基于MEMS IMU的室内导航系统设计*

闻泽阳 许江宁 于梦琦

(海军工程大学导航工程系 武汉 430033)

基于MEMS IMU的室内导航系统设计*

闻泽阳 许江宁 于梦琦

(海军工程大学导航工程系 武汉 430033)

为了实现低成本的室内导航，设计了基于惯性测量单元(IMU)的室内组合导航定位系统， 惯性测量单元(IMU)安装在室内行人的肩部，在行人处于静止状态时以IMU输出速度误差与角速度误差为观测信息，并利用这些观测信息通过卡尔曼滤波器估计IMU解算误差。当行人处于行进状态时，通过气压计测量室内行人所处的海拔高度，并通过磁力计测量航向角，气压计所测得的数据对IMU输出高度进行修正，磁力计所测量的数据对IMU的航向角进行修正，在论文所构建的框架下来抑制IMU误差积累。

室内导航; 惯性导航系统; 卡尔曼滤波器; 气压计; 磁力计

(Department of Navigation, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Class Number U666.1

1 引言

导航具有很长时间的历史，聪明的古罗马人利用北极星和太阳的位置作为参照横渡地中海，中国古代同样也为人类导航做出了重大贡献——指南针的发明。从现在科学定义的角度分析，导航是正确引导运载体沿着预定的航线在规定的时间从起始点到达目的地的技术或者方法，用来完成上述引导任务的设备(包括载体上和地面上的设备)系统成为导航系统[1]。按照导航是否需要外接参考信息，可以将导航分为自主导航和非自主式导航两种[2]。自主式导航一般是指惯性导航(Inertial Navigation System,INS),非自主式导航主要包括天文导航、无线导航和微型导航等。本文将主要就卫星导航展开讨论。

近几年，行人导航系统(PNS)特别是室内行人导航系统获得了巨大的关注。受限于室内环境GPS信号质量较差的条件，惯导系统累积误差无法得到有效补偿。此外，室内运动距离短、机动性强，因此室内导航定位系统需满足高精度定位、快速反应等要求，而低成本的惯性导航系统受限于器件精度及技术工艺水平等诸多因素，必须依靠有效的外部信息辅助惯导系统来校正和抑制其累积误差。

陀螺仪和加速度计是惯性导航系统最关键的两个部件。载体在惯性空间的旋转角速度由陀螺仪测量，载体的线加速度由加速度计测量，获得数据后通过转换和积分，载体的姿态、速度和位置等导航信息便应运而生。早期的陀螺仪应用十分有限，主要因其干扰力矩较大，精度很低。直到20世纪50年代，美国麻省理工学院的draper实验室成功研制出液浮陀螺仪，才使得陀螺仪真正意义上达到了惯性导航的要求[3]。

非自主式导航系统必须要有其他地方的设备进行协同工作，它无法单独依靠自身的导航设备进行导航。非自主式导航系统应用广泛，无线电导航系统早期应用很多，如今已被微型定位系统所取代。卫星定位系统具有诸多优点，例如全天候、实时性等。它在全球范围内为用户提供高度精度的三围位置、速度及时间信息，因而广泛用于军民领域。目前，美国的全球定位系统(GPS)已经投入运营，它的应用也最为广泛，中国的“北斗”定位系统也正在加紧建设和完善，并且也已经发挥了很好的导航作用。但卫星定位系统在信号较弱甚至没有的地区将会非常不便利，而且易受外界环境的干扰，数据更新速率也相对较慢。

组合导航能弥补以上两种导航方式各自的不足，因而发挥各个导航系统的优势，更能适应现代战争对导航的要求。因此，世界各国广泛采用多设备组合、冗余设计、多功能的组合导航系统。其容错能力和余度导航能力都得到了巨大的提高，从而增加了导航系统的可靠性。此外，组合导航由于其互补的能力因而对各个导航系统的精度要求相对较低，缩减了整个系统的成本。微型计算机与数字滤波技术的发展，即为组合导航的研究奠定了物质基础，又提供了有力的处理工具。目前有多重组合导航的方式，如全球定位系统/惯性导航系统(GPS/INS)，全球定位系统/多普勒导航系统(GPS/DNS),以惯性导航为主、GPS和地形辅助参考导航(TRN)为辅的组合导航系统(INS/GPS/TRN)，组合卫星定位系统(GPS/GLONASS),卫星导航/天文导航(GPS/CNS)等[4]。

据调查统计[5]，现在人类80%的时间都处于室内，室内地理信息的研究相应的变得越来越重要。但是现如今大多数地图数据仅仅是适用于室外地理信息，GPS定位技术的准确性也仅仅局限在室外，室内的情况则无法胜任。本文正是在此背景下，研究基于低精度(价格较为低廉)MEMS惯性器件如何在室内长时间进行较高精度导航定位的功能。尝试使用INS导航的方式提高姿态、速度和位置的解算精度，并且加入气压计，读取温度和气压并经过校正程序得到真实的气压高度，通过磁力计输出行走航向，从而更好地完成室内导航的功能[6～7]。

