基于多傳感融合的室內(nèi)行徑角度糾偏系統(tǒng)

祝文飛 周建業(yè) 史倩倩 徐長君

摘要：物聯(lián)網(wǎng)最終的目的就是要實(shí)現(xiàn)信息的共享，因此，傳感信息的獲取和傳輸就必須和互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系在一起。傳感信息的獲取是信息融合的前提，傳感器類型的多樣性和觀測對(duì)象的多樣性決定了采用統(tǒng)一的信息標(biāo)準(zhǔn)來描述記錄信息可以減少數(shù)據(jù)發(fā)布和共享的難度。隨著傳感器Web網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，傳感器的數(shù)量越來越多，分布越來越廣泛，傳感信息也越來越開放。如何充分發(fā)揮這些傳感器的作用，使其能構(gòu)成信息服務(wù)的基礎(chǔ)信息，為信息服務(wù)的智能化發(fā)揮最大的作用，是擺在信息服務(wù)領(lǐng)域面前的一個(gè)重要課題。希望通過本文的分析和研究，給行業(yè)內(nèi)人士以借鑒和啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：多傳感融合;室內(nèi)行徑角度;糾偏系統(tǒng)

引言

多傳感器信息的融合可以在泛在環(huán)境中通過綜合處理獲取單個(gè)傳感器無法獲取的信息，這樣就可以從不同角度反映檢測目標(biāo)的各個(gè)方面，降低監(jiān)測對(duì)象的不確定性，就可以減少干擾的影響，提高判斷和決策的準(zhǔn)確度和可信度。因此，多傳感信息融合及其應(yīng)用的研究無論對(duì)傳感器信息獲取的延伸還是對(duì)智慧信息服務(wù)的建立都是有十分重要意義的。

1 傳感信息融合算法現(xiàn)狀

雖然關(guān)于多傳感信息融合的研究很多，但是到現(xiàn)在還沒有一個(gè)廣義的、有效的融合算法。從信息的角度來分析信息融合的層次，涉及到的有數(shù)據(jù)層、特征層和決策層算法?，F(xiàn)在關(guān)于決策層信息融合方法——D-S證據(jù)理論的研究很多，證據(jù)理論有許多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)并不盡如人意。研究者給出的解決方案主要集中在兩個(gè)方面：（1）第一種方案認(rèn)為D-S組合規(guī)則在證據(jù)高沖突的情況下進(jìn)行歸一化，將沖突信息簡單的丟棄是不合理的，應(yīng)該對(duì)沖突信息進(jìn)行分配，著手解決如何進(jìn)行分配的問題。（2）第二種方案認(rèn)為D-S證據(jù)組合規(guī)則本身具有堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，如果得到的證據(jù)之間有沖突，那就先修改證據(jù)體對(duì)識(shí)別框架中焦元的支持程度，然后再用組合公式和結(jié)合律進(jìn)行計(jì)算。

2 傳感信息融合模型現(xiàn)狀

隨著傳感網(wǎng)的發(fā)展，傳感器的數(shù)量越來越多，分布越來越廣泛，但是至今還沒有一個(gè)通用的傳感器信息處理模型來對(duì)傳感器資源、處理系統(tǒng)及其兩者之間的聯(lián)系進(jìn)行描述。信息處理過程其實(shí)就是一個(gè)信息模型表達(dá)方式，它的來源是傳感器資源、控制信息和傳感器監(jiān)測結(jié)果。有的學(xué)者集成現(xiàn)有的技術(shù)，旨在建立通用信息融合構(gòu)架，希望能夠盡可能多的將其應(yīng)用到各種信息融合系統(tǒng)中。但是，當(dāng)下還沒有形成完整的理論框架和融合模型，現(xiàn)在已經(jīng)使用的多傳感信息功能模型有Dasarathy功能模型（對(duì)數(shù)據(jù)融合做了一個(gè)非常有用的分類，它是根據(jù)所處理的數(shù)據(jù)或者信息的類型和處理得到的類型來定義的。這個(gè)分類的突出優(yōu)點(diǎn)是可以用自然的方式將技術(shù)類型映射到其中）、聯(lián)合指揮實(shí)驗(yàn)室（JDLJointDirectorsofLaboratories）模型（對(duì)信息融合的功能進(jìn)行了邏輯的劃分，它包含了任意信息融合系統(tǒng)的一些功能定義）、Omnibus功能模型（有閉環(huán)回路來控制信息的流動(dòng)，并且對(duì)信息融合的功能進(jìn)行了邏輯的劃分）等，但是它們都是或多或少地有著種種缺憾，不能推而廣之。

