一種MEMS傳感器的GPS盲區(qū)設(shè)備定位方法.docVIP

一種MEMS傳感器的GPS盲區(qū)設(shè)備定位方法 楊朋偉 （中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)工程大學(xué)裝備工程學(xué)院，陜西西安710086） 【摘要】針對(duì)室內(nèi)定位GPS存在盲區(qū)的問(wèn)題，本文提出了一種MEMS技術(shù)的室內(nèi)定位解決方案。該方案利用MEMS微傳感器，通過(guò)記錄傳感器運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息，結(jié)合設(shè)備初始GPS采集位置，實(shí)時(shí)計(jì)算傳感器室內(nèi)定位位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)計(jì)算精度在0.1以?xún)?nèi)，可準(zhǔn)確記錄傳感器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，能實(shí)現(xiàn)GPS盲區(qū)設(shè)備定位。 關(guān)鍵詞盲區(qū)定位；室內(nèi)定位；微傳感器；mems 0引言 在煤礦、鐵礦及室內(nèi)，GPS存在信號(hào)盲區(qū)，而強(qiáng)度定位信號(hào)衰減迅速，飛行時(shí)間定位精度不高，超寬帶定位距離有限，要準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)GPS盲區(qū)的定位，技術(shù)革新勢(shì)在必行。隨著Mems、Zigbee技術(shù)的發(fā)展，MEMS傳感器己經(jīng)廣泛地運(yùn)用于運(yùn)動(dòng)參數(shù)監(jiān)測(cè)1和微型參數(shù)測(cè)量2。文章提出了一種傳感器設(shè)備運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量方法，為設(shè)備在GPS信號(hào)盲區(qū)的定位提供了依據(jù)。 1系統(tǒng)總體方案 1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 安裝在設(shè)備上的MEMS傳感器對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，數(shù)據(jù)采集電路對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到設(shè)備運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)參數(shù)，經(jīng)Zigbee模塊到計(jì)算終端，計(jì)算終端解算實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)動(dòng)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集。系統(tǒng)主要包括：參數(shù)處理計(jì)算終端、傳感器數(shù)據(jù)采集電路、Zigbee硬件電路。 1.2系統(tǒng)硬件選型 系統(tǒng)傳感器選取ADIS16405型號(hào)的慣性傳感器單元3。選取ZigbeeJN5139芯片作為數(shù)據(jù)采集處理及無(wú)線傳輸單元。 1.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理 MEMS慣性傳感器利用內(nèi)置的傳感器單元，對(duì)設(shè)備運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。系統(tǒng)將設(shè)備跟蹤捕捉系統(tǒng)中獲得的設(shè)備運(yùn)動(dòng)信息，轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)中構(gòu)建的設(shè)備模型的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息，將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)參數(shù)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)建立的三維設(shè)備運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行設(shè)備的實(shí)時(shí)定位。 2定位模型的建立 2.1基本坐標(biāo)系的建立 系統(tǒng)涉及坐標(biāo)系：MEMS傳感器坐標(biāo)系、地磁坐標(biāo)系和設(shè)備運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系。 2.1.1MEMS傳感器坐標(biāo)系 MEMS傳感器坐標(biāo)系OMXMYMZM：OM為傳感器的重心，XM軸和YM軸分別與傳感器的兩條邊平行，ZM軸垂直于傳感器表面向上。 2.1.2地磁坐標(biāo)系OEXEYEZE 地磁坐標(biāo)系OEXEYEZE：地磁坐標(biāo)系為又稱(chēng)為絕對(duì)坐標(biāo)系。坐標(biāo)系原點(diǎn)選在OE地球中心，坐標(biāo)系ZE軸沿著地磁場(chǎng)一級(jí)近似的中心偶極子的偶極軸，指向北極。