专利名称：一种自主室内定位系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于导航定位技术领域，尤其是涉及一种自主定位系统。
背景技术：
目前，GPS是应用最为广泛的导航定位技术。其显著优点是能够直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息，在全球范围内，任意时刻、任意气象条件下为用户提供连续不断的高精度三维位置、速度和时间信息，然而，GPS定位依赖于接收机看到的卫星星座，在某些特定的环境下，例如，建筑物造成的信号反射、城市中高楼之间的遮挡，以及隧道、底下停车场造成的信号失锁，都容易使得GPS接收机无法定位或者定位精度下降，以至于不能提供正确有效的服务。另外，随着无线通信技术的发展，新兴的无线网络技术，例如WiF1、ZigBee、蓝牙和超宽带等，在办公室、家庭、工厂等室内定位也得到了广泛应用。这种无线网络技术，需要在卫星不能覆盖的建筑物内建设基站，非常不易于安装而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高。不管是GPS定位技术还是利用无线传感器网络进行定位都有其局限性。现有的技术一般多米用单一的导航定位技术，尤其对于建筑物室内的定位，存在着体积大、难以集成和精度较差等缺点，难以满足人们对位置信息高精度的定位要求。
实用新型内容针对上述不足，本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种能够适应于复杂情形下进行精确定位的自主室内定位系统。为了解决上述问题，本实用新型所采用技术思路是一种自主室内定位系统，包括用于获取载体的GPS定位数据的第一子系统；用于获取载体的角速度和加速度数据的第二子系统；所述第一子系统、第二子系统分别将获取的所述GPS定位数据、角速度和加速度数据送到数据处理子系统。还包括用于获取载体的高度数据的第三子系统，所述的第三子系统与所述的数据处理子系统连接。所述的数据处理子系统包括用于处理并获得载体在第二区域定位信息的数据校正单元，其连接用于记录第一区域定位信息及状态的数据记录单元。所述的第一子系统为GPS导航系统。所述的第二子系统为惯性测量子系统。 所述的第三子系统为气压高度计子系统。所述的GPS导航系统包括GPS接收天线和嵌入式GPS接收机，其中，所述的嵌入式GPS接收机包括放大器�？椋淞悠德时浠荒？椋龅钠德时浠荒？榱覣/D转换�？椋龅腁/D转换�？榱勇胪侥？椋龅穆胪侥？榱有藕沤獾髂？椋龅男藕沤獾髂？榱覫/O通讯�？椋龅腎/O通讯�？榱覩PS定位算法模块。[0013]所述的惯性测量子系统包括用于测得角速度和加速度数据的陀螺仪和加速度计；以及用于测得载体运动方向的三维磁场强度的磁阻传感器。所述的陀螺仪的数目为三个，所述的加速度计的数目为三个，所述的磁阻传感器的数目为三个。所述的气压高度计子系统包括压力传感器；所述的压力传感器连接运算放大器，所述的运算放大器连接模数转换器，所述的模数转换器连接I/o接口。所述的数据处理子系统包括至少一个微处理机。本实用新型具有以下有益效果第一，将至少两种导航手段例如GPS导航系统、惯性测量子系统、气压高度计子系统进行有机结合，通过滤波估计既可以得到精度高且不发散的室内、外载体的位置、速度和姿态信息，而且可以提高捷联运算的精度。第二，借助GPS高精度二维平面定位精度和误差无积累的优点，估计出惯性测量子系统在载体上的常值误差，通过校正后提高惯性测量子系统在载体上的室内定位精度。第三，采用采用陀螺仪、加速度传感器、磁阻传感器、气压高度计大大减小了室内定位系统的成本和质量，提高系统的动态范围和相应速度。第四，数据处理子系统同时高效的完成多种复杂任务，具有冗余复用的特点，即完成惯性测量子系统的算法处理，可完成组合滤波处理、修正算法处理，这样就有效的利用了资源。第五，通过互补修正后的自主室内定位系统响应速度快、质量轻，精度高。
