通過定位計(jì)算機(jī)進(jìn)行解算，實(shí)時(shí)確定行人行進(jìn)方向、速度、位置等信息的室內(nèi)定位系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。

行人慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；零速檢測(cè)；實(shí)時(shí)定位；設(shè)計(jì)

0　引言

伴隨微電子技術(shù)迅猛發(fā)展，導(dǎo)航定位技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已漸漸從軍事化轉(zhuǎn)向了商用化。人們?cè)诠ぷ?、學(xué)習(xí)、生活中大約80%的時(shí)間都是在室內(nèi)環(huán)境下度過的，室內(nèi)定位技術(shù)得到了大力發(fā)展，受到了越來越多企業(yè)和民眾的重視，具有很高的商業(yè)價(jià)值。在現(xiàn)實(shí)生活中，也有越來越多的情境需要使用到室內(nèi)定位技術(shù)：例如在一個(gè)工廠倉庫里，尋找所需要的產(chǎn)品；在火場(chǎng)中，對(duì)消防救助人員進(jìn)行定位跟蹤；在醫(yī)院里，跟蹤定位周圍的醫(yī)護(hù)人員及儀器；在商場(chǎng)停車場(chǎng)尋找停車位等等。

MEMS是一種操作范圍在微米范圍內(nèi)工業(yè)技術(shù)，它將傳統(tǒng)的機(jī)械工程與現(xiàn)代微電子技術(shù)有機(jī)地融合到了一起，并且具備如下特點(diǎn)：體積小、重量輕、成本低且低功耗，諧振頻率高，響應(yīng)時(shí)間短，性能穩(wěn)定，綜合集成度高。MEMS在日常生活、工作和學(xué)習(xí)中都具有廣泛的研究開發(fā)和應(yīng)用推廣前景，隨著微制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在通過IC等工藝技術(shù)已可實(shí)現(xiàn)MEMS設(shè)備的大批量生產(chǎn)。隨著MEMS技術(shù)的興起和發(fā)展，MEMS傳感器應(yīng)用逐漸成為導(dǎo)航定位技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。

本系統(tǒng)采用低成本MEMS器件作為唯一定位信息來源，采用信息實(shí)時(shí)處理的方法，實(shí)現(xiàn)不依賴于外界信息的實(shí)時(shí)自主定位功能，并且引入零速修正技術(shù)提高系統(tǒng)定位精度。

1　行人慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊

下位機(jī)傳感器測(cè)量模塊為MPU-6050MEMS傳感器，是由三軸MEMS加速度計(jì)與三軸MEMS陀螺儀構(gòu)成的微慣性測(cè)量單元，實(shí)時(shí)測(cè)量得到傳感器信息，包括加速度和角速度信息。數(shù)據(jù)通過串口在下位機(jī)和上位機(jī)之間傳輸，由電纜連接上下位機(jī)。

1.2數(shù)據(jù)接收和解包模塊

上位機(jī)軟件，由串行通信控件MSComm對(duì)下位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。MSComm控件由微軟公司開發(fā)，致力于串行通信的控件。通過選取特定的函數(shù)對(duì)MSComm控件的屬性進(jìn)行設(shè)置（例如串口號(hào)、波特率等），可以對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。數(shù)據(jù)讀取之后，放入預(yù)先設(shè)定的環(huán)形緩沖區(qū)儲(chǔ)存，等達(dá)到一定數(shù)量再進(jìn)行解包、進(jìn)一步處理可得到傳感器數(shù)據(jù)。

1.3在線標(biāo)定和導(dǎo)航解算模塊

室內(nèi)定位系統(tǒng)平臺(tái)最重要的功能是實(shí)時(shí)定位解算，得到個(gè)人的位置信息。室內(nèi)定位系統(tǒng)采用了低成本的MEMS慣性傳感器作為數(shù)據(jù)采集工具，然而器件的重復(fù)性和精確度無法達(dá)到很高的要求，因此為了提高傳感器精度，需要在定位系統(tǒng)正常工作之前進(jìn)行在線標(biāo)定。

2　零速檢測(cè)

