三維定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要:針對(duì)消防室內(nèi)定位技術(shù)的需求，搭建了基于慣性測量元件的室內(nèi)三維定位系統(tǒng)。首先，利用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性傳感器獲取行人運(yùn)動(dòng)過程中的必要參數(shù)。然后基于行人航跡推算(PDR)算法，實(shí)時(shí)計(jì)算出行人行走的步數(shù)和步長;通過氣壓傳感器實(shí)時(shí)采集行人所處位置的高度。最后，利用無線數(shù)傳模塊結(jié)合服務(wù)器端處理，實(shí)現(xiàn)行人的室內(nèi)三維定位。測試表明:系統(tǒng)在正常行走的情況下，可以滿足行人的室內(nèi)三維定位要求。
關(guān)鍵詞:室內(nèi)三維定位;微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性傳感器;行人航跡推算;氣壓傳感器
0引言
在城市化進(jìn)程中，大型建筑物已成為人們棲身立業(yè)的主要場所。實(shí)現(xiàn)室內(nèi)三維定位，可以更好地進(jìn)行人群行動(dòng)規(guī)劃，出現(xiàn)火災(zāi)等意外時(shí)也可以更好保障人員財(cái)產(chǎn)安全，所以室內(nèi)定位問題具有重要研究價(jià)值。本文設(shè)計(jì)了以慣性元件為基礎(chǔ)的室內(nèi)三維定位系統(tǒng)，系統(tǒng)使用STM32F103單片機(jī)，從低成本的微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanicalsystem，MEMS)慣性傳感器LPMS-ME1獲取行人行走時(shí)的慣性參量，從帶溫度補(bǔ)償?shù)臍鈮簜鞲衅髂KBMP180獲取高度信息，經(jīng)預(yù)處理后，通過無線數(shù)傳模塊CC1101將預(yù)處理結(jié)果傳輸至服務(wù)器，經(jīng)服務(wù)器再處理實(shí)現(xiàn)行人的室內(nèi)三維定位。
1利用慣性測量元件進(jìn)行三維定位的理論研究
本文利用慣性傳感器陀螺儀來測量運(yùn)載體本身的慣性參量，然后利用積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算得到運(yùn)載體的運(yùn)動(dòng)速度、相對(duì)距離等信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位［1，2］。
導(dǎo)航坐標(biāo)系記作OnXnYnZn。選取北東地地理坐標(biāo)系，即導(dǎo)航坐標(biāo)系的原點(diǎn)On位于運(yùn)載體的重心，Xn，Yn，Zn分別指向北方、東方、大地方向，符合右手定律。載體坐標(biāo)系記作ObXbYbZb。原點(diǎn)Ob位于運(yùn)載體的重心，Xb，Yb，Zb分別指向運(yùn)載體的前方、右方、下方，符合右手定律。載體坐標(biāo)系(Xb軸為前進(jìn)正方向)繞Xb，Yb，Zb軸旋轉(zhuǎn)的角度分別記為γ，θ，ψ。通過導(dǎo)航坐標(biāo)系(n系)到載體坐標(biāo)系(b系)的旋轉(zhuǎn)矩陣可求出載體的翻滾角、俯仰角以及航向角。
基于慣性傳感器的行人航位推算一般用于行人的二維定位，利用基于過零點(diǎn)檢測法來計(jì)算行人步數(shù)。一般行人正常的行走的步幅范圍為45～85cm，并且同一個(gè)人在正常行走時(shí)的步幅變化不大［4］。擬合一種線性步長估計(jì)模型［5］。行人的航向角可以由慣性傳感器輸出的歐拉角來獲得。由于本系統(tǒng)的慣性傳感器件將佩戴于行人腰間，且Zb軸平行于水平面指向行人的前方，所以，慣性傳感器的翻滾角即為行人的航向角。本文擬采用高度測量按鍵初始化的方法，人為地設(shè)定參考平面，即先采集初始位置的大氣壓值p＇0作為參考大氣壓，再根據(jù)當(dāng)前的大氣壓來計(jì)算相對(duì)高度。
本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端由STM32F103單片機(jī)、9軸慣性傳感器模塊LPMS—ME1、帶溫度補(bǔ)償?shù)臍鈮簜鞲衅髂KBMP180以及工作頻段為433MHz的無線數(shù)傳模塊CC1101組成;服務(wù)器端由STM8L101單片機(jī)最小系統(tǒng)板、工作頻段為433MHz的無線數(shù)傳模塊CC1101以及PC機(jī)組成。
3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集終端的主要任務(wù)是對(duì)行人運(yùn)動(dòng)時(shí)的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行采樣與初步處理，該部分的軟件設(shè)計(jì)基于STM32F103ZET6的最小系統(tǒng)板，通過I2C和SPI通信協(xié)議分別與慣性傳感器、大氣壓傳感器和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)送模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。無線通信的數(shù)據(jù)傳輸率為250kBaud/s，每一包數(shù)據(jù)包含7個(gè)有效字節(jié)，分別是設(shè)備編號(hào)(1個(gè)字節(jié))、數(shù)據(jù)類型代碼(1個(gè)字節(jié))、數(shù)據(jù)(4個(gè)字節(jié))、校驗(yàn)和(1個(gè)字節(jié))。
