一種基於慣性傳感器的地鐵定位方法與系統與流程
2023-05-29 00:12:29 1
本發明屬於地理定位
技術領域：
，更具體地，涉及一種基於慣性傳感器的地鐵定位方法及系統。
背景技術：
：近年來，隨著經濟的不斷發展，各種移動終端(例如智慧型手機、平板電腦等，本發明中後續為了描述方便均以智慧型手機例)在我國不斷普及，人們在使用智慧型手機的同時通過市場上多種多樣的地圖軟體方便地調用手機的GPS以及基站定位系統可以簡單輕鬆地為自己導航，這類導航方式已廣泛的應用於我們生活的方方面面，比如駕車、出行、公交等等。GPS和基站兩種定位方式涵蓋了市面上絕大部分智慧型手機地圖定位軟體。智慧型手機地圖定位軟體的存在極大方便了我們的出行，讓我們不再迷失自己的位置。然而它們並不能覆蓋到我們生活中某些常見情況，例如地鐵，由於衛星無線電信號無法穿透地下土壤，GPS在地鐵中完全無法使用；若手機地圖採用基站定位方式，又由於基站信號在隧道內反射疊加等原因，造成基站定位誤差過大(約400m)，輸出定位數據存在無固定發生周期、發生時間間隔大等問題無法滿足用戶對手機地圖的高精度定位需求。現有技術在手機上廣泛依賴於GPS信號和基站定位信號。專利號為2011103039353，提出利用GPS和GPRS信號的公交定位方案，該方案利用GPS信號定位，將定位結果通過GPRS上傳至伺服器供乘客查看。專利號為2015110143538，提出一種無GPS信號下定位方法，該方法在無GPS信號時利用WIFI信號獲得終端位置情況，並上傳伺服器。綜上所述，目前手機定位主要依賴於GPS一旦GPS信號丟失，只能選擇定位精度低的基站或WIFI進行定位，不適於地鐵這類高速交通工具定位。技術實現要素：在上述應用背景下，為解決目前地鐵定位精度低、延遲大的問題。利用手機慣性傳感器實現高精度地鐵定位具有極大應用前景。本發明在智慧型手機基礎上利用其慣性傳感器實現高精度地鐵定位。本發明採用技術方案如下：首先，當乘客入站時利用乘客進入地鐵站後手機需切換基站的原理，本發明提出基於基站CellID的乘客入站判斷策略。當手機基站發生切換事件時，手機獲取當前基站小區識別碼CellID將其跟手機雲端數據進行比對，如果連接到的基站CellID與地鐵站基站CellID一致，則判定乘客進入地鐵站，此時，手機關閉GPS以節約功耗；同時，開啟加速度傳感器和陀螺儀為地鐵定位提供原始數據。然後，當乘客上車後，要計算加速度在列車前進方向分量需已知手機相對列車之間的位置關係。本發明利用重力加速度和列車啟動加速度實現手機初始姿態確定。最後，針對慣性傳感器測量誤差的問題，本發明提出基於參考點檢測的誤差修正方案。本發明通過計算列車橫向加速度短時能量判斷列車運行狀態(行駛、停止)當檢測到列車停止時，計算列車加速度零點漂移，在後續行駛過程中對其進行修正。同時，利用加速度計修正陀螺儀長期測量出現的零點漂移提高陀螺儀定位精度，並最終輸出列車定位結果。為了實現上述目的，本發明提供了一種基於慣性傳感器的地鐵定位方法，包括：(1)當判斷到用戶進入地鐵中，利用移動終端的加速度傳感器採集列車的啟動加速度；(2)根據重力加速度和所述啟動加速度確定所述移動終端相對列車的初始姿態，並根據所述初始姿態對列車的加速度進行分解，至少得到沿列車軌道方向的加速度分量；(3)計算列車加速度傳感器的零點漂移向量以及陀螺儀傳感器的零點漂移向量；(4)根據所述加速度傳感器的零點漂移以及陀螺儀傳感器的零點漂移修正所述沿列車軌道方向的加速度分量，並根據修正後的沿列車軌道方向的加速度分量計算列車的位移，得到列車的定位信息。本發明的一個實施例中，所述步驟(2)中根據重力加速度和所述啟動加速度確定所述移動終端相對列車的初始姿態，具體為：(2.1)利用重力加速度通過梯度下降法求解移動終端的相對重力姿態；(2.2)利用列車前進加速度糾正步驟(2.1)中的相對重力姿態得到最終相對姿態。本發明的一個實施例中，所述步驟(2.1)具體包括：(2.1.1)移動終端在靜止狀態時加速度傳感器測量移動終端的加速度，此時移動終端的加速度約為重力加速度；(2.1.2)根據已知的重力加速度大小和方向，利用梯度下降法以迭代方式測量得到重力加速度旋轉到地球坐標系下的旋轉軸與旋轉角，實現初步定位。