[發明專利]基于MEMS傳感器和VLC定位融合的單粒子濾波導航裝置和方法

有效

• 申請號: 201710507321.4
• 申請日: 2017-06-28
• 公開（公告）號: CN107246872B
• 公開（公告）日: 2019-10-11
• 發明（設計）人: 莊園;華魯馳;戚隆寧
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種基于MEMS傳感器和VLC定位融合的單粒子濾波導航裝置和方法，包括MEMS傳感器、INS模塊、VLC定位模塊、PDR定位模塊和測姿定位單粒子濾波器模塊；本發明中基于INS慣導機械編排的誤差方程作為融合濾波器的系統方程，用于對粒子群的粒子進行更新。觀測方程包括VLC定位信息更新、PDR定位信息更新和磁力計觀測量更新，用于計算各個粒子的權重。輸出姿態信息給VLC定位模塊和PDR定位模塊。本發明首次在VLC定位領域使用融合測姿準確估計VLC接收器的姿態信息，解決VLC定位容易受接收器姿態影響以及在光信號被遮擋情況下定位不連續的問題，并消除姿態對VLC定位的影響。

技術領域

本發明涉及智能定位裝置及方法，特別是涉及基于MEMS傳感器和VLC定位融合的單粒子濾波導航裝置和方法。

背景技術

隨著室內定位技術的發展和應用，基于可見光通信的室內定位技術也在迅速興起并得到廣泛關注。在充足室內光源的環境下，通過光傳感器等設備檢測得到經過復用協議調制的光信號，通過信號解調技術可以將不同光源信號數據分離，從而結合環境參數可以計算出定位目標相對每個光源的距離或角度信息，最后通過定位算法如三邊定位可以完成目標定位。

然而，由于目標接收設備的姿態會隨著目標移動產生抖動，將對VLC定位結果帶來較大的影響。另一方面，實際場景中光信號容易被遮擋，將會導致定位不連續。針對前一個問題，目前的方案主要是通過多傳感器組合共同定位。針對后一個問題，主流的解決方案是通過卡爾曼濾波或者粒子濾波來估計目標位置。但這些方案存在一些問題：1)相比于單傳感器定位，多傳感器組合定位算法復雜且成本較高；2)目前定位方案中提出的濾波器融合是以探測器姿態平穩為前提，在實際場景中穩定性較差。3)在信號被遮擋的情況頻繁發生的場景中，僅通過VLC數據加濾波器的定位系統推測的目標位置仍然與實際位置有較大偏差。

另外，在慣導定位中一般采用卡爾曼濾波進行噪聲處理和定位，卡爾曼濾波對于線性系統效果較好，而在實際環境中，很多系統是非線性的。擴展卡爾曼濾波是卡爾曼濾波的一種新的形式，它通過泰勒展開后忽略二階以上的分量從而將非線性系統轉化為線性系統。粒子濾波算法則能夠處理完全非線性的系統，效果比卡爾曼濾波更好。

發明內容

發明目的：為解決現有技術的不足，提供一種可消除姿態對VLC定位的影響，可彌補VLC定位結果不連續、不平滑的確定的基于MEMS傳感器和VLC定位融合的測姿定位單粒子濾波導航裝置和方法。

技術方案：基于MEMS傳感器和VLC定位融合的單粒子濾波導航裝置，包括MEMS傳感器、INS模塊、VLC定位模塊、PDR定位模塊和測姿定位單粒子濾波器模塊；所述MEMS傳感器包括加速度計、陀螺儀以及磁力計；

所述測姿定位單粒子濾波器模塊的輸入包括：加速度計測得的接收器在XYZ方向的加速度信息和陀螺儀測得的接收器在XYZ方向上的角速度信息傳遞給INS模塊，由INS模塊對其進行編排得到接收器的INS位置信息、速度信息和姿態信息；磁力計測得的接收器相對東、南、西、北方向的角度信息；加速度計測得的接收器在XYZ方向的加速度信息給PDR定位模塊進行位置估計得到的PDR定位信息與VLC定位模塊輸出的VLC定位信息通過加權平均后的位置信息；

所述測姿定位單粒子濾波器模塊輸出當前時刻接收器的位置信息、速度信息和姿態信息給INS機械編排模塊，輸出當前時刻接收器的姿態信息給PDR定位模塊或VLC定位模塊，輸出噪聲補償信號反饋給加速度計和陀螺儀，同時輸出當前時刻接收器的定位信息。

進一步的，所述PDR定位信息和VLC定位信息的權重由VLC定位模塊中光信號是否被遮擋來設定，若光信號被遮擋時系統將VLC位置信息的權重設為0，只采用PDR位置信息。

一種基于所述導航裝置的導航方法，包括以下步驟：

(1)建立S-PF的狀態向量；

(2)建立S-PF的系統模型；