Android平臺MARG傳感器的室內(nèi)定位系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于Android平臺MARG傳感器的室內(nèi)定位方法及系統(tǒng)，屬于定位導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】。MARG傳感器包括三軸磁力計、三軸陀螺儀和三軸加速度計。系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元和顯示單元。定位時，行人手持Android平臺，通過以上三個模塊獲取定位信息。過程中利用EKF算法對傳感器數(shù)據(jù)進行噪聲濾除，以提高定位精度。在GPS信號非常微弱或無GPS信號的場所，本系統(tǒng)可提供較高精度的定位。系統(tǒng)可應(yīng)用于帶有MARG傳感器的Android平臺，實時性好，可移植性強，定位精度高，無需額外的設(shè)備，使用方便。
【專利說明】And ro i d平臺MARG傳感器的室內(nèi)定位系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及室內(nèi)定位系統(tǒng)，特別是涉及一種基于Android平臺的室內(nèi)定位方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，定位技術(shù)主要包括衛(wèi)星定位、蜂窩網(wǎng)定位以及一些其他的定位技術(shù)。衛(wèi)星定位主要用于室外定位和導(dǎo)航，在室內(nèi)或被建筑物遮擋的場所，衛(wèi)星定位精度下降甚至無法定位。蜂窩網(wǎng)定位主要采用TD0A、A0A等方法，受到多徑及衰落的影響，其定位精度低。
[0003]基于室內(nèi)的定位技術(shù)包括WLAN、藍牙等。主要基于指紋定位、RSSI定位等方法。采用WLAN進行室內(nèi)定位，需要對WLAN結(jié)點發(fā)射功率進行嚴格控制，其結(jié)點也需要重新布置，前期成本較高，維護比較復(fù)雜。
[0004]基于微慣性傳感器的室內(nèi)定位技術(shù)正逐步發(fā)展，現(xiàn)有基于慣性傳感器的定位方法主要是基于特定設(shè)備，且該設(shè)備固定于腳踝處，其佩戴不便，成本較高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于Android平臺MARG傳感器的室內(nèi)定位方法和系統(tǒng)。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:以攜帶有MARG傳感器的Android設(shè)備(大多數(shù)為手機)作為系統(tǒng)的硬件平臺。行人定位時手持Android設(shè)備,MARG傳感器敏感軸中的Z軸垂直于地平面。數(shù)據(jù)采集單元按50Hz的頻率進行傳感器數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理單元對傳感器原始數(shù)據(jù)進行噪聲濾波、陀螺零位校正、磁干擾消除、姿態(tài)解算、步態(tài)判別、步長估計、定位坐標解算；顯示單元利用數(shù)據(jù)處理單元傳回的定位信息進行軌跡復(fù)現(xiàn)，并實時顯示姿態(tài)信息，位置信息。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:(I)利用現(xiàn)有攜帶MARG傳感器的Android平臺(諸如Android手機、平板等)作為系統(tǒng)支撐，節(jié)約了系統(tǒng)成本，使用方便；(2)本方法克服了復(fù)雜環(huán)境下磁場干擾對定位精度的影響；(3)本方法采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進行行人步長估計，步長估計精度高；(4)本方法實現(xiàn)行人全自主導(dǎo)航，實時軌跡繪制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中:
[0009]圖1為室內(nèi)定位方法結(jié)構(gòu)圖。
[0010]圖2為行人航跡推算算法框圖。
[0011]圖3為行人定位時Android平臺手持姿態(tài)及MARG傳感器敏感軸方向圖。
[0012]圖4為室內(nèi)定位系統(tǒng)架構(gòu)圖。

【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。
[0014](I)本系統(tǒng)是集硬件及軟件為一體的室內(nèi)定位系統(tǒng)，以Android硬件平臺為基礎(chǔ)，Android操作系統(tǒng)為定位軟件運行核心。圖1給出了系統(tǒng)方法結(jié)構(gòu)。
[0015](2)基于Android平臺的室內(nèi)定位系統(tǒng)是以帶有MARG傳感器的Android平臺(一般指手機或平板電腦)作為硬件支撐，數(shù)據(jù)采集單元①主要由敏感軸相互垂直的三個加速度計、三個陀螺儀和三個磁傳感器組合而成。其中，每個傳感器的X軸、Y軸、Z軸方向相同。行人行走定位時，Z軸垂直于地平面，X軸與Z軸垂直，水平向左，Z軸與X、Y軸垂直，構(gòu)成右手直角坐標系。數(shù)據(jù)采集單元①按照頻率為50ΗΖ對傳感器進行數(shù)據(jù)采樣。
