【摘 要】
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基于足绑式惯性传感器的行人导航系统在近年来受到了广泛的关注与研究,由于惯性传感器的误差会随着时间的累积而累积,通常使用零速更新（ZUPT）技术减少误差,在行人的足部静止在地面时,认为此时足部的速度为零,将零速作为观测量融合到扩展卡尔曼滤波（EKF）中。然而,在ZUPT辅助下的惯性行人导航系统中,航向误差依然随着时间推移而累积,从而导致位置偏离真实轨迹。本文提出了一种基于等式约束的双足IMU行人导航
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基于足绑式惯性传感器的行人导航系统在近年来受到了广泛的关注与研究,由于惯性传感器的误差会随着时间的累积而累积,通常使用零速更新（ZUPT）技术减少误差,在行人的足部静止在地面时,认为此时足部的速度为零,将零速作为观测量融合到扩展卡尔曼滤波（EKF）中。然而,在ZUPT辅助下的惯性行人导航系统中,航向误差依然随着时间推移而累积,从而导致位置偏离真实轨迹。本文提出了一种基于等式约束的双足IMU行人导航系统方案,减少了ZUPT辅助惯性行人导航系统的航向误差。双足系统建立在两个单足ZUPT辅助的导航系统之上,在双足IMU系统基础上安装一对超声传感器用来测量双足间距,进而根据双足之间的位置建立一个等式约束,将两个独立的ZUPT子系统融合起来,为双足系统提供了新的观测量用于修正航向误差。进一步地,本文建立了地球椭球约束模型来抑制双足系统高度误差。在相邻支撑相间足部高度变化不超过一定阈值的情况下,将足部位置约束于同一个地球椭球面上,将约束条件融合到EKF中抑制高度误差。本文对ZUPT以及基于等式约束的双足IMU系统做了全局性可观测性分析。此前的线性可观测性分析显示,ZUPT测量使EKF具有正确的速度、加速度计偏差、俯仰、翻滚以及俯仰和翻滚角方向陀螺仪偏置估计。然而,位置、航向以及重力方向上的陀螺仪偏置这些重要的状态是无法从ZUPT中观测到。而全局性可观测性分析表明,ZUPT算法中陀螺仪重力方向上的偏置是弱可观测的。本文在全局可观测性分析基础上提出了行人足部IMU数据仿真模型,并结合仿真数据验证了足间测距的全局可观测性。在平面正方形轨迹仿真中,本文方法将双足的平面闭合差里程比从仅应用ZUPT方式的0.13%/0.15%降低为0.03%/0.07%,高度误差由6.96m/7.3m降低至0.09m/0.31m。最后,本文选用低成本器件实现了一个结合足间测距的双足IMU数据采集系统,并使用该设备做了室内平面、室内上楼和室外场景的三个实验,验证了算法的有效性。长距离室外实验误差里程比相对于仅应用ZUPT方式的8.16%降低到0.51%,均方误差由59.53m降低至5.52m,大幅度降低了航向误差带来的影响。
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