图1为本实用新型的自主室内定位系统的实施例结构原理图；图2为图1所示系统的第一子系统的实施例结构示意图；图3为图1所示系统的第二子系统的实施例结构示意图；图4为图1所示系统的第三子系统的实施例结构示意图；图5为本实用新型的自主室内定位系统的具体实施例结构示意图。
具体实施方式
为了便于对本实用新型的进一步理解，
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
予以说明如图1所示，本实用新型的自主室内定位系统包括用于获取载体的GPS定位数据的第一子系统200 ;用于获取载体的角速度和加速度数据的第二子系统300 ;用于获取载体的高度数据的第三子系统400 ；以及用于将第一子系统200、第二子系统300和第三子系统400所获取的数据进行融合处理，以获得载体位置、速度和姿态信息的数据处理子系统100。所述的数据处理子系统100包括用于处理并获得载体在第二区域定位信息的数据校正单元，其连接用于记录第一区域定位信息及状态的数据记录单元。第一子系统200、第二子系统300安装在被测物体上，例如人身上。室外(第一区域)通过GPS对人的位置进行标定，确定初始位置，让惯性传感器进行训练采集走路的速度，步长，走路的姿态等特征状态，实现学习，通过学习被测物体各种特征状态，完成对惯性传感器的修正形成学习信息，并将所述学习信息记录到数据记录单元。在被测物体进入没有GPS信号的区域(第二区域)，如室内，数据处理子系统100从数据记录单元提取出所述学习信息，根据训练学习后的惯性传感算法进行运算，实现提高定位的准确度，进而完成自主室内定位。通过上述的训练学习，被测物体行走距离就可以确定出来，通过磁阻传感器确定方向，这样就会得到一个基于初始位置的方向和距离数据，从而得到被测物体在室内等第二区域的定位信息。图2为图1所示系统的第一子系统的实施例结构示意图，如图所示，所述的第一子系统200为GPS导航系统。GPS导航的基本原理是以高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户端的GPS接收机接收到这些信息后，采用空间距离后方交会的方法，计算出接收机的三维位置。所述的GPS导航系统包括GPS接收天线210和嵌入式GPS接收机230，其中，所述的嵌入式GPS接收机230包括放大器模块231，其连接频率变换�？�232，所述的频率变换�？�232连接A/D转换�？�233，所述的A/D转换�？�233连接码同步�？�234，所述的码同步�？�234连接信号解调�？�235，所述的信号解调模块235连接I/O通讯�？�236，所述的I/O通讯模块236连接GPS定位算法�？�238。GPS导航系统的工作过程为通过GPS接收天线接收GPS导航卫星的射频信号，射频信号经过前置的放大器电路和频率变换�？樽晃衅敌藕牛鼳/D转换器转化为数字信号，数字信号通过码同步电路和信号解调�？榻行藕沤獾鳎玫紾PS导航数据之后经I/O通讯�？槭涑龈楹衔⒋砑扑慊酉低常偻ü鼼PS定位算法�？榻馑愕玫皆靥宓奈恢盟俣刃畔�。在具体的较佳实施例之中，GPS可以采用Fastrax公司的UP500GPS�？�。图3为图1所示系统的第二子系统的实施例结构示意图，如图所示，所述的第二子系统300为惯性测量子系统。所述的惯性测量子系统包括用于测得角速度和加速度数据的陀螺仪311和加速度计323 ;以及用于测得载体运动方向的三维磁场强度的磁阻传感器355。所述的陀螺仪的数目为三个，所述的加速度计的数目为三个，所述的磁阻传感器的数目为三个。为了保证磁阻传感器的精度及突然外界干扰，同样采用陀螺仪进行算法修正，判断载体真正的前进方向。进而保证方向的准确性。陀螺仪的原理是当有外界角速度输入时，会产生陀螺力矩，其大小方向同外加角速度有关，陀螺仪具有定轴性和进动性两大特点，定轴性是高速旋转的陀螺具有很大的惯性，使它的主轴位置在惯性空间保持稳定不变。进动性是在一定的初始条件和一定的外力矩的作用下，陀螺仪会在不停自转的同时，还绕着另一个固定的转轴不停的旋转。