论文总字数：22491字

摘 要

基于MIMU（Miniature Inertial Measurement Unit）的行人导航系统成本较低，方便佩戴，且能满足室内室外定位服务。但是由于MIMU的测量精度低，会导致行人导航系统的位姿误差积累严重，这严重缩短了行人导航系统的有效使用时间。所以，本文将围绕行人导航系统的误差修正和功能达成展开研究。

首先讲述了该系统常使用的坐标系统，探究了位姿解算算法。建立了系统位姿误差模型，并环绕卡尔曼滤波算法开展了探究。接着探究了基于零速状态的系统修正算法。通过剖析行人走路时脚步的摆动特征（步态），引入基于速率的修正算法。但该算法不能扼制行人导航系统航向角漂移，后引入了组合零线速率和零角速率的修正算法。然后探究了融合磁强计信息的航向角修正算法，剖析影响地磁信息精度的原因，建立了量测误差模型，引入椭球拟合误差补偿算法，完成了融合地磁信息的航向角修正算法。最后使用mpu6050（Micro Processor Unit 6050）模块和STM32单片机设计实现行人导航系统，从软硬件方面完成了系统设计。实验结果证明系统可以满足行人导航功能。

关键词：行人导航系统 MIMU 零速修正 航向角修正

Research on pedestrian navigation based on MIMU

Abstract

The pedestrian navigation system based on MIMU（Miniature Inertial Measurement Unit）is low in cost, easy to wear, and can satisfy indoor and outdoor location services. However, due to the low measurement accuracy of MIMU, the pose error of pedestrian navigation system will accumulate seriously, which will seriously shorten the effective use time of pedestrian navigation system. Therefore, this paper will focus on the error correction and function of pedestrian navigation system.

Firstly, the coordinate system used in the system is described, and the pose solving algorithm is explored. The system pose error model is established and the kalman filter algorithm is explored. Then the system correction algorithm based on zero speed state is explored. By analyzing the swing characteristics (gait) of walking feet, a speed - based correction algorithm is introduced. However, this algorithm can not control the heading Angle drift of pedestrian navigation system, and then a modified algorithm combining zero line rate and zero Angle rate is introduced. Then, the course Angle correction algorithm of fusion magnetometer information is explored, the reasons affecting the accuracy of geomagnetic information are analyzed, the measurement error model is established, and the ellipsoid fitting error compensation algorithm is introduced to complete the course Angle correction algorithm of fusion geomagnetic information. Finally, mpu6050（Micro Processor Unit 6050）module and STM32 development board are used to make pedestrian navigation system. The system design is completed from the software and hardware aspects. The experimental results show that the system can satisfy the pedestrian navigation function.

Key words: pedestrian navigation system, MIMU, zero speed correction, course Angle correction

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 行人导航系统的研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状分析 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 3

1.3 课题主要研究内容 4

1.4 论文结构安排 4

第二章 位姿检测原理 6

2.1 位姿解算基本原理 6

2.2 坐标系统 6

2.2.1 常用坐标系定义 6

2.2.2 坐标系转换关系 6

2.3 姿态更新算法 7

2.4 速度与位置更新算法 10

2.5 系统误差模型 10

2.5.1 速度和位置误差方程 10

2.5.2 姿态误差方程 11

2.6 卡尔曼滤波器 13

2.6.1 标准卡尔曼滤波器算法 13

2.6.2 扩展的卡尔曼滤波算法 14

2.7 本章小结 15

第三章 基于零速状态的系统修正算法 16

3.1 步态识别算法 16

3.1.1 三条件法 16

3.1.2 仿真与验证 18

3.2 基于零线速率的系统修正算法 19

3.2.1 基于零线速率的系统修正算法 19

3.2.2 仿真与验证 21

3.3 基于零速状态的组合修正算法 22

3.3.1 基于零速状态的组合修正算法 22

3.3.2 仿真与验证 22

3.4 本章小结 23

第四章 融合磁强计的系统修正算法 24

4.1 融合地磁信息的航向角修正算法 24

4.1.1 地磁测量误差模型 24

4.1.2 椭球拟合算法 25

4.1.3 融合地磁信息的航向角修正算法 26

4.1.4 仿真与验证 27

4.2 本章小结 28

第五章 基于mpu6050行人导航系统设计与实现 29

5.1 系统硬件结构 29

5.1.1 硬件结构设计方案 29

5.1.2 工作原理 29

5.1.3 硬件模块选型 29

5.1.4 硬件连接 30

5.2系统软件设计 31

5.2.1 开发环境 31

5.2.2 软件设计总框图 31

5.2.3 软件设计流程图 31

5.3 实验验证 32

5.4本章小节 33

总结与展望 34

参考文献 35

致谢 37

第一章 绪论

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