XE軸沿磁赤道平面指向外，YE軸沿磁赤道平面指向右。 2.1.3設(shè)備運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系 設(shè)備運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系：設(shè)備坐標(biāo)系OHXHYHZH，其坐標(biāo)軸定義為：原點(diǎn)位于設(shè)備中心，XH軸和YH軸分別與傳感器的兩條邊平行，ZH軸垂直于設(shè)備表面向上。 2.2旋轉(zhuǎn)矩陣坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 為了便于表示，引入歐拉角的一種表現(xiàn)形式旋轉(zhuǎn)矩陣。定義角算符z()為繞著Z軸旋轉(zhuǎn)的角，y()為繞著Y軸旋轉(zhuǎn)的角，x()為繞著X軸旋轉(zhuǎn)的角，于是有: 這樣有效了避免了采用不同旋轉(zhuǎn)順序致使設(shè)備最終取向的不同。 2.3定位方法描述 對(duì)于設(shè)備運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)，可以通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣的方式對(duì)其進(jìn)行描述，也就是說(shuō)通過(guò)采集設(shè)備三個(gè)方向的角度變化，進(jìn)而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變化，計(jì)算地磁坐標(biāo)系三個(gè)方向角度的變化，就可以知道設(shè)備相對(duì)于地磁坐標(biāo)系位置的變化，通過(guò)測(cè)量位移、加速度、速度等參數(shù)，就可以根據(jù)初始位置確定設(shè)備的實(shí)時(shí)位置信息。 3定位系統(tǒng)解算方法 歐拉角處理過(guò)程中會(huì)涉及大量的矩陣運(yùn)算，同時(shí)由于在三維空間中繞三個(gè)角度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)因?yàn)樾D(zhuǎn)失去任意軸的自主性，因此有必要引入四元數(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)矩陣進(jìn)行描述。 3.1四元數(shù)法 四元數(shù)法是利用一種超復(fù)數(shù)的乘法性質(zhì)來(lái)等效反映向量轉(zhuǎn)動(dòng)的方法。任何三維空間的向量都可以用實(shí)部為0的四元數(shù)表示，從傳感器平臺(tái)坐標(biāo)系S轉(zhuǎn)換到參考坐標(biāo)系L的四元數(shù)姿態(tài)矩陣為： 根據(jù)上面的公式，可以計(jì)算線速度、加速度和位移等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。 3.2設(shè)備運(yùn)動(dòng)位置確定 系統(tǒng)通過(guò)Zigbee模塊實(shí)時(shí)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算終端，計(jì)算終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，轉(zhuǎn)化為三軸姿態(tài)角和位移偏移量。根據(jù)最后能接受到的GPS信號(hào)時(shí)記錄的位置信息，以及無(wú)GPS信號(hào)時(shí)設(shè)備三個(gè)方向上位移的變化量估算設(shè)備新時(shí)刻的位置，下一時(shí)刻的位置以這個(gè)新位置為基礎(chǔ)進(jìn)行解算，以此類(lèi)推，最終可以確定設(shè)備在失去GPS信號(hào)時(shí)的實(shí)時(shí)位置信息。 4結(jié)論 本文通過(guò)研究MEMS傳感器運(yùn)動(dòng)參數(shù)的解算，完成了設(shè)備運(yùn)動(dòng)參數(shù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)動(dòng)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，系統(tǒng)精度高、運(yùn)行穩(wěn)定，能滿(mǎn)足無(wú)GPS信號(hào)時(shí)對(duì)設(shè)備精確定位的要求。但由于慣性傳感器誤差的累積，需要及時(shí)將設(shè)備的記錄清0，這在一定程度上影響了數(shù)據(jù)采集的精度，因此對(duì)于系統(tǒng)精度的提高有待進(jìn)一步研究。 參考文獻(xiàn) 1焦純,楊國(guó)勝,董秀珍等.基于三維運(yùn)動(dòng)傳感器的訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)J.醫(yī)療衛(wèi)生裝備,xx(3):12-30. 2朱榮,周兆英,于婷,等.肢體運(yùn)動(dòng)微型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究J.清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,xx(11):1302-1588. 3AnalogDevi