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基于MEMS惯性器件的徒步个人导航仪设计与实现

庞晗  
【摘要】:在现代生活中,各种便携式个人导航设备已经成为人们日常生活的不可或缺的一部分。作为美国军方专用的卫星导航定位系统,GPS已经被广泛应用于个人导航装置,在其信号状况良好时具有全方位实时定位功能,能提供准确的个人导航定位服务。但是,在浓密的深林、高楼林立的城市以及封闭的室内环境中,GPS接收机不能正常接收卫星信号,定位精度大大降低。为克服这些缺点,达到个人导航的连续性和可靠性,基于各种传感器(惯性传感器、超声波以及红外线传感器等)的组合导航系统应运而生。 本文研究开发一种由测向定位装置、计步器、液晶显示终端组合构成的个人导航仪,以体积小,成本低的MEMS器件为核心测量传感器,构造自治系统并实现连续的个人导航。测向定位装置捆绑于腰部,采用MEMS IMU及磁阻传感器实现高精度定向,结合计步器相关信息完成定位推算。计步器安装于脚部,利用三轴MEMS加速度计测量行人行进的加速度信号,估计行人步态的站立期、迈步期以及步数和步长。在站立期,测向定位装置根据计步器的输出采用零速校正算法(ZUPT)和零角速率校正算法(ZARU)以提高定向精度。在GPS信号正常时,测向定位装置接收GPS信息,并采用卡尔曼滤波算法估计系统误差,以提高定位精度。手持液晶显示终端采用CAN总线与测向定位装置通信,用于显示导航参数。 测向定位装置还设计了SD卡、语音输入输出、键盘等电路。SD卡用于存储导航数据便于用户在计算机上查看和复现自己的行走轨迹;语音输入输出电路用于提高导航仪的操作效率和丰富工作的人机接口;键盘电路用于控制计步器工作和语音播放。 为验证个人导航仪的定位性能,在室内环境下以正常的行走速度,进行了行走试验。通过对试验数据结果的分析,得出了个人导航仪设计方案具有较好准确性和可行性的结论。


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