本發明的一個實施例中，所述步驟(2.2)具體為：利用列車啟動時加速度方向與列車坐標系Y軸方向一致的特點，將列車啟動時加速度傳感器測得加速度圍繞步驟(2.1)所得坐標系Z軸旋轉，得到最終列車手機相對姿態關係。本發明的一個實施例中，所述步驟(2)中根據所述初始姿態對列車的加速度進行分解，至少得到沿列車軌道方向的加速度分量，具體包括：(2.3)利用陀螺儀測量初始相對姿態確定之後手機相對列車實時姿態旋轉角速度，以此更新坐標系旋轉矩陣；(2.4)利用實時更新得到的坐標系旋轉矩陣，對加速度傳感器測量得到加速度向量旋轉至列車坐標系內，旋轉後向量Y軸分量即為沿列車軌道方向的加速度分量。本發明的一個實施例中，所述步驟(3)中計算列車加速度的零點漂移向量具體包括：(3.1)利用步驟(2)中所得到的加速度沿列車橫向振動分量計算列車振動短時能量，以此判斷列車是否停站；(3.2)利用列車停站時加速度計測量沿列車前進方向加速度即為零點漂移這一特點結合加速度零點漂移線性增加特性，在前兩站停站時測得加速度零點漂移斜率實時估算加速度零點漂移向量。本發明的一個實施例中，所述步驟(3)中計算陀螺儀的零點漂移向量具體包括：計算加速度計測量加速度向量與已知重力加速度之間叉積，得到陀螺儀零點漂移向量。本發明的一個實施例中，所述步驟(4)中根據所述加速度的零點漂移以及陀螺儀的零點漂移修正所述沿列車軌道方向的加速度分量具體包括：(4.1)利用步驟(3)計算得到的加速度零點漂移向量，以向量和的形式修正步驟(2)中沿列車軌道方向的加速度分量；(4.2)利用步驟(3)計算得到的陀螺儀零點漂移向量，以向量和的形式修正陀螺儀實時測量的角速度。本發明的一個實施例中，所述步驟(4)中根據修正後的沿列車軌道方向的加速度分量計算列車的位移，得到列車的定位信息具體包括：(4.3)利用修正後沿列車軌道方向加速度分量二次積分得到列車位移；(4.4)根據軌道交通沿線經緯度數據計算當前位移對應地圖經緯度，得到列車實時經緯度定位信息。本發明的一個實施例中，在所述步驟(1)中，當移動終端發生基站切換時，移動終端獲取切換後所連接的基站小區識別碼CellID並判斷所述CellID是否是地鐵站基站CellID，如題是則判定乘客進入地鐵站。按照本發明的另一方面，還提供了一種基於慣性傳感器的地鐵定位系統，包括啟動加速度獲取模塊、初始姿態獲取與加速度分解模塊、零點漂移計算模塊以及列車定位模塊，其中：所述啟動加速度獲取模塊，用於當判斷到用戶進入地鐵中，利用移動終端的加速度傳感器採集列車的啟動加速度；所述初始姿態獲取與加速度分解模塊，用於根據重力加速度和所述啟動加速度確定所述移動終端相對列車的初始姿態，並根據所述初始姿態對列車的加速度進行分解，至少得到沿列車軌道方向的加速度分量；所述零點漂移計算模塊，用於計算列車加速度傳感器的零點漂移向量以及陀螺儀傳感器的零點漂移向量；所述列車定位模塊，用於根據所述加速度傳感器的零點漂移以及陀螺儀傳感器的零點漂移修正所述沿列車軌道方向的加速度分量，並根據修正後的沿列車軌道方向的加速度分量計算列車的位移，得到列車的定位信息。與現有的技術對比，本方案所提供的技術方案具有以下優點：1、不依賴GPS、WIFI信號實現高精度定位，所需傳感器在智慧型手機中廣泛應用，無需硬體改造，易於市場推廣。2、本發明可與目前主流手機地圖融合，實現地鐵高精度導航。目前手機地圖地上地下定位算法相同，導致地上定位精度高、地下定位精度低的現狀。本發明提出基於CellID的乘客入站判斷策略，可以自動實現地上地下定位算法切換。3、目前基於手機定位主要依賴GPS實現高精度定位，本文利用慣性傳感器實現地鐵環境中高精度定位，在GPS信號不佳的地下仍能正常工作。4、本發明提出慣性原件誤差修正方案，有效降低誤差在站間積累，提高系統整體定位精度。