一種MEMS傳感器的GPS盲區(qū)設備定位方法.doc

一種MEMS傳感器的GPS盲區(qū)設備定位方法 楊朋偉 （中國人民武裝警察部隊工程大學裝備工程學院，陜西西安710086） 【摘要】針對室內(nèi)定位GPS存在盲區(qū)的問題，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，通過記錄傳感器運動姿態(tài)信息，結(jié)合設備初始GPS采集位置，實時計算傳感器室內(nèi)定位位置。實驗結(jié)果表明:系統(tǒng)運行穩(wěn)定、動態(tài)計算精度在0.1以內(nèi)，可準確記錄傳感器運動狀態(tài)，能實現(xiàn)GPS盲區(qū)設備定位。 關鍵詞盲區(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存在信號盲區(qū)，而強度定位信號衰減迅速，飛行時間定位精度不高，超寬帶定位距離有限，要準確實現(xiàn)GPS盲區(qū)的定位，技術(shù)革新勢在必行。隨著Mems、Zigbee技術(shù)的發(fā)展，MEMS傳感器己經(jīng)廣泛地運用于運動參數(shù)監(jiān)測1和微型參數(shù)測量2。文章提出了一種傳感器設備運動參數(shù)測量方法，為設備在GPS信號盲區(qū)的定位提供了依據(jù)。 1系統(tǒng)總體方案 1.1系統(tǒng)設計方案 安裝在設備上的MEMS傳感器對設備的運動參數(shù)進行實時采集，數(shù)據(jù)采集電路對采集的數(shù)據(jù)進行處理得到設備運動的數(shù)據(jù)參數(shù)，經(jīng)Zigbee模塊到計算終端，計算終端解算實現(xiàn)對設備運動參數(shù)的實時采集。系統(tǒng)主要包括：參數(shù)處理計算終端、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)采集處理及無線傳輸單元。 1.3系統(tǒng)實現(xiàn)原理 MEMS慣性傳感器利用內(nèi)置的傳感器單元，對設備運動參數(shù)進行實時采集。系統(tǒng)將設備跟蹤捕捉系統(tǒng)中獲得的設備運動信息，轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)中構(gòu)建的設備模型的運動姿態(tài)信息，將運動數(shù)據(jù)參數(shù)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)建立的三維設備運動姿態(tài)數(shù)據(jù)，進而進行設備的實時定位。 2定位模型的建立 2.1基本坐標系的建立 系統(tǒng)涉及坐標系：MEMS傳感器坐標系、地磁坐標系和設備運動坐標系。 2.1.1MEMS傳感器坐標系 MEMS傳感器坐標系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地磁坐標系OEXEYEZE 地磁坐標系OEXEYEZE：地磁坐標系為又稱為絕對坐標系。坐標系原點選在OE地球中心，坐標系ZE軸沿著地磁場一級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設備運動坐標系 設備運動坐標系：設備坐標系OHXHYHZH，其坐標軸定義為：原點位于設備中心，XH軸和YH軸分別與傳感器的兩條邊平行，ZH軸垂直于設備表面向上。 2.2旋轉(zhuǎn)矩陣坐標轉(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)順序致使設備最終取向的不同。 2.3定位方法描述 對于設備運動參數(shù)數(shù)據(jù)，可以通過一個旋轉(zhuǎn)矩陣的方式對其進行描述，也就是說通過采集設備三個方向的角度變化，進而進行旋轉(zhuǎn)變化，計算地磁坐標系三個方向角度的變化，就可以知道設備相對于地磁坐標系位置的變化，通過測量位移、加速度、速度等參數(shù)，就可以根據(jù)初始位置確定設備的實時位置信息。 3定位系統(tǒng)解算方法 歐拉角處理過程中會涉及大量的矩陣運算，同時由于在三維空間中繞三個角度旋轉(zhuǎn)運動的物體會因為旋轉(zhuǎn)失去任意軸的自主性，因此有必要引入四元數(shù)對旋轉(zhuǎn)矩陣進行描述。 3.1四元數(shù)法 四元數(shù)法是利用一種超復數(shù)的乘法性質(zhì)來等效反映向量轉(zhuǎn)動的方法。任何三維空間的向量都可以用實部為0的四元數(shù)表示，從傳感器平臺坐標系S轉(zhuǎn)換到參考坐標系L的四元數(shù)姿態(tài)矩陣為： 根據(jù)上面的公式，可以計算線速度、加速度和位移等運動參數(shù)。 3.2設備運動位置確定 系統(tǒng)通過Zigbee模塊實時將傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計算終端，計算終端對數(shù)據(jù)進行解算，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信號時記錄的位置信息，以及無GPS信號時設備三個方向上位移的變化量估算設備新時刻的位置，下一時刻的位置以這個新位置為基礎進行解算，以此類推，最終可以確定設備在失去GPS信號時的實時位置信息。 4結(jié)論 本文通過研究MEMS傳感器運動參數(shù)的解算，完成了設備運動參數(shù)采集系統(tǒng)的設計。實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠準確實現(xiàn)對設備運動參數(shù)的實時采集，系統(tǒng)精度高、運行穩(wěn)定，能滿足無GPS信號時對設備精確定位的要求。但由于慣性傳感器誤差的累積，需要及時將設備的記錄清0，這在一定程度上影響了數(shù)據(jù)采集的精度，因此對于系統(tǒng)精度的提高有待進一步研究。 參考文獻 1焦純,楊國勝,董秀珍等.基于三維運動傳感器的訓練強度監(jiān)測儀的設計J.醫(yī)療衛(wèi)生裝備,xx(3):12-30. 2朱榮,周兆英,于婷,等.肢體運動微型監(jiān)測系統(tǒng)研究J.清華大學學報:自然科學版,xx(11):1302-1588. 3AnalogDevi