[0016](3)在圖2中，數(shù)據(jù)處理單元②獨立運行在Android操作系統(tǒng)的底層，通過對原始數(shù)據(jù)的處理，向顯示單元③提供定位信息。
[0017](4)加速度濾波單元I對加速度X、Y、Z軸原始數(shù)據(jù)進行中值濾波。通過靜止時對陀螺零偏進行求取，并通過陀螺零偏校正單元2進行校正。
[0018](5)磁干擾檢測單元3判斷當前一段時間內(nèi)磁力計模值的方差和磁力計模值與當?shù)貥藴蚀艌鰪姸冗M行干擾檢測，并修改EKF算法中的協(xié)方差矩陣，實時調(diào)整EKF算法中加速度、磁力計、陀螺儀的權(quán)重。
[0019](6)行人姿態(tài)解算單元5根據(jù)步驟(5)得到的參數(shù)，采用擴展卡爾曼濾波算法(EKF)對加速度、磁力計、陀螺儀數(shù)據(jù)進行融合濾波，并采用四元數(shù)姿態(tài)解算算法實時解算當前時刻的姿態(tài)信息。
[0020](7)行人行走時加速度模值變化規(guī)律呈現(xiàn)周期性變化，利用該周期性變化和特征值進行步態(tài)檢測。三軸加速度模值由式(2)得到，式中ax，&,和\分別為加速度計三軸輸出的數(shù)據(jù)。
[0021 ] Acc_norm = ^jax2 + ay2 +a2(I,
[0022]利用數(shù)字低通濾波器對加速度模值進行濾波，得到較好的單峰值曲線圖，根據(jù)閾值消除輕微抖動得到較好的步態(tài)信息。
[0023](8)步長估計單元6采用經(jīng)典的步長估計模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了行人身高、步頻和步幅的非線性模型。該非線性模型包括兩個標準化后的輸入層神經(jīng)元和一個輸出層神經(jīng)元，隱含層的神經(jīng)元的數(shù)量與訓(xùn)練的樣本數(shù)和輸入層的神經(jīng)元數(shù)量成比例的，并且在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中確定。
[0024](9)坐標計算單元8采用精短的行人航跡推算算法進行坐標和位置解算。其解算公式如公式(2)。
' k Xk = Xii +VOS^-
[0025]?(2)
Λ.=.?,+E^sin ^.t I
[0026](10)由數(shù)據(jù)處理單元②得到行人定位及姿態(tài)信息，顯示單元③在接收到該信息后，進行軌跡繪制及其他信息的顯示，同時返回步驟(4)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于Android平臺MARG傳感器的室內(nèi)定位系統(tǒng)，其特征是:包括MARG傳感器數(shù)據(jù)采集單元①、數(shù)據(jù)處理單元②、顯示單元③。
2.所述的MARG傳感器數(shù)據(jù)采集單元①包括三軸磁力計、三軸陀螺儀和三軸加速度計，每個傳感器的X、Y、Z軸均相互垂直，三個傳感器的X、Y、Z軸方向均相同；所述的數(shù)據(jù)處理單元②是對數(shù)據(jù)采集單元①傳出的9維數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，包括中值濾波、行人步態(tài)判別、步長估計、擴展卡爾曼濾波、四元數(shù)求解姿態(tài)角；所述的顯示單元③是對數(shù)據(jù)處理單元②輸出的定位信息進行軌跡復(fù)現(xiàn)及顯示。
3.一種基于權(quán)利要求1的系統(tǒng)進行室內(nèi)定位的方法:其特征是包括如下步驟:(I)將所述的MARG傳感器的室內(nèi)定位系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集單元①手持并固定姿態(tài)，使得數(shù)據(jù)采集單元①中的三個敏感軸中的Z周垂直于地平面，X軸水平向左；(2)數(shù)據(jù)處理單元②對數(shù)據(jù)采集單元得到的傳感器數(shù)據(jù)進行中值濾波，去除傳感器突跳的數(shù)據(jù)；(3)行人靜止時，數(shù)據(jù)處理單元②對步驟(2)輸出的數(shù)據(jù)進行當前陀螺零偏求取和校正；(4)數(shù)據(jù)處理單元②對步驟(3)輸出的磁力計數(shù)據(jù)進行方差閾值判斷，若超過預(yù)設(shè)門限則修正數(shù)據(jù)處理單元②中的相關(guān)參數(shù)，用于磁干擾消除；(5)數(shù)據(jù)處理單元②利用步驟(4)得到的參數(shù)，對加速度、磁力計、陀螺儀的數(shù)據(jù)進行融合濾波；(6)數(shù)據(jù)處理單元②利用步驟(5)輸出的數(shù)據(jù)，通過四元數(shù)法求解實時姿態(tài)信息；(7)數(shù)據(jù)處理單元②利用步驟(2)輸出的加速度數(shù)據(jù)進行模值求取，并通過模值規(guī)律進行步態(tài)檢測；(8)數(shù)據(jù)處理單元②利用步驟(7)輸出的步頻、步幅和身高，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行步長估計并求解定位信息；(9)顯示單元③將對步驟(8)輸出的定位信息進行顯示。
【文檔編號】G06F19/00GK104266648SQ201410473558
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】劉宇, 錢廣, 史莉莉, 王仕亮, 黃河明, 江宏毅, 陳燕蘋, 王伊冰 申請人:南京諾導(dǎo)電子科技有限公司