本文提出了以气压计、磁力计辅助IMU的室内组合导航定位系统，IMU安装在行人肩部，当行人处于静止状态时以惯导输出速度为误差及角速度误差为观测量，当行人处于运动状态时以惯导气压计、磁力计输出高度、航向为基准，对惯导输出进行直接修正。

2 仪器介绍

2.1 主要器件

1) MPU-6050

MPU-6050集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计以及一个课扩展的数字运动处理器DMP，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后，就可以通过其I2C或SPI几口输出一个9轴的信号。MPU-6050也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。MPU-6050的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec (dps)，可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g、±8g与±16g。产品传输可透过最高至400kHz的IC或最高达20MHz的SPI(MPU-6050没有SPI)。

2) 磁力计HMC-5983

Honeywell三轴电子罗盘HMC5983是一个温度补偿的三轴集成电子罗盘，它是一种表面贴装的高集成模块，用于测量磁场，被广泛应用在磁场检测，手机、平板电脑、上网本、电子消费、自动导航和个人导航设备等领域。

HMC5983内置高分辨的HMC118X系列的磁阻传感器加上ASIC，还有放大器，自动消磁带、偏执带和一个12bitADC，这款使得5983航向角的精度达到1-2°。

3) 气压计BMP180

BMP180是一款高精度、小体积、超低能耗的压力传感器，可以应用在移动设备中，它性能卓越，绝对精度最低可达到0.02hPa，符合测量大气压的精度要求，并且耗能极低，只有3uA。在低功耗的情况下，测量高度误差为0.5m，在高功耗情况下测量误差仅为0.17m，楼层通常情况下高约3m左右，故在楼层变换的时候该精度足以判断楼层高度。

BMP180采用强大的8-pin陶瓷无引线芯片承载(LCC)超薄封装，可以通过I2C总线直接与各种微处理器相连。

2.2 系统构成

本次测试仿真使用的IMU单元为mini INS/GPS电路板(组合了MPU-6050、HMC5983、BMP180和ublox MAX-7Q)。

电路板的驱动和解算程序能够完成以下功能：

1) 读取MPU-6050输出的三轴角速度和三轴加速度ADC值；

2) 读取HMC5893磁力计各个轴所感应到的磁力强度ADC值；

3) 读取气压计BMP180的温度和气压并经过校正程序得到真实的气压高度；

4) 运行AHRS解算程序，得到当前模块的俯仰，横滚，航向，气压高度和温度；

5) 程序将各个传感器值、解算后的姿态信息发送到主串口TXO输出给上位机。连接上位机将显示波形和各个传感器的值。

通过加速度计和陀螺仪的数据能够探测出行人步行的状态，当测试人员处于静止阶段的时候，卡尔曼滤波器便会开始工作。因为当测试人员处于静止阶段的时候速度和角速度的值都应当为0，脚上IMU所测出的速度和姿态信息将被送入卡尔曼滤波器，作为观测速度和角速度误差的数据。

与此同时肩部IMU单元装置有BMP180,用来测定此时此刻测试人员所处的高度信息(选在肩部的是因为人在行走过程中足部波动过大不便于测量)。将磁力计装置在肩部，测量航向角。当行人处于运动状态时，直接利用磁力计、气压计输出对惯导进行修正。

行人静止时，通过卡尔曼滤波器估计惯导解算误差[5]。

(1)

系统量测方程为

(2)

该卡尔曼滤波器使用了如下公式组(3)：

Pk=(I-KkHk)Pk/k-1

(3)

气压计BMP180也将引入系统之中，由于现代GPS接收器在海拔高度信息方面十分不可靠，有效的高度信息获取就显得十分重要了，利用气压和温度数据并经过解算便可以获取精度很高的高度信息。

探测器周围的压力随着高度增加而减小，因此，压力他侧气可以被用来计算其所在位置的高度，利用如下公式便可(其中p0是海平面的气压)：

通常情况下[8～9]，气压是随着天气变化而产生变化的(即使温度的变化)，为了能够准确地测出海拔高度，严格上来说是更为准确地测出所在楼层，故采用了使用温度和气压数据的解算程序以达到目的。

除此之外，装置在肩部的磁力计HMC-5983也将投入使用以抑制航向角误差。

磁力计通过测量地磁场水平方向分量确定磁北极方向并推算出其他方向。磁南北极与地理南北极两轴线的夹角λ成为磁偏角，在磁极点处磁场和当地的水平面垂直，在赤道附近磁场和当地的水平面平行，所以在北半球和南北球磁场方向都倾斜指向地面。地磁场是一个矢量，在一个固定的地点，地磁场矢量可以被分解为两个于当地水平面平行的分享和一个与当地水平面垂直的分量。当磁力计水平放置的时候，传感器坐标系的X、Y轴在水平面内，X轴为前进方向，那么磁力计的X、Y、Z三个坐标轴就和这三个地磁场分量对应起来，如图1所示。

