Android平臺MARG傳感器的室內定位系統的製作方法
2023-07-25 07:36:36 2
Android平臺MARG傳感器的室內定位系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於Android平臺MARG傳感器的室內定位方法及系統，屬於定位導航【技術領域】。MARG傳感器包括三軸磁力計、三軸陀螺儀和三軸加速度計。系統主要包含數據採集單元、數據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算法對傳感器數據進行噪聲濾除，以提高定位精度。在GPS信號非常微弱或無GPS信號的場所，本系統可提供較高精度的定位。系統可應用於帶有MARG傳感器的Android平臺，實時性好，可移植性強，定位精度高，無需額外的設備，使用方便。
【專利說明】And ro i d平臺MARG傳感器的室內定位系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及室內定位系統，特別是涉及一種基於Android平臺的室內定位方法及系統。
【背景技術】
[0002]目前，定位技術主要包括衛星定位、蜂窩網定位以及一些其他的定位技術。衛星定位主要用於室外定位和導航，在室內或被建築物遮擋的場所，衛星定位精度下降甚至無法定位。蜂窩網定位主要採用TD0A、A0A等方法，受到多徑及衰落的影響，其定位精度低。
[0003]基於室內的定位技術包括WLAN、藍牙等。主要基於指紋定位、RSSI定位等方法。採用WLAN進行室內定位，需要對WLAN結點發射功率進行嚴格控制，其結點也需要重新布置，前期成本較高，維護比較複雜。
[0004]基於微慣性傳感器的室內定位技術正逐步發展，現有基於慣性傳感器的定位方法主要是基於特定設備，且該設備固定於腳踝處，其佩戴不便，成本較高。
【發明內容】
[0005]為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種基於Android平臺MARG傳感器的室內定位方法和系統。
[0006]為了實現上述目的，本發明所採用的技術方案是:以攜帶有MARG傳感器的Android設備(大多數為手機)作為系統的硬體平臺。行人定位時手持Android設備,MARG傳感器敏感軸中的Z軸垂直於地平面。數據採集單元按50Hz的頻率進行傳感器數據採集；數據處理單元對傳感器原始數據進行噪聲濾波、陀螺零位校正、磁幹擾消除、姿態解算、步態判別、步長估計、定位坐標解算；顯示單元利用數據處理單元傳回的定位信息進行軌跡復現，並實時顯示姿態信息，位置信息。
[0007]與現有技術相比，本發明的有益效果是:(I)利用現有攜帶MARG傳感器的Android平臺(諸如Android手機、平板等)作為系統支撐，節約了系統成本，使用方便；(2)本方法克服了複雜環境下磁場幹擾對定位精度的影響；(3)本方法採用BP神經網絡的方法進行行人步長估計，步長估計精度高；(4)本方法實現行人全自主導航，實時軌跡繪製。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中:
[0009]圖1為室內定位方法結構圖。
[0010]圖2為行人航跡推算算法框圖。
[0011]圖3為行人定位時Android平臺手持姿態及MARG傳感器敏感軸方向圖。
[0012]圖4為室內定位系統架構圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖對本發明進一步說明。
[0014](I)本系統是集硬體及軟體為一體的室內定位系統，以Android硬體平臺為基礎，Android作業系統為定位軟體運行核心。圖1給出了系統方法結構。
[0015](2)基於Android平臺的室內定位系統是以帶有MARG傳感器的Android平臺(一般指手機或平板電腦)作為硬體支撐，數據採集單元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軸垂直於地平面，X軸與Z軸垂直，水平向左，Z軸與X、Y軸垂直，構成右手直角坐標系。數據採集單元①按照頻率為50ΗΖ對傳感器進行數據採樣。
[0016](3)在圖2中，數據處理單元②獨立運行在Android作業系統的底層，通過對原始數據的處理，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軸原始數據進行中值濾波。通過靜止時對陀螺零偏進行求取，並通過陀螺零偏校正單元2進行校正。
[0018](5)磁幹擾檢測單元3判斷當前一段時間內磁力計模值的方差和磁力計模值與當地標準磁場強度進行幹擾檢測，並修改EKF算法中的協方差矩陣，實時調整EKF算法中加速度、磁力計、陀螺儀的權重。
[0019](6)行人姿態解算單元5根據步驟(5)得到的參數，採用擴展卡爾曼濾波算法(EKF)對加速度、磁力計、陀螺儀數據進行融合濾波，並採用四元數姿態解算算法實時解算當前時刻的姿態信息。
[0020](7)行人行走時加速度模值變化規律呈現周期性變化，利用該周期性變化和特徵值進行步態檢測。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據。
[0021 ] Acc_norm = ^jax2 + ay2 +a2(I,
[0022]利用數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，根據閾值消除輕微抖動得到較好的步態信息。
[0023](8)步長估計單元6採用經典的步長估計模型和BP神經網絡，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後的輸入層神經元和一個輸出層神經元，隱含層的神經元的數量與訓練的樣本數和輸入層的神經元數量成比例的，並且在網絡訓練過程中確定。
[0024](9)坐標計算單元8採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)由數據處理單元②得到行人定位及姿態信息，顯示單元③在接收到該信息後，進行軌跡繪製及其他信息的顯示，同時返回步驟(4)。
【權利要求】
1.一種基於Android平臺MARG傳感器的室內定位系統，其特徵是:包括MARG傳感器數據採集單元①、數據處理單元②、顯示單元③。
2.所述的MARG傳感器數據採集單元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；所述的數據處理單元②是對數據採集單元①傳出的9維數據進行數據處理，包括中值濾波、行人步態判別、步長估計、擴展卡爾曼濾波、四元數求解姿態角；所述的顯示單元③是對數據處理單元②輸出的定位信息進行軌跡復現及顯示。
3.一種基於權利要求1的系統進行室內定位的方法:其特徵是包括如下步驟:(I)將所述的MARG傳感器的室內定位系統中的數據採集單元①手持並固定姿態，使得數據採集單元①中的三個敏感軸中的Z周垂直於地平面，X軸水平向左；(2)數據處理單元②對數據採集單元得到的傳感器數據進行中值濾波，去除傳感器突跳的數據；(3)行人靜止時，數據處理單元②對步驟(2)輸出的數據進行當前陀螺零偏求取和校正；(4)數據處理單元②對步驟(3)輸出的磁力計數據進行方差閾值判斷，若超過預設門限則修正數據處理單元②中的相關參數，用於磁幹擾消除；(5)數據處理單元②利用步驟(4)得到的參數，對加速度、磁力計、陀螺儀的數據進行融合濾波；(6)數據處理單元②利用步驟(5)輸出的數據，通過四元數法求解實時姿態信息；(7)數據處理單元②利用步驟(2)輸出的加速度數據進行模值求取，並通過模值規律進行步態檢測；(8)數據處理單元②利用步驟(7)輸出的步頻、步幅和身高，通過BP神經網絡進行步長估計並求解定位信息；(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 優先權日:2014年9月16日
【發明者】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:南京諾導電子科技有限公司