附圖說明圖1是本發明實施例中基於慣性傳感器的地鐵定位方法的流程示意圖；圖2是本發明實施例中手機與列車之間相對姿態關係示意圖；圖3是本發明實施例中初步對齊後的手機坐標系與列車坐標系之間相對姿態關係；圖4是本發明實施例中列車的速度-位移曲線圖；圖5是本發明實施例中列車的連續停站速度曲線圖；圖6是本發明實施例中連續定位實驗結果圖。具體實施方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。針對智慧型手機地圖定位軟體在地鐵內部定位精度優化問題，主要可以從兩方面著手處理：一方面，利用地鐵公司擁有地鐵全部線路調度信息的優勢，嘗試開放其調度信息給地圖軟體公司，以提高地鐵定位精度；另一方面，使用智慧型手機自帶傳感器及通訊裝置優化地鐵內部定位結果。方法一簡單有效，但地鐵公司出於安全性等多方面考慮，目前並沒有開放接口的先例。因而，要提高手機地圖在地鐵內部定位精度需要從手機內部傳感器以及通訊裝置入手。鑑於慣性傳感器對物體運動形式及運動地點和環境沒有特殊限制，可以彌補GPS和基站定位依賴外部信號的不足。而且，目前智慧型手機中加速度傳感器和陀螺儀等慣性傳感元件已得到廣泛普及。綜上所述，利用智慧型手機內部慣性傳感器替代傳統GPS和基站定位算法，實現地鐵環境下高精度定位具有很大研究價值和應用前景。利用慣性傳感器實現地鐵定位的主要難點在於手機相對列車初步姿態確定以及慣性傳感器誤差消除。本文提出算法整體結構如圖1所示，智慧型手機地鐵定位算法結構分為四階段：傳感器觸發與數據採集、手機姿態確定及加速度分解、誤差修正和位置估計。其中乘客入站判斷策略主要根據入站後手機切換基站CellID判斷。當乘客攜帶手機進入地鐵站內時，隨GPS信號一併衰減的還有手機與地面通信基站之間的信號強度。當手機與基站之間信號強度降低至不滿足通訊條件時(不同手機存在不同閾值)，根據手機系統自身基站切換算法會連接到地鐵站內基站。當手機基站發生切換事件時，手機獲取當前基站小區識別碼CellID將其跟手機雲端數據進行比對，如果連接到的基站CellID與地鐵站基站CellID一致，則判定乘客進入地鐵站，此時，手機關閉GPS以節約功耗；同時，開啟加速度傳感器和陀螺儀為地鐵定位提供原始數據。如圖2，針對乘客上車之後手機與列車之間相對姿態關係解算。本發明提出基於梯度下降法的手機與列車相對姿態解算方案。該解算方案通過兩步實現手機與列車之間初始姿態解算：1.利用重力加速度通過梯度下降法求解手機相對重力姿態；2.利用列車前進加速度糾正第1步對齊結果得到最終相對姿態。根據梯度下降法概念，結合手機坐標系與重力加速度之間存在夾角的應用場景，構建最優解方程。設地球坐標系轉換到手機坐標系估算初始位置為重力場由於已知大小方向，我們將其記為E`d，傳感器運動後測得的場強為S`Sensor。已知的地球重力場在地球坐標系下表示為E`d經過坐標軸旋轉以後，對齊到手機坐標系，其輸出值與當前傳感器測得的重力場向量相比，相差最小的解，即為誤差最小的估算姿態。minpESR4f(pES,E`d,S`Sensor)=pESE`dp-1-ESS`Sensor]]>根據上述等式，將該最優解問題帶入梯度下降法公式可得如下公式，其中，是第k次估算旋轉向量，μ為最速下降步長。的梯度與範數的商為自變量為時，在平面中下降最快的方向(即解平面的負梯度方向)，乘以步長μ即可得到下降最快步長。值得注意的是μ距離係數在每次迭代過程中可變。設初始旋轉向量為經過k+1次迭代後，得到k+1次迭代修正後估算旋轉向量結果此時帶入等式(3-7)值最小即為最優解。pk+1=ESpk-ESμtf(pk,ESE`d,S`Sensor)||f(pk,ESE`d,S`Sensor)||,k=1,2,3...n]]>又因為重力加速度方向大小已知，本文將重力加速度帶入梯度下降法方程對齊進行簡化。其簡化後參數如下所示：pk=ESp1p2p3p4]]>E`d＝[0001]S`Sensor＝[0sxsysz]將上述簡化參數帶入梯度下降法中，得到對應等式和雅克比矩陣。進而可以求得旋轉矩陣。