基于MEMS的室内定位系统研究与设计

马文君，陈　成，周嘉彬，许卫卫，章彬彬（南京航空航天大学　金城学院，南京　211156）

基于MEMS的室内定位系统研究与设计

马文君，陈成，周嘉彬，许卫卫，章彬彬
（南京航空航天大学金城学院，南京211156）

MEMS传感器的室内定位系统，实现一种完全自主无盲区，具有数据采集、数据处理以及显示终端的功能，本文主要对采用了MEMS传感器模块进行测量行人运动参数，并通过定位计算机进行解算，实时确定行人行进方向、速度、位置等信息的室内定位系统进行设计与研究。

行人惯性导航系统；零速检测；实时定位；设计

0　引言

伴随微电子技术迅猛发展，导航定位技术的应用领域已渐渐从军事化转向了商用化。人们在工作、学习、生活中大约80%的时间都是在室内环境下度过的，室内定位技术得到了大力发展，受到了越来越多企业和民众的重视，具有很高的商业价值。在现实生活中，也有越来越多的情境需要使用到室内定位技术：例如在一个工厂仓库里，寻找所需要的产品；在火场中，对消防救助人员进行定位跟踪；在医院里，跟踪定位周围的医护人员及仪器；在商场停车场寻找停车位等等。

MEMS是一种操作范围在微米范围内工业技术，它将传统的机械工程与现代微电子技术有机地融合到了一起，并且具备如下特点：体积小、重量轻、成本低且低功耗，谐振频率高，响应时间短，性能稳定，综合集成度高。MEMS在日常生活、工作和学习中都具有广泛的研究开发和应用推广前景，随着微制造技术的发展，现在通过IC等工艺技术已可实现MEMS设备的大批量生产。随着MEMS技术的兴起和发展，MEMS传感器应用逐渐成为导航定位技术的一个重要研究方向。

本系统采用低成本MEMS器件作为唯一定位信息来源，采用信息实时处理的方法，实现不依赖于外界信息的实时自主定位功能，并且引入零速修正技术提高系统定位精度。

1　行人惯性导航系统设计

1.1数据采集与发送模块

下位机传感器测量模块为MPU-6050MEMS传感器，是由三轴MEMS加速度计与三轴MEMS陀螺仪构成的微惯性测量单元，实时测量得到传感器信息，包括加速度和角速度信息。数据通过串口在下位机和上位机之间传输，由电缆连接上下位机。

1.2数据接收和解包模块

上位机软件，由串行通信控件MSComm对下位机数据进行接收。MSComm控件由微软公司开发，致力于串行通信的控件。通过选取特定的函数对MSComm控件的属性进行设置（例如串口号、波特率等），可以对串口数据进行读取。数据读取之后，放入预先设定的环形缓冲区储存，等达到一定数量再进行解包、进一步处理可得到传感器数据。

1.3在线标定和导航解算模块

室内定位系统平台最重要的功能是实时定位解算，得到个人的位置信息。室内定位系统采用了低成本的MEMS惯性传感器作为数据采集工具，然而器件的重复性和精确度无法达到很高的要求，因此为了提高传感器精度，需要在定位系统正常工作之前进行在线标定。

2　零速检测

微惯性传感器的精度较低，且误差发散快，所以传统的捷联惯性定位不能很好地适用于室内定位系统。本系统拟加入零速修正技术来完善捷联解算算法，图1为定位算法的框架示意图：系统采集传感器数据从而捷联解算，检测零速时刻并使用零速修正技术减少导航误差的发散。精确进行零速时刻的判断是零速修正技术应用的前提，将加速度计输出比力统计特性作为判断的主要条件，设计零速检测算法，进行零速修正。

图1　室内定位算法框图

为了实现信息实时处理并且准确判断零速时刻，系统设计采用窗口型缓冲区，数据统一先进入窗口缓冲区，当缓冲区中的数据达到一定数量时，开始逐一提取缓冲区中的数据，进行正式的定位解算。窗口缓冲区采用FIFO队列形式，主要用作判断零速：若数据满足零速判断的条件，系统自动进行零速处理；若不满足则导航解算直接从缓冲区中提取数据。

3　信息显示和存储模块

图2　室内定位系统框图

上位机搭载客户端软件，主要作用是接收和处理传感器数据。平台按照功能分为三部分：数据接收部分、解算部分、图形显示部分。定位数据将会实时的显示在用户界面，用户的实时位置也会有二维显示控件直观地反映。用户界面同时也会实时显示解算得到的定位结果。为了方便后期分析使用，传感器原始数据和定位数据将以文件的形式存储在计算机中。

图2为室内定位系统框图，整套平台包括四大模块：数据采集和发送模块、数据接收和处理模块、在线标定和定位解算模块、信息显示和存储模块。

4　验证方案演示

本文开发的行人惯性导航系统平台经过了行走实验验证，实验过程中，足部会安置一个搭载惯性器件的下位机，由串口与上位机连接，用来测量足部运动信息，一旦上位机接收到传感器信息，便可以开始进行处理并实时导航。我们会进行三次实验，行走路线包含直角、圆弧、直线等，基本体现行人水平正常行走的线路。路线1从教学楼门前出发，绕草坪一周后回到楼前，距离250m 左右。路线2绕一座楼进行四边形路线行走，距离200m 左右。路线3绕两个草坪“8”字形行走，距离100m 左右。三次行走起始点选为同一地点，为了方便误差的判断。程序导航结果显示三次行走实验的误差分别为3.4、2.3和0.4m，满足误差小于2%的整体设计要求，证明本文设计实现的行人惯性导航系统具有较高的导航精度。

5　结束语

本项目研究基于MEMS传感器的室内定位系统，实现一种完全自主无盲区，具有数据采集、数据处理以及显示终端的室内定位系统，本系统为基于自身传感器的室内定位提供了一种简单而有效的方法，可以进一步融合完善，并推广应用到火场救援、车库停车、治安等诸多场景之中。

［1］许睿.行人导航系统算法研究与应用实现［D］.南京：南京航空航天大学，2008.

［2］陈伟.基于GPS 和自包含传感器的行人室内外无缝定位算法研究［D］.合肥：中国科技大学，2010.

［3］张金亮，秦永元，梅春波.基于MEMS 惯性技术的鞋式个人导航系统［J］.中国惯性技术学报，2011，19（03）：253-256.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.229