微慣性傳感器的精度較低，且誤差發(fā)散快，所以傳統(tǒng)的捷聯(lián)慣性定位不能很好地適用于室內(nèi)定位系統(tǒng)。本系統(tǒng)擬加入零速修正技術(shù)來完善捷聯(lián)解算算法，圖1為定位算法的框架示意圖：系統(tǒng)采集傳感器數(shù)據(jù)從而捷聯(lián)解算，檢測(cè)零速時(shí)刻并使用零速修正技術(shù)減少導(dǎo)航誤差的發(fā)散。精確進(jìn)行零速時(shí)刻的判斷是零速修正技術(shù)應(yīng)用的前提，將加速度計(jì)輸出比力統(tǒng)計(jì)特性作為判斷的主要條件，設(shè)計(jì)零速檢測(cè)算法，進(jìn)行零速修正。

圖1　室內(nèi)定位算法框圖

為了實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)處理并且準(zhǔn)確判斷零速時(shí)刻，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用窗口型緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)統(tǒng)一先進(jìn)入窗口緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，開始逐一提取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行正式的定位解算。窗口緩沖區(qū)采用FIFO隊(duì)列形式，主要用作判斷零速：若數(shù)據(jù)滿足零速判斷的條件，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行零速處理；若不滿足則導(dǎo)航解算直接從緩沖區(qū)中提取數(shù)據(jù)。

3　信息顯示和存儲(chǔ)模塊

圖2　室內(nèi)定位系統(tǒng)框圖

上位機(jī)搭載客戶端軟件，主要作用是接收和處理傳感器數(shù)據(jù)。平臺(tái)按照功能分為三部分：數(shù)據(jù)接收部分、解算部分、圖形顯示部分。定位數(shù)據(jù)將會(huì)實(shí)時(shí)的顯示在用戶界面，用戶的實(shí)時(shí)位置也會(huì)有二維顯示控件直觀地反映。用戶界面同時(shí)也會(huì)實(shí)時(shí)顯示解算得到的定位結(jié)果。為了方便后期分析使用，傳感器原始數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)將以文件的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。

圖2為室內(nèi)定位系統(tǒng)框圖，整套平臺(tái)包括四大模塊：數(shù)據(jù)采集和發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收和處理模塊、在線標(biāo)定和定位解算模塊、信息顯示和存儲(chǔ)模塊。

4　驗(yàn)證方案演示

本文開發(fā)的行人慣性導(dǎo)航系統(tǒng)平臺(tái)經(jīng)過了行走實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)過程中，足部會(huì)安置一個(gè)搭載慣性器件的下位機(jī)，由串口與上位機(jī)連接，用來測(cè)量足部運(yùn)動(dòng)信息，一旦上位機(jī)接收到傳感器信息，便可以開始進(jìn)行處理并實(shí)時(shí)導(dǎo)航。我們會(huì)進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)，行走路線包含直角、圓弧、直線等，基本體現(xiàn)行人水平正常行走的線路。路線1從教學(xué)樓門前出發(fā)，繞草坪一周后回到樓前，距離250m 左右。路線2繞一座樓進(jìn)行四邊形路線行走，距離200m 左右。路線3繞兩個(gè)草坪“8”字形行走，距離100m 左右。三次行走起始點(diǎn)選為同一地點(diǎn)，為了方便誤差的判斷。程序?qū)Ш浇Y(jié)果顯示三次行走實(shí)驗(yàn)的誤差分別為3.4、2.3和0.4m，滿足誤差小于2%的整體設(shè)計(jì)要求，證明本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的行人慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有較高的導(dǎo)航精度。

5　結(jié)束語

本項(xiàng)目研究基于MEMS傳感器的室內(nèi)定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一種完全自主無盲區(qū)，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及顯示終端的室內(nèi)定位系統(tǒng)，本系統(tǒng)為基于自身傳感器的室內(nèi)定位提供了一種簡(jiǎn)單而有效的方法，可以進(jìn)一步融合完善，并推廣應(yīng)用到火場(chǎng)救援、車庫停車、治安等諸多場(chǎng)景之中。

［1］許睿.行人導(dǎo)航系統(tǒng)算法研究與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

［2］陳偉.基于GPS 和自包含傳感器的行人室內(nèi)外無縫定位算法研究［D］.合肥：中國(guó)科技大學(xué)，2010.

［3］張金亮，秦永元，梅春波.基于MEMS 慣性技術(shù)的鞋式個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)［J］.中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，19（03）：253-256.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.229