使用MEMS慣性測量單元和拓撲地圖的室內定位與導航技術研究.pdf

1、室內定位與導航潛藏著巨大的社會功能和經(jīng)濟效益，鑒于GNSS導航在室內環(huán)境中存在嚴重的信號衰減和多徑問題，使用慣性測量單元進行不依賴于外部環(huán)境的自主定位與導航技術成為該領域研究的熱點。
　　本文即使用MEMS慣性測量單元裝配在行人腳部進行行走動作的測量，并作航位推算，然后結合行人所在室內的拓撲地圖估計其在室內的位置和航跡。具體而言，本文在研究和構建完整的基于MEMS慣性測量單元的室內定位與導航試驗系統(tǒng)中完成如下工作：
　　首先

2、，本文針對室內定位與導航領域對精度、實時性和成本等各方面的需求，對導航系統(tǒng)平臺的架構和整體工作流程做了設計，并針對其中所涉及的MEMS慣性測量傳感器精度級別較低的特點進行了誤差分析，在對慣性測量傳感器的誤差分析中，將其測量誤差源分為確定性偏差與隨機噪聲兩類，提出了一個綜合性的校準方案。
　　其次，傳統(tǒng)的行人航位推算方法基于擴展卡爾曼濾波器和對行人腳步站姿的檢測方法從而得到最優(yōu)估計的行人航跡。但這一方法并未考慮慣性測量傳感器的確定性

3、偏差，使得推算航跡偏離實際航跡較大。本文所提出的最優(yōu)航跡推算方案加入了對傳感器確定性偏差的校準，通過建立一個綜合性的誤差模型，將計算得到的確定性校準系數(shù)以及Allan方差作為參數(shù)用于卡爾曼濾波器中，同時對兩類誤差進行補償，根據(jù)所使用的傳感器，以實際行走總距離為基準，新的方案使得最終航跡推算的位置精度相比傳統(tǒng)方法提高了30％左右。
　　然后，本文根據(jù)行人航位推算結果使用基于粒子濾波的地圖匹配算法估計行人在室內的位置與航跡。這一地圖匹

4、配算法需要利用到室內地圖中門、房間、走廊等結構信息及其空間關系，本文采用一種容差性的方案提取所需建筑結構并構建室內拓撲地圖。不同于已有室內地圖拓撲化方案中將走廊作為路徑，走廊中拐點作為節(jié)點的拓撲數(shù)據(jù)結構，本文在提取出室內門、房間、走廊等空間結構后，將可以通行的空間作為路徑以及將門作為節(jié)點進行室內拓撲地圖的構建，一方面可以使用可通行空間的輪廓作為路徑約束，用于地圖匹配所使用粒子濾波算法的重要性采樣中，另一方面將房間也納入到可通行空間中，更