基于MEMS傳感器的PDR解決方案分析

前言
　　定位是感知應用的一個重要屬性。在室內(nèi)環(huán)境中，如果位置信息可用并非?？煽浚懈嗟膽脠鼍翱梢詫崿F(xiàn)的。行人航位推算（PDR） 就是這樣一種技術，在室內(nèi)環(huán)境中可提供行人航位信息并提高定位可靠性。慣性傳感器、磁力計和壓力傳感器是航位推算應用中必不可少的傳感器組件，用之可大幅提升導航性能，這些器件的功耗必須極低，這樣才能始終保持開啟模式并提供數(shù)據(jù)用于航位推算應用。實現(xiàn)隨時隨地定位的目標離不開高品質(zhì)的MEMS傳感器和高性能的行人航位推算算法。本文主要討論各種行人航位推算算法上需要用到的傳感器組件的數(shù)學表述，以及可用性和可靠性更高的PDR行人航位推算算法的測試結果。
　　定位技術概述
　　全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）接收器已成為室外導航解決方案的常用電子元器件，今天幾乎每一臺智能手機內(nèi)部都有一個這樣的衛(wèi)星接收器芯片，可實現(xiàn)各種與位置相關的移動服務，其中包括導航、興趣點搜索和地圖。用戶開始期待他們的設備在所有環(huán)境中都能提供位置信息，但是他們通常忽略衛(wèi)星信號是不能穿透商廈和候機樓的墻壁和屋頂這個事實。建筑材料會使全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號衰減變?nèi)?，即使高靈敏度接收器也無法在室內(nèi)收到定位信息。
　　目前業(yè)內(nèi)正在開發(fā)不同的行人航位推算解決方案，大都采用無線發(fā)射器充當信標，利用三角測量法計算接收器的位置。這些解決方案利用室內(nèi)環(huán)境中的Wi-Fi接入點（AP）定位。類似的解決方案還包括使用藍牙發(fā)射器、GSM和其它手機發(fā)射器或?qū)Ｓ眯艠?，例如Nextnavfor室內(nèi)定位設備。這些技術整合運用服務器等基礎設施傳送的輔助GPS/GLONASS數(shù)據(jù)、星歷擴展數(shù)據(jù)和Wi-Fi接入點（AP）位置數(shù)據(jù)。此外，還有一種使用MEMS傳感器（加速度計、磁力計、陀螺儀和高度計）計算位置數(shù)據(jù)的室內(nèi)導航技術。今天幾乎所有的智能手機、平板電腦、數(shù)碼相機、健身產(chǎn)品等便攜消費電子產(chǎn)品都配有MEMS傳感器。這些傳感器配合行人航位推算（PDR） 技術能夠確定用戶位置。每項室內(nèi)定位技術都有其長處和短板。
　　數(shù)據(jù)整合
　　按照定位精度和功耗要求，微控制器整合處理各類信息源送來的信息，然后將具有不確定性的單一位置值提供給應用。使用信任參數(shù)、相關參數(shù)和過去測量數(shù)據(jù)推算每個位置，權衡Wi-Fi、藍牙、行人航位推算和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)等多個技術送來的信息，數(shù)據(jù)整合算法在其中發(fā)揮著關鍵作用。在室外，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收器送來的位置信息精度良好，不確定性低。當控制器使用的測量數(shù)據(jù)是來自用戶附近的Wi-Fi接入點時，位置計算信號強度高，Wi-Fi系統(tǒng)送來的位置估測數(shù)據(jù)精度也就比較高（相關不確定性低）。不過，Wi-Fi接入點數(shù)據(jù)庫（包含Wi-Fi接入點位置數(shù)據(jù)及其不確定性數(shù)據(jù)）的品質(zhì)也會影響定位精度。
　　PDR行人航位推算不依賴任何外力協(xié)助，無需任何外部基礎設施配合，就能產(chǎn)生精確的相對位置定位信息。因此，其特點與絕對定位技術優(yōu)勢互補，例如，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)或基于Wi-Fi的導航系統(tǒng)。因此，PDR行人航位推算適用于混合系統(tǒng)，可以在室內(nèi)環(huán)境確定用戶位置，定位的精確度、可用性和可靠性更高。
　　行人航位推算
　　移動設備中的MEMS傳感器因受到數(shù)據(jù)漂移和噪聲的影響，會引起基于積分運算方法的傳統(tǒng)慣性導航系統(tǒng)出現(xiàn)難以處理的位移和姿態(tài)誤差。在行人航位推算應用中，傳統(tǒng)積分運算導航方法效果不理想，因為與人體運動相關的復雜動力學很難建模，將其用于運算有不小的難度。在過去十年中，業(yè)內(nèi)主要開發(fā)出兩種很有前景的室內(nèi)環(huán)境行人導航方法，一種在參考文獻［1］論述的基于零速率更新的INS-EKF-ZUPT （IEZ）慣導方法，另一種是包括步伐檢測、步長估算和航向算法的基于人類步行動力學的慣導方法。基于零速率更新的（ZUPT）的方法基于一個假設和一個物理現(xiàn)象，即假設慣性傳感器是安裝在腳上，且每邁出一步后都是暫時靜止狀態(tài)。本文主要討論通用性更強的方法。