在较佳的实施例中，本实用新型的陀螺仪可以采用压电陀螺仪、微机械陀螺仪、光纤陀螺仪或激光陀螺仪。加速度计一般由检测质量、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。检测质量受支承的约束只能沿一条轴线移动，这个轴常称为输入轴或敏感轴。当仪表壳体随着运载体沿敏感轴方向作加速运动时，根据牛顿定律，具有一定惯性的检测质量力图保持其原来的运动状态不变。它与壳体之间将产生相对运动，使得弹簧变形，于是检测质量在弹簧力的作用下随之加速运动。当弹簧力与检测质量加速运动时产生的惯性力相平衡时，检测质量与壳体之间便不再有相对运动，这时弹簧的变形反映被测加速度的大小。电位器作为位移传感元件把加速度信号转换为电信号，以供输出。加速度计本质上是一个一自由度的振荡系统，可以测到振动信号的频率，对加速度计的测得的数据进行二次积分就可得到位移。惯性测量子系统的工作过程为陀螺仪311和加速度计323输出角速度和线加速度的数字信号，磁阻传感器355测得载体所处位置的三维磁场强度的数字信号，通过标准通讯接插件366输出给组合微处理计算机子系统。在具体的较佳实施例中，陀螺仪可以采用美国ADI公司的单片偏航角速度陀螺仪ADXRS610，其输出范围为0-5V。加速度计可采用ADI公司生产的ADXL330三轴iMEMS型IC芯片加速度计，其输出范围为0-3. 3V。磁阻传感器可以米用Honeywell公司生产的HMC2003三轴磁阻传感器,属于磁阻式磁强计，可测量X、y、z三轴磁场分量。图4为图1所示系统的第三子系统的实施例结构示意图，如图所示，所述的第三子系统400为气压高度计子系统。所述的气压高度计子系统包括压力传感器411 ;所述的压力传感器411连接运算放大器415，所述的运算放大器415连接ADC模数转换器423，所述的模数转换器423连接I/O接口 433。压力传感器411计算相对物体的高度，通过高度数据及二维位置信息，确定物体在室内的三维位置。气压高度计子系统的工作过程为压力传感器411测得载体所处高度压强的模拟信号，经过运算放大器425和ADC模数转换器423转化为数字信号，经过I/O接口 433输出给数据处理子系统，并通过定高算法解算得到载体的高度信息。在具体的较佳实施例之中，气压高度计可采用芬兰VTI公司生产的数字压力传感器SCP1000-D01，其输出接口为SPl总线，输出范围为0-3. 3V。图5为本实用新型的自主室内定位系统的具体实施例结构示意图，参照图2-图3，本实用新型的数据处理子系统包括至少一个微处理机。在具体的实施例中，其中的一个微处理机进行GPS子系统与惯性测量子系统的定位解算，气压高度计子系统的定高解算，以及多速率多模型的卡尔曼滤波运算。滤波运算后的数据可以传输至另一微处理机进行校正，例如平滑、低通滤波处理和误差的标定补偿。然后，校正后的数据再传输至又一微处理机进行捷联解算，结算后得到的载体的运动参数可实时确定载体的位置、数度和姿态。在较佳的实施例中，微处理机可以采用ADSP2136X系列的嵌入式高性能处理器。在本实施例中，充电�？�、电压检测�？�、锂电池与供电�？橐黄鸸钩晒┑绲ピ菁锹嫉ピ捎纱娲⑵鞴钩桑龃娲⑵靼ü烫娲⒉宀邸⒋娲⒖ㄓ隖LASH，通讯接口、蓝牙�？椤IF1、3G/GPRS、232串口一起构成通讯单元，键盘、IXD显示器一起构成显示操控单元，上述各个单元与数据处理子系统连接构成必要外设。传感器(GPS和惯性传感器)安装在被测物体上，例如人身上。室外(第一区域)通过GPS对人的位置进行标定，确定初始位置，也对惯性传感器进行训练学习(走路的速度，步长，走路的姿态等信息)，通过学习被测物体各种特征状态，完成对惯性传感器的修正形成学习信息，并将所述学习信息记录到数据记录单元。在没有GPS信号的时候(第二区域)，如室内，从数据记录单元提取出并将所述学习信息，根据训练学习后的惯性传感算法进行运算，提高定位的准确度，进而完成自主室内定位。