基于MEMS傳感器的PDR解決方案分析

前言
　　定位是感知應(yīng)用的一個(gè)重要屬性。在室內(nèi)環(huán)境中，如果位置信息可用并非?？煽?，有更多的應(yīng)用場景可以實(shí)現(xiàn)的。行人航位推算（PDR） 就是這樣一種技術(shù)，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(jì)和壓力傳感器是航位推算應(yīng)用中必不可少的傳感器組件，用之可大幅提升導(dǎo)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(yīng)用。實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地定位的目標(biāo)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(xué)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(jié)果。
　　定位技術(shù)概述
　　全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）接收器已成為室外導(dǎo)航解決方案的常用電子元器件，今天幾乎每一臺(tái)智能手機(jī)內(nèi)部都有一個(gè)這樣的衛(wèi)星接收器芯片，可實(shí)現(xiàn)各種與位置相關(guān)的移動(dòng)服務(wù)，其中包括導(dǎo)航、興趣點(diǎn)搜索和地圖。用戶開始期待他們的設(shè)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(hào)是不能穿透商廈和候機(jī)樓的墻壁和屋頂這個(gè)事實(shí)。建筑材料會(huì)使全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)衰減變?nèi)酰词垢哽`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(dāng)信標(biāo)，利用三角測量法計(jì)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(diǎn)（AP）定位。類似的解決方案還包括使用藍(lán)牙發(fā)射器、GSM和其它手機(jī)發(fā)射器或?qū)Ｓ眯艠?biāo)，例如Nextnavfor室內(nèi)定位設(shè)備。這些技術(shù)整合運(yùn)用服務(wù)器等基礎(chǔ)設(shè)施傳送的輔助GPS/GLONASS數(shù)據(jù)、星歷擴(kuò)展數(shù)據(jù)和Wi-Fi接入點(diǎn)（AP）位置數(shù)據(jù)。此外，還有一種使用MEMS傳感器（加速度計(jì)、磁力計(jì)、陀螺儀和高度計(jì)）計(jì)算位置數(shù)據(jù)的室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)。今天幾乎所有的智能手機(jī)、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)、健身產(chǎn)品等便攜消費(fèi)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(shù)能夠確定用戶位置。每項(xiàng)室內(nèi)定位技術(shù)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(yīng)用。使用信任參數(shù)、相關(guān)參數(shù)和過去測量數(shù)據(jù)推算每個(gè)位置，權(quán)衡Wi-Fi、藍(lán)牙、行人航位推算和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)等多個(gè)技術(shù)送來的信息，數(shù)據(jù)整合算法在其中發(fā)揮著關(guān)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(dāng)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(diǎn)時(shí)，位置計(jì)算信號(hào)強(qiáng)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(guān)不確定性低）。不過，Wi-Fi接入點(diǎn)數(shù)據(jù)庫（包含Wi-Fi接入點(diǎn)位置數(shù)據(jù)及其不確定性數(shù)據(jù)）的品質(zhì)也會(huì)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(chǔ)設(shè)施配合，就能產(chǎn)生精確的相對(duì)位置定位信息。因此，其特點(diǎn)與絕對(duì)定位技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)，例如，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)或基于Wi-Fi的導(dǎo)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(dòng)設(shè)備中的MEMS傳感器因受到數(shù)據(jù)漂移和噪聲的影響，會(huì)引起基于積分運(yùn)算方法的傳統(tǒng)慣性導(dǎo)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(yīng)用中，傳統(tǒng)積分運(yùn)算導(dǎo)航方法效果不理想，因?yàn)榕c人體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)很難建模，將其用于運(yùn)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(dǎo)航方法，一種在參考文獻(xiàn)［1］論述的基于零速率更新的INS-EKF-ZUPT （IEZ）慣導(dǎo)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(dòng)力學(xué)的慣導(dǎo)方法。基于零速率更新的（ZUPT）的方法基于一個(gè)假設(shè)和一個(gè)物理現(xiàn)象，即假設(shè)慣性傳感器是安裝在腳上，且每邁出一步后都是暫時(shí)靜止?fàn)顟B(tài)。本文主要討論通用性更強(qiáng)的方法。