3．1服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)
服務(wù)器端的主要任務(wù)是對(duì)數(shù)據(jù)采集終端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收與再處理，并將行人的定位結(jié)果顯示出來。STM8L101單片機(jī)最小系統(tǒng)板通過SPI接口與無線數(shù)傳的接收模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)的串口，使用Python中的serial模塊讀取串口數(shù)據(jù)便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)定位數(shù)據(jù)的接收與再處理。
3．2基于慣性傳感器的行人航位推算算法
為減小定位誤差，將采用硬件復(fù)位，軟件計(jì)算校正的方法。由于本系統(tǒng)中的慣性傳感器佩戴在行人的腰間，且Zb軸平行于水平面指向行人的前方，所以，讀取本慣性傳感器的翻滾角即為行人的航向角。將數(shù)據(jù)采集終端固定在行人的腰部，行人行走一段距離，將傳感器采集到的加速度數(shù)據(jù)通過無線模塊傳輸?shù)椒?wù)器端，并繪制接收數(shù)據(jù)的二維圖像。
本文初步選用X軸方向的加速度值來計(jì)算步數(shù)，Y軸、Z軸方方向的加速度值可用來輔助計(jì)算步長。當(dāng)行人并沒有走動(dòng)或正常走動(dòng)的過程中身體有抖動(dòng)時(shí)，加速度計(jì)可能會(huì)將Z軸的波動(dòng)計(jì)算在內(nèi)而進(jìn)行計(jì)步。為了避免這種情況的發(fā)生，設(shè)置一個(gè)Δt，表示檢測到的兩步的時(shí)間間隔。當(dāng)行人正常行走時(shí)，一般1s內(nèi)行走步數(shù)少于3步［7］，因此本文Δt=0．25s。行人正常行走的過程中，采集行人的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，使用Excel對(duì)采集到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸計(jì)算，求得步長模型SLk=0．3288×Fk+0．4377×As－0．1320(3)相關(guān)系數(shù)R2≈0．91，表明數(shù)學(xué)模型較好的符合原始數(shù)據(jù)。
4測試結(jié)果與分析
4．1結(jié)果展示
將傳感器固定于行人腰部，對(duì)步長估計(jì)模型的準(zhǔn)確度進(jìn)行測試。當(dāng)行人正常行走時(shí)，將傳感器佩戴于測試人員腰部，進(jìn)行變高測試。行人從一樓走上四樓，觀察服務(wù)器端行人高度信息的變化。由于該大氣壓傳感器的高度信息波動(dòng)較大，所以，對(duì)原始的高度數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波。為了驗(yàn)證本系統(tǒng)可以正常的完成基于慣性測量元件的室內(nèi)三維定位，將傳感器固定于行人腰部，行人在三樓初始化本系統(tǒng)之后，走到一樓，在服務(wù)器端對(duì)行人進(jìn)行三維定位測試。
4．2結(jié)果分析
由上述測試的結(jié)果可知，在行人身體沒有太大抖動(dòng)的前提下，計(jì)步算法的準(zhǔn)確度達(dá)到了95%以上，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)行人的步數(shù)計(jì)算功能，且誤差在可以接受的范圍之內(nèi);在行人正常行走的過程中，步長估計(jì)模型的步長估計(jì)準(zhǔn)確度達(dá)到了90%以上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)行人的步長估計(jì);由于氣壓容易受到外界的干擾，所以高度數(shù)據(jù)有較大波動(dòng)，上下波動(dòng)的范圍在可接受的1m以內(nèi)。
5結(jié)論
本文研究的內(nèi)容主要是基于慣性測量元件的三維定位，分別從硬件和軟件兩個(gè)方面闡述了利用慣性測量元件進(jìn)行三維定位的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，介紹了各個(gè)模塊的基本原理及無線通信防碰撞的實(shí)現(xiàn)方法，定義了無線通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了基于慣性傳感器的行人航位推算以及空間高度信息獲取。經(jīng)過軟硬件調(diào)試和實(shí)際測試結(jié)果得知:行人正常行走100m，定位誤差在1．5m以內(nèi)，完成了利用慣性測量元件進(jìn)行三維定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
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作者：靜宜 曾祥燁 蘇彥莽 倪立強(qiáng) 高東奇 白夢帥 單位：河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院 天津市電子材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室