基于PDR的定位與跟蹤技術(shù)研究及系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、位置信息在人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦邪l(fā)揮著重要的作用，伴隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，人們對(duì)定位與導(dǎo)航的需求也在不斷增長(zhǎng)。但由于城鎮(zhèn)現(xiàn)代化程度的不斷提高，建筑物的功能越來(lái)越完善，其結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，人們大部分時(shí)間活動(dòng)于辦公樓、博物館、圖書(shū)館，以及大型商場(chǎng)等建筑物內(nèi)部。諸多因素導(dǎo)致單純的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）已經(jīng)無(wú)法滿足人們對(duì)全地點(diǎn)定位（室內(nèi)和室外無(wú)縫定位）的需求。

2、>　　隨著射頻信號(hào)處理和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，種類繁多、不同精度等級(jí)的無(wú)線室內(nèi)定位方案相繼出現(xiàn)，并展現(xiàn)出低成本、低功耗、高精度、實(shí)時(shí)定位的發(fā)展趨勢(shì)。通常此類系統(tǒng)需要在待定位區(qū)域布置一定密度的參考定位信標(biāo)，甚至需要提前完成大量的數(shù)據(jù)采集和分析，且其定位精度取決于參考信標(biāo)的性能和密度，系統(tǒng)成本與其所能提供定位服務(wù)的區(qū)域面積成比例，面對(duì)大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，優(yōu)勢(shì)并不明顯。近年來(lái)，隨著慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit, I

3、MU）器件的性價(jià)比不斷提高，基于慣性傳感的人員位置推算（Pedestrian Dead Reckoning，PDR）技術(shù)逐漸成為一種解決人員室內(nèi)定位的方案。基于PDR技術(shù)的人員定位與跟蹤系統(tǒng)所需的設(shè)備體積小，無(wú)需在待定位區(qū)域布置定位信標(biāo)，系統(tǒng)成本僅與待定位目標(biāo)的數(shù)量有關(guān)，非常適合大規(guī)模應(yīng)用。由于IMU器件的測(cè)量精度及位置推算（Dead Reckoning，DR）工作原理固有的累積誤差問(wèn)題，基于PDR技術(shù)的定位系統(tǒng)性能還有待提高。

4、　　針對(duì)基于PDR理論和技術(shù)的人員定位與跟蹤系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵問(wèn)題，本文研究了以下內(nèi)容：
　?。?）基于慣性傳感參量的人員行進(jìn)動(dòng)作特性分析與識(shí)別
　　為了精確地計(jì)算人員的移動(dòng)距離，PDR系統(tǒng)首先需要對(duì)人員的行進(jìn)動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別。本文利用慣性測(cè)量單元采集人員行進(jìn)過(guò)程中腰部和脛骨運(yùn)動(dòng)的加速度和角速度等數(shù)據(jù)，建立用于行進(jìn)動(dòng)作識(shí)別的慣性傳感數(shù)據(jù)庫(kù)。分析腰部和脛骨兩個(gè)部位在行進(jìn)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)特性，包括平地行走、跑步、上樓梯和下樓梯等日常常見(jiàn)的

5、行進(jìn)動(dòng)作。提出一種結(jié)合運(yùn)動(dòng)特性尋找零速率修正（Zero Velocity Updates，ZUPT）點(diǎn)的方法，對(duì)連續(xù)的行進(jìn)過(guò)程進(jìn)行步態(tài)劃分。提取行進(jìn)步態(tài)的慣性數(shù)據(jù)特征，采用支持向量機(jī) SVM理論構(gòu)建行進(jìn)動(dòng)作分類器。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能實(shí)現(xiàn)較高準(zhǔn)確度的人員行進(jìn)動(dòng)作分類。
　?。?）基于腰部運(yùn)動(dòng)模型的步長(zhǎng)估計(jì)方法
　　人員移動(dòng)由單步動(dòng)作組成，單步步長(zhǎng)的計(jì)算對(duì)于PDR系統(tǒng)的精確度影響重大。鑒于腰部位于人

6、體重心附近，運(yùn)動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，且下肢運(yùn)動(dòng)符合“倒立擺”模型。本文提出一種基于腰部運(yùn)動(dòng)特性的步長(zhǎng)模型構(gòu)建方法，并在此步長(zhǎng)模型的基礎(chǔ)上獲取人員位置信息。該方案將 IMU置于腰部，設(shè)計(jì)了人員步行位移的計(jì)算方法，并通過(guò)多位受測(cè)者對(duì)算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，受測(cè)者標(biāo)準(zhǔn)步行過(guò)程的位移總誤差小于6.40％。本文在實(shí)驗(yàn)中將所提出的算法移植到智能手機(jī)等便攜計(jì)算平臺(tái)，基于智能手機(jī)平臺(tái)建立了一套可實(shí)用的PDR系統(tǒng)。
　?。?）基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的步長(zhǎng)計(jì)

7、算方法
　　為了進(jìn)一步提高單步步長(zhǎng)的計(jì)算精度，本文還基于人員行進(jìn)過(guò)程中脛骨運(yùn)動(dòng)的加速度和角速度，結(jié)合脛骨的運(yùn)動(dòng)特性，提出了利用ZUPT點(diǎn)進(jìn)行步態(tài)劃分，并在每個(gè)步態(tài)周期內(nèi)基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航原理計(jì)算行進(jìn)步長(zhǎng)的算法。該算法給出了在ZUPT時(shí)刻捷聯(lián)慣性導(dǎo)航參數(shù)的重置方法，即，首先將初始方位角設(shè)定為未知數(shù)；然后利用推導(dǎo)的每一步在地理坐標(biāo)系內(nèi)三軸方向的位移函數(shù)關(guān)系式和ZUPT時(shí)刻脛骨與地面垂直這一特性，以垂直路面方向的位移幾乎為零作為約束條件，

8、結(jié)合行走過(guò)程的三維運(yùn)動(dòng)特性對(duì)位移進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕坪托拚?，解算出平行于路面的其他兩個(gè)方向的位移，進(jìn)而計(jì)算出行進(jìn)步長(zhǎng)。該方法在捷聯(lián)慣性導(dǎo)航計(jì)算過(guò)程中可準(zhǔn)確地去除重力加速度，避免二重積分對(duì)重力加速度去除誤差的擴(kuò)散，極大地提高了步長(zhǎng)計(jì)算的精度。所提出的算法方案對(duì)人員的行進(jìn)方式和行進(jìn)路面沒(méi)有特殊要求，對(duì)不同的人員無(wú)需進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和通用性。
　　（4）基于PDR技術(shù)的人員定位與跟蹤平臺(tái)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建
　　因基于PDR