图1 地磁场在水平面的矢量分解图

图1中X和Y轴在水平面内，Y轴向右且垂直于X轴，Z轴铅垂向下，HX，HY，HZ分别为地磁场强度在地平面坐标系下X、Y、Z轴的磁场强度分量。angle为当地磁子午线顺时针旋转至传感器前进方向的夹角[10]。

由于磁力计固定在肩膀上，当行人运动时会发生姿态变化，其俯仰角θ和翻滚角γ可以由惯导测出，根据坐标变换式(4)，磁力计的三轴测量值Hx，Hy，Hz在水平面的投影值HX，HY为

HX=Hxsinθsinφ+Hycosφ-Hzcosθsinφ
Hy=Hxcosθ+Hzsinθ

(4)

根据磁力计在水平方向的投影值HX，HY，就可以计算肩上磁力计前进方向与当地磁子午线的夹角angle：

(5)

由于反正切公式计算出来的角度范围与传感器的输出要求不符。所以要进行角度的处理，选择易于编程的正切函数的变种函数atan2(y,x)。当参数x和y不同时为0时，atan2(y,x)是以坐标轴原点(0,0)为起点，指向(x,y)的射线在坐标平面上与x轴正方向之间的角的角度，该角度大小以弧度表示。

atan2(y,x)函数定义如下：

该函数的值域为(-π,π]。当y<0时，对atan2(y,x)的负数结果加上2π，将此函数的值域结果变化到(0,2π]范围内，所以磁力计的角度输出为

如果考虑上当地磁偏角λ，则航向角要为磁力计的角度加上地磁偏角，即：

α=angle+λ

(6)

每个地区的磁偏角λ是一个固定值，可以通过查表确定，并在解算程序中修正α的输出在0～360°之间。

3 系统设计

利用惯导输出判断室内行人运动状态[11～12]，当行人静止时，以惯导输出的速度增量及角速度作为误差观测值，进行卡尔曼滤波，估计并补偿惯导姿态、速度、位置误差。行人处于运动状态时，以气压计输出的高度信息和磁力计输出的航向角信息为基准，对惯导进行直接装订。避免惯导解算中由这两个量引入的误差。系统原理框图如图2所示。

图2 系统原理框4

3.1 测试及讨论

为了验证本文设计的室内导航系统的可行性，本节设计了两种测试试验，分别是平坦的地下停车场，来测试该系统在此室内环境的导航轨迹与实际轨迹的误差以检验其性能优良。另外一个则是在有电梯的楼层之中，测试人员分别在各个楼层停留一段时间，测试气压计对于楼层的判断是否足够准确(气压计BMP180的测高精度可达0.17m，该精度足够判断行人所处的楼层)。

3.2 室内

测试人员处于地面平坦的室内环境，保持静止，取校正前后惯导输出的纬度为例，对比纯惯性导航系统与本文设计的室内导航定位系统的定位精度，其对比曲线如图3所示。

图3 位置输出对比

图3中，曲线为纯惯导系统的纬度输出曲线，实线为本文设计室内导航定位系统的纬度输出曲线。可以看出，本文设计的室内导航定位系统定位精度明显提高，惯导位置输出曲线得到了有效的抑制，输出标准差由0.3°降低到0.09°。

图4 高度输出

3.3 楼层测试环境

本部分将测试位于肩部IMU的气压计BMP180测量楼层信息的导航性能。测试人员将从二楼至一楼往返两次，记录本文设计的室内导航定位系统输出高度，如图4所示。

从图4可以看出，在气压计的校正下，惯导系统输出高度能够较为准确地反映测试人员所处的楼层信息，相比纯惯导状态下的高度发散，该系统可以输出可靠的高度信息。

4 结语

本文提出了以气压计、磁力计辅助IMU的室内组合导航定位系统，IMU安装在行人肩部，当行人处于静止状态时以惯导输出速度为误差及角速度误差为观测量，当行人处于运动状态时以惯导气压计、磁力计输出高度、航向为基准，对惯导输出进行直接修正。室内测试实验与楼层测试实验可以证明，相比纯惯导系统，该系统的定位精度定位精度较高，高度输出更为可靠准确。

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Design of Indoor Navigation System Based on Double MEMS IMU

WEN Zeyang XU Jiangning YU Mengqi

An indoor integrated navigation and positioning system based on inertial measurement unit (IMU) is designed, for the purpose of realizing low-cost indoor navigation. The IMU is installed on the pedestrian’s shoulder, Kalman filter (KF) estimate IMU calculation error when the pedestrian is in a static state, using the speed error and angular velocity error of IMU as the measurements. Altitude and yaw are measured by barometer and magnetometer, providing correction information, and restraining the error divergence of IMU.

indoor navigation, inertial navigation system, Kalman filter, barometer, magnetometer

2016年6月6日,

2016年7月20日

闻泽阳,男,研究方向：舰船综合导航系统和高晶度惯性导航系统。许江宁,男,教授，博士生导师，研究方向：惯性技术及应用、卫星导航技术教学。

U666.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.018