3 行徑角度糾偏算法

3.1基于四元數(shù)的手機(jī)姿態(tài)角解算

目前，行人航跡推測（PDR）系統(tǒng)中通常采用手機(jī)讀取的磁力計(jì)或陀螺儀數(shù)據(jù)直接計(jì)算行人行徑角度。然而，手機(jī)讀取的數(shù)據(jù)是以手機(jī)坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的，實(shí)際定位則使用的是地球坐標(biāo)系。由于手機(jī)坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系間本身就存在一定的差異，這使得最終得到的航向角受其影響而出現(xiàn)偏差。為了解決數(shù)據(jù)采集上的糾偏問題，需要將基于手機(jī)坐標(biāo)系采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地球坐標(biāo)系求得手機(jī)的三維姿態(tài)角。宋鏢等采用地磁強(qiáng)度投影到地球坐標(biāo)系的方式，舍棄東西方向接近為0的分量換算求得姿態(tài)角。但由于通過手機(jī)傳感器測得的地磁三維坐標(biāo)會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，使得換算出的姿態(tài)角也會(huì)存在一定偏差。受無人機(jī)姿態(tài)解算的啟發(fā)，需對(duì)于運(yùn)載體機(jī)體進(jìn)行姿態(tài)解算，然而歐拉角法無法進(jìn)行全姿態(tài)解算;方向余弦法計(jì)算繁瑣并存在非正交化誤差;因此，須采用四元數(shù)法將智能手機(jī)中陀螺儀所測量的三軸角速度，通過適當(dāng)解算得到手機(jī)的姿態(tài)，對(duì)用戶行走時(shí)的方向進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。

3.2基于序貫分布式二階卡爾曼濾波的用戶轉(zhuǎn)角矯正

由于手機(jī)傳感器的精度有限，以及受室內(nèi)磁性材料的干擾，使得陀螺儀和電子羅盤得到的方向并不準(zhǔn)確。其中陀螺儀雖不易受周圍環(huán)境影響卻會(huì)隨著時(shí)間的增加而產(chǎn)生累積誤差，而電子羅盤雖不會(huì)產(chǎn)生累積誤差，卻會(huì)由于磁力計(jì)易受周圍環(huán)境的影響使其測得數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度較大。因此，為了得到更精準(zhǔn)方向，系統(tǒng)采用多傳感器信息融合的方式，將磁力計(jì)、陀螺儀數(shù)據(jù)處理再融合。為了解決在多傳感器目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)中存在的未知?jiǎng)討B(tài)偏差問題，等提出了一種分布式兩階段卡爾曼濾波算法使其在并列式融合框架下運(yùn)行，雖然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)狀態(tài)和動(dòng)態(tài)偏差進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)，但是實(shí)時(shí)性差，復(fù)雜度高。因此本系統(tǒng)采用序貫式融合濾波框架，通過序貫分布式二階卡爾曼濾波融合系統(tǒng)，對(duì)用戶行徑過程中的實(shí)際偏角進(jìn)行矯正并準(zhǔn)確識(shí)別用戶實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

3.3用戶行走狀態(tài)姿態(tài)錯(cuò)判糾正

用戶在實(shí)際行走過程中，并不能一直保持一種狀態(tài)（如一直將手機(jī)握在手中或放在口袋中）。而此時(shí)若用戶更換了行走狀態(tài)，手機(jī)各傳感器的大幅變化則會(huì)被系統(tǒng)誤判為用戶正在轉(zhuǎn)向。為了避免由此誤判而造成最終循跡定位失敗，要通過識(shí)別用戶實(shí)際行走的狀態(tài)，來確定用戶是否確實(shí)在進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

3.4用戶行走狀態(tài)姿態(tài)錯(cuò)判糾正

實(shí)驗(yàn)過程中，用戶先將手機(jī)放在口袋，行走過一段時(shí)間后，再將手機(jī)從口袋中拿出放在手中平置手機(jī)并轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向后行走過一段時(shí)間后，再將手機(jī)放回口袋中，行走一段時(shí)間，再次轉(zhuǎn)向行走一段時(shí)間的行走方式。在用戶行走狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，如原本手持并平置手機(jī)行走，然后將手機(jī)放進(jìn)口袋;又或是手機(jī)本在口袋，然后從口袋中拿出，此時(shí)手機(jī)的姿態(tài)發(fā)生較大變化，三軸姿態(tài)角也隨之有巨大改變，因此差分求和所得的綜合姿態(tài)角變化則會(huì)十分明顯。而用戶在轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于只是航向角的變化明顯，所以差分求和所得的綜合姿態(tài)角變化并沒有明顯改變。因此，在本系統(tǒng)用戶定位過程中，若檢測到綜合姿態(tài)角變化巨大，則依舊按原方向行走方式處理，并不會(huì)因?yàn)橛脩粜袨闋顟B(tài)的改變而影響最終的定位結(jié)果。

結(jié)語

本文針對(duì)手機(jī)作為定位系統(tǒng)的前端，在通過傳感器感知行人運(yùn)動(dòng)軌跡的過程中，手機(jī)位置不固定，隨意擺動(dòng)所導(dǎo)致得PDR角度識(shí)別偏差問題提出了一種基于智能手機(jī)的室內(nèi)行徑角度糾偏及多傳感器信息融合的定位系統(tǒng)。實(shí)測結(jié)果表明，通過姿態(tài)解算及二階序貫分布式卡爾曼濾波處理后的電子羅盤及陀螺儀數(shù)據(jù)所得的PDR定位系統(tǒng)，對(duì)用戶朝向偏角的測算進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)的同時(shí)，定位精度也有了顯著提升。隨后將改進(jìn)后的PDR與地磁信息有效的融合，達(dá)到相比于傳統(tǒng)PDR定位更穩(wěn)定，定位精度更高的定位效果。本文中側(cè)重于對(duì)即將偏離正確路徑的PDR數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，對(duì)于已經(jīng)明顯偏離正確路徑的PDR數(shù)據(jù)所做的研究不夠充分，下一步將加入地標(biāo)等元素，對(duì)于已經(jīng)明顯偏離正確路徑的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步矯正。

參考文獻(xiàn)：

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