fg(pk,ESE`d,S`Sensor)=2(-p1p3+p2p4)-sx2(p1p2+p3p4)-sy0.5(0.5-p2p2-p3p3)-sz]]>J(pk,ESE`d)=-2p32p4-2p12p22p22p12p42p30-4p2-4p30]]>初步對齊後，手機坐標系與列車坐標系之間相對姿態關係如圖3所示。要將手機坐標系和列車坐標系完全對齊，需在列車加速過程中，對初次對齊後坐標系圍繞列車坐標系Z軸旋轉，當旋轉中坐標系Y軸加速度最大即可確定手機與列車之間相對姿態關係。加速度向量初次轉換後坐標系表示記為(0,ax,ay,az)，其中az≈g。理論上，坐標系完全對齊之後ax＝0，ay表徵加速度在水平方向分量。設axy為加速度a在XY平面內的分量，ay加速度a在初次校正後坐標系內Y軸上投影，坐標軸X`Y`圍繞Z軸順時針旋轉β與XY坐標軸對齊，則轉角β滿足如下公式。β=2π-cos-1|ay||axy|,ax0,ay0π+cos-1|ay||axy|,ax>0,ay<0cos-1|ay||axy|,ax0π-cos-1|ay||axy|,ax<0,ay將求得角度β帶入四元數公式，可對向量二次旋轉，其公式如下q=(cosβ2,(0,0,1)sinβ2)]]>acor＝qaq-1如公式所示，將β帶入帶入四元數旋轉公式後，設定旋轉軸為Z軸，即可得到最終對齊後向量輸出acor。對加速度acor的Y軸分量進行積分即可得到列車位移信息。但是，由於慣性傳感元件誤差原因，系統輸出存在零點漂移，為提高系統定位精度，本發明提出基於參考點檢測的誤差修正算法。如圖4，列車在停車時真實速度為0，此時由於停車後Z軸不受車體振動等原因影響，其加速度輸出應穩定為0(重力加速度g已修正)。設圖4(a)中光滑曲線為系統輸出列車沿軌道切線方向行駛速度V(Ta)，設列車真實速度為RPVa，速度誤差ΔV(Ta)計算公式如下。ΔV(Ta)＝V(Ta)-RPVa根據加速度測量誤差隨時間變化緩慢的特徵，我們可以認為在短時間內，加速度誤差是穩定不變的。於是，在時間a至時間b中的加速度誤差變化率可以通過如下所示公式求得ΔA=ΔV(Tb)-ΔV(Ta)Tab]]>因此，加速度誤差補償值已知，由於加速度誤差變化緩慢且近似為線性，如圖5，則可得到修正之後任意時刻速度值。Vcal(t)＝V(t)-ΔV(Ta)-ΔA×(t-Ta)下面只需要根據修正後速度積分即可獲得行駛距離。針對上述誤差修正算法，進行實驗得到結果，如圖6所示。圖6(a)為引入誤差修正算法之前積分所得速度，從圖中可以看出列車每次停站由於加速度零點漂移的存在導致速度在站點間不斷累加，至第4次停站時速度誤差ΔV≈10m/s，引入武漢地鐵2號線最高速度80km/h(即22.2m/s)，速度誤差約為45％。圖6(b)為零點誤差修正後所得速度，從圖中可以看出隨加速度零點漂移修正，每次停站後速度近似為0，且誤差不會在站點間積累導致長距離定位發生偏差。圖6(c)描述了修正後列車定位結果，如圖所示，最終定位結果為4000m相對嶽家嘴至洪山廣場線路全長4.279km線路誤差為6.5％，在可接受範圍內。綜上所述，智慧型手機地鐵定位系統通過引入誤差修正算法，有效降低速度零點漂移，使整體定位誤差在有效範圍內。進一步地，本發明還提供了一種基於慣性傳感器的地鐵定位系統，包括啟動加速度獲取模塊、初始姿態獲取與加速度分解模塊、零點漂移計算模塊以及列車定位模塊，其中：所述啟動加速度獲取模塊，用於當判斷到用戶進入地鐵中，利用移動終端的加速度傳感器採集列車的啟動加速度；所述初始姿態獲取與加速度分解模塊，用於根據重力加速度和所述啟動加速度確定所述移動終端相對列車的初始姿態，並根據所述初始姿態對列車的加速度進行分解，至少得到沿列車軌道方向的加速度分量；所述零點漂移計算模塊，用於計算列車加速度傳感器的零點漂移向量以及陀螺儀傳感器的零點漂移向量；所述列車定位模塊，用於根據所述加速度傳感器的零點漂移以及陀螺儀傳感器的零點漂移修正所述沿列車軌道方向的加速度分量，並根據修正後的沿列車軌道方向的加速度分量計算列車的位移，得到列車的定位信息。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1 2 3