摘 要

近年来随着生活场景的多样化，人们对定位技术的需求不断增长，由于在某些环境中无法使用卫星定位系统等依赖基础设施的定位方式，只能依靠惯性测量单元进行行人定位。随着微机电系统的不断发展，其在人体行走定位方面具有良好的应用前景。本文设计了一种基于航姿参考系统（Attitude and heading reference system，AHRS）的人体行走定位装置。采用自顶向下逐步细化的方式对系统分层设计，通过使用由陀螺仪、加速度计和磁强计组成的传感器组合，应用姿态解算滤波器获得传感器与大地的相对姿态；使用零速检测与零速修正的手段，对加速度和速度进行校正与清零。相较未使用零速检测与更新的情况，极大地避免了传感器测量值的漂移问题，可以实现人体行走的精确定位。

研究结果表明：本文设计的基于AHRS的人体行走定位装置，可以在使用MEMS姿态传感器的情况下，获得较好的定位效果，具有一定的实用意义。

关键词：姿态解算；零速检测；零速修正；人体行走定位

Abstract

In recent years, with the diversification of life scenes, people's demand for localization technology has been increasing. As the Global Navigation Satellite System and other infrastructure-dependent localization methods can’t be used in certain environments, we can only rely on inertial measurement units for pedestrian localization. With the continuous development of Micro-Electro-Mechanical System, it has good application prospects in pedestrian localization. This paper designs a pedestrian localization device based on attitude and heading reference system. The system is hierarchically designed from top to bottom. The relative orientation between the sensor and the earth is obtained by using the orientation estimation filter based on the Magnetic Angular Rate Gravity sensor; the zero-velocity detection and zero-velocity update algorithm is used to correct acceleration and speed during the calculation. Compared with the case where zero-velocity detection and update are not used, the problem of drift of the measured value of the sensor is greatly avoided, and accurate localization of pedestrian can be achieved.

The research results show that the pedestrian localization device based on AHRS designed in this paper can obtain better localization effect when using MEMS sensor, and has certain practical significance.

Key Words：orientation estimation；zero-velocity detection；zero-velocity update；pedestrian localization

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 主要研究工作与本文章节安排 3

1.3.1 主要研究工作 3

1.3.2 本文章节安排 3

第2章 人体行走装置硬件设计 5

2.1 硬件总体设计与选型 5

2.2 硬件原理图设计 6

2.2.1 微处理器最小系统设计 6

2.2.2 传感器模块设计 6

2.2.3 通讯模块设计 7

2.2.4 电源模块设计 7

2.3 本章小结 8

第3章 基于AHRS的姿态解算滤波器 9

3.1 四元数表示法 9

3.2 滤波器推导 10

3.2.1 角速度方向 10

3.2.2 向量观测方向 11

3.2.3 滤波融合算法 14

3.2.4 磁失真补偿 15

3.2.5 陀螺仪偏置漂移补偿 16

3.3 基于姿态解算滤波器坐标变换的研究 17

3.4 本章小结 18

第4章 基于零速修正的行走定位算法 19

4.1 零速检测 19

4.2 零速检测实验 20

4.3 零速更新 22

4.4 行走定位实验 24

4.5 本章小结 24

第5章 总结 26

参考文献 27

附录A 29

附录B 30

致 谢 33

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

近年来，人体定位技术得到了越来越广泛的应用。随着信息化和智能化服务的推广与普及，人体定位技术被越来越多地应用于各种生活场景，如户外旅游和野外探险的定位与导航服务，大型商超的室内定位服务，地下停车场的导航服务，机场与火车站的室内导航服务，灾难场景下的定位与导航服务等。目前大多数人体位置确定，都是借助全球定位系统、北斗卫星导航系统、格洛纳斯等卫星导航系统实现的。卫星导航系统由三部分组成，分别为：空间段、地面段和用户段。空间段为在轨工作的多颗导航卫星，地面段包含主控制站、监测站等地面基础设施，用户段为定位信号接收机。卫星导航系统的组成结构使得应用环境极易受到限制，即无法在具有较多遮挡物的位置进行定位，例如：树木茂盛的丛林、有高大建筑物遮挡的城市和室内环境等。其他常见的定位方式如基于射频识别的定位技术、基于超声波的定位技术、基于蓝牙的定位技术、基于WiFi的定位技术、基于红外线的定位技术和基于Zigbee的定位技术等，也因基础设施的布设成本和环境的复杂性在应用场景上有所局限。

考虑到基于微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）技术的传感器芯片发展迅速，传感器体积不断小型化，成本逐渐降低，目前已经广泛应用于航空航天、生物医疗、姿态感知等领域^[1]。人体行走定位所需的MEMS运动追踪传感器，目前已经在人体姿态检测、步态感知和室内定位等场景下有所应用。王莉等人基于MPU9250运动追踪传感器和MS5611气压计采用阈值算法与Mahony数据融合算法^[2]，对人体姿态进行检测，以判断老年人的跌倒行为。黄金彭等人提出了一种基于MPU9250的惯性导航系统辅助线性调频扩频的高精度室内定位方法^[3]，使用该方法可以有效降低定位成本与系统复杂度。曹恒等人提出了一种基于惯性测量单元与WiFi技术的步态检测系统^[4]，以准确可靠地获得人体步态信息，可以应用于身份验证、康复医学、仿真机器人和外骨骼等方面。可见MEMS运动追踪传感器地测量精度满足人体定位需求。