通过上述的训练学习，被测物体行走距离就可以确定出来，通过磁阻传感器确定方向，这样就会得到一个基于初始位置的方向和距离数据，从而得到被测物体在第二区域的定位信息。将数据处理子系统、惯性导航子系统、GPS导航系统、气压高度计子系统、通讯单元、存储子单元、显示操控单元、供电单元有机的组合，通过滤波估计既可以得到精度高且不发散的室内、外位置、速度和姿态信息。本实用新型的主要特点是载体为人，或者室内购物车。在人的身上，采用加速度和陀螺仪判断人的运动姿态行走，前进、后退、跑步、坐立不安，蹲起等，最终实现的目的是为室内导航提供室内位置。当然，本实用新型还可有其他多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，即使对各个步骤的执行顺序进行了改变，对系统各个组成部分的简单调整，只要按照本实用新型所描述的技术思想来实现，都属于本实用新型的保护范围。熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求1.一种自王室内定位系统，其特征在于，包括 用于获取载体的GPS定位数据的第一子系统； 用于获取载体的角速度和加速度数据的第二子系统；以及 所述第一子系统、第二子系统分别将获取的所述GPS定位数据、角速度和加速度数据送到数据处理子系统。
2.如权利要求1所述的自主室内定位系统，其特征在于，还包括用于获取载体的高度数据的第三子系统，所述的第三子系统与所述的数据处理子系统连接。
3.如权利要求1或2所述的自主室内定位系统，其特征在于，所述的数据处理子系统连接用于记录第一区域定位信息及状态的数据记录单元；所述数据记录单元由存储器构成。
4.如权利要求3所述的自主室内定位系统，其特征在于 所述的第一子系统为GPS导航系统；以及 所述的第二子系统为惯性测量子系统。
5.如权利要求4所述的自主室内定位系统，其特征在于，所述的第三子系统为气压高度计子系统。
6.如权利要求4所述的自主室内定位系统，其特征在于，所述的GPS导航系统包括GPS接收天线和嵌入式GPS接收机，其中， 所述的嵌入式GPS接收机包括放大器�？椋淞悠德时浠荒？椋龅钠德时浠荒？榱覣/D转换�？椋龅腁/D转换�？榱勇胪侥？椋龅穆胪侥？榱有藕沤獾髂？椋龅男藕沤獾髂？榱覫/O通讯�？椋龅腎/O通讯�？榱覩PS定位算法�？�。
7.如权利要求4所述的自主室内定位系统，其特征在于，所述的惯性测量子系统包括用于测得角速度和加速度数据的陀螺仪和加速度计；以及用于测得载体运动方向的三维磁场强度的磁阻传感器。
8.如权利要求7所述的自主室内定位系统，其特征在于， 所述的陀螺仪的数目为三个； 所述的加速度计的数目为三个； 所述的磁阻传感器的数目为三个。
9.如权利要求5所述的自主室内定位系统，其特征在于，所述的气压高度计子系统包括压力传感器，所述的压力传感器连接运算放大器，所述的运算放大器连接模数转换器，所述的模数转换器连接I/O接口。
专利摘要本实用新型提供了一种自主室内定位系统，包括用于获取载体的GPS定位数据的第一子系统；用于获取载体的角速度和加速度数据的第二子系统；所述第一子系统、第二子系统分别将获取的所述GPS定位数据、角速度和加速度数据送到数据处理子系统。本实用新型的优点是将至少两种导航手段例如GPS导航系统、惯性测量子系统、气压高度计子系统进行有机结合，通过滤波估计得到精度高且不发散的室内、外载体的位置、速度和姿态信息，而且可以提高捷联运算的精度。并且，数据处理子系统同时高效的完成多种复杂任务，具有冗余复用的特点，通过互补修正后的自主室内定位系统响应速度快、质量轻，精度高。
文档编号G01S19/13GK202904027SQ20122015016
公开日2013年4月24日 申请日期2012年4月11日 优先权日2012年4月11日
发明者曾逸 申请人:四川中软科技有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
