[發明專利]一種面向室內行人導航的AHRS/UWB無縫組合導航方法

有效

• 申請號: 201510292083.0
• 申請日: 2015-06-01
• 公開（公告）號: CN104864865B
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 徐元;張勇;趙欽君;程金;張勤;馬超
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01C21/20
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明涉及復雜環境下組合定位技術領域，尤其涉及一種面向室內行人導航的AHRS/UWB無縫組合導航方法。

背景技術

近年來，行人導航(Pedestrian Navigation,PN)作為導航技術應用的新興領域，正越來越受到各國學者的重視，并逐漸成為該領域的研究熱點。然而在隧道、大型倉庫、地下停車場等室內環境下，外界無線電信號微弱、電磁干擾強烈等因素都會對目標行人導航信息獲取的準確性、實時性及魯棒性有很大影響。如何將室內環境下獲取的有限信息進行有效的融合以消除室內復雜環境影響，保證行人導航精度的持續穩定，具有重要的科學理論意義和實際應用價值。

在現有的定位方式中，全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)是最為常用的一種方式。雖然GNSS能夠通過精度持續穩定的位置信息，但是其易受電磁干擾、遮擋等外界環境影響的缺點限制了其應用范圍，特別是在室內、地下巷道等一些密閉的、環境復雜的場景，GNSS信號被嚴重遮擋，無法進行有效的工作。

近年來，WSN以其低成本、低功耗和低系統復雜度的特點在短距離局部定位領域表現出很大的潛力。學者們提出將基于WSN的目標跟蹤應用于GNSS失效環境下的行人導航。這種方式雖然能夠實現室內定位，但是如在如下不足：

1、由于室內環境復雜多變，WSN信號十分容易受到干擾而導致定位精度下降甚至失鎖；

2、目前的導航定位精度為米級，不能保證對室內行人高精度的導航需求；

3、由于WSN采用的通信技術通常為短距離無線通信技術，因此若想完成大范圍的室內目標跟蹤定位，需要大量的網絡節點共同完成，這必將引入網絡組織結構優化設計、多節點多簇網絡協同通信等一系列問題。

因此現階段基于WSN的目標跟蹤在室內導航領域仍舊面臨很多挑戰。

AHRS具有全自主、運動信息全面、短時、高精度的優點，適用于小區域目標跟蹤領域；雖然其可以實現自主導航，但誤差隨時間積累，長航時運行條件下將導致導航精度的嚴重下降。

對于現有的組合式導航技術，大多完全依靠人工智能算法直接替代信號失鎖時不能工作的數據融合濾波器對位置、速度和姿態等導航信息的解算誤差進行預估，并沒有充分有效的利用前一時刻的測量值，產生野值的概率非常高。

發明內容

本發明的目的就是解決上述問題，提供一種面向室內行人導航的AHRS/UWB無縫組合導航方法，該方法克服了單一導航技術存在的不同程度的缺陷，保證整個導航系統的無縫導航。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案，包括：

一種面向室內行人導航的AHRS/UWB無縫組合導航方法，包括以下步驟：

(1)分別將AHRS與UWB無線發送模塊安裝在行人的鞋上，將UWB無線發送模塊固定在設定位置；

(2)通過AHRS對鞋子的運行狀態進行識別，在鞋子處于靜止狀態時，通過局部數據融合濾波器對AHRS解算的導航信息誤差進行預估和補償，得到當前時刻鞋子的位置、速度和姿態的導航信息的最優估計；

(3)根據UWB信號是否正常，將整個導航算法分為培訓和預估兩個階段；

(4)培訓階段，UWB信號正常，通過對AHRS與UWB兩種模塊之間的距離和距離變化率的測量，完成對行人鞋子位置和速度的預估；

(5)將步驟(4)中采集到的位置和速度信息與步驟(2)中采集到的位置和速度信息做差，所述差值作為主數據融合濾波器的觀測量，通過主數據融合濾波器對當前時刻最優的位置、速度和姿態誤差進行預估，并對AHRS采集到的數據進行誤差補償，最終得到當前時刻最優的導航信息預估；

(6)將AHRS采集到的位置、速度和姿態信息與主數據融合濾波器輸出的最優誤差預估分別作為人工智能算法的培訓輸入和目標輸入，通過人工智能算法對兩者之間的映射關系進行構建；

(7)一旦UWB信號出現失鎖，整個導航算法進入預估階段；在這一階段，將步驟(2)中輸出的當前時刻鞋子的導航信息作為預估輸入傳送到人工智能算法中，利用步驟(6)中構建的映射關系，對UWB采集到的位置和速度信息進行預估；

(8)返回步驟(5)，將對UWB采集到的位置和速度信息的預估值與步驟(2)中采集到的位置和速度信息做差，所述差值作為主數據融合濾波器的觀測量，保證主數據融合濾波器的正常工作，進而保證整個導航系統的無縫導航。

所述步驟(2)中通過AHRS對鞋子的運行狀態進行識別的具體方法為：