1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述一、课题研究背景及意义随着数字时代的到来，我们的生活越来越离不开智能手机等电子设备。在电子设备的许多服务中，基于位置的服务（location based service, lbs）应用场景越来越多，获取准确的地理位置信息和外围服务信息的需求也在增加。目前，室外行人导航定位技术大多主要依靠gps，但在室内、隧道、地下空间等一般需要使用自主惯性导航系统来实现定位跟踪。作为获取地理位置信息和lbs的关键技术，导航、定位技术受到了高度重视。全球卫星定位系统（global navigation satellite system, gnss）技术能够在室外提供米级（民用）定位精度。然而，据调查，人们在室内的场景更加频繁，因此高精度的室内行人导航定位技术仍然提出了很高的要求，而在室内、地下空间等特殊环境下的鞋式个人惯性导航系统是室内导航定位技术的应用。个人导航系统，又称为步行者导航系统，即pns(personal/ pedestrian navigation system),用于跟踪行人的实时位置，通过无线电通信将其发送到监视单元，以及实时监视行人的行进方向，速度和位置等信息变化。 个人导航系统是固定在行人鞋子上的导航鞋，主要适用于士兵，警察，消防，急救等危险性高的作业的安全人员，提供更高水平的安全保障。 另外，在地下探查和丛林探查等gps信号微弱或欠缺的环境下，pns还可以发挥自主导航的功能。 在各种导航定位设备中，mems惯性设备以其低成本，小体积，自主性强及良好的环境适应能力成为pns的理想设备，基于mems惯性技术的个人惯性导航系统在国内外已成为一个很大的研究热点。二、国内外研究现状 近年来，行人导航技术逐渐成为导航技术的研究热点。在国内外，导航市场的竞争更加激烈。在北美，苹果在2013年以3000万美元的价格收购了硅谷内部定位公司wifislam；谷歌在2011年发布了谷歌的内部地图，涵盖了包括商场、机场、车站等建筑物。在国内，互联网巨头也纷纷布局。2014年，百度在室内导航公司indooratlas投资2000万美元；2015年，腾讯在室内定位公司sensewhere战略投资数百万美元；阿里集团还与中国兵器集团投资20亿元，加强室内外定位服务。个人导航系统也被广泛应用于现代战场。个人导航系统作为单兵系统的一部分，又称单兵导航系统，使单兵具有更强的机动性，协调性和生存能力，是实现野战一体化的有机环节，为单兵作为作战单位提供了基础平台。美国、俄罗斯、日本等国先后实施单兵装备计划，将通信、侦察、导航等装备相结合，便于指挥员正确实施、调整和制定作战计划，使战场成为更加高效、数字化的综合战场。 国内对gps应用开发技术，导航定位技术的研究已有多年的历史，在机器人定位，车载导航定位方面有着广泛的应用。 另外，对单兵导航系统也进行了研究，提出了利用gps、嵌入式系统、多传感器技术、gis技术以及无线通信技术等进行多种数据融合的方案。 但是，由于国内mems传感器的应用开发技术与国外发达国家相比存在一定的差异，因此国内基于mems传感器的个人惯性导航系统的研究并不多。 国外对个人导航系统的研究可以追溯到1996年联邦通信委员会（fcc）公布的e-911（emergency call 911）定位需求，个人导航的概念逐渐形成，然后个人导航系统主要依靠单一的gps或地图匹配来辅助gps定位，为pda或手机增加定位功能。随着导航技术的发展，对个人导航的需求日益增加，许多国家增加了对个人导航系统的研究，导航传感器的成本和体积显著降低。mems加速度计和mems陀螺仪已逐渐应用于个人导航系统，个人导航系统已演变成一个能够独立工作的完整系统，从而吸引更多的机构和学者参与研究。美国在研究个人导航系统方面领先其他国家，更早将该系统应用于个人导航系统，其中point research开发了个人定位终端，并将其应用于美国的land warrior项目。美国一家公司推出了一款小型、设备齐全的具有航位推算模块的电子导航设备，可以计算用户相对于初始值的数值（通常由gps提供）。它包括倾斜补偿罗盘、电子计步器和气压高度计，它可以提供一个连续的假定位置范围。微处理器进行航位推算计算，微处理器中的卡尔曼纹波将航位推算数据与gps数据相结合。卡尔曼滤波等算法利用gps数据对位计算传感器进行校正，误差为行程的2%-5%，完全不需要gps指导。在欧洲，还有一些研究机构根据行人行走的特点，特别是针对行人导航实验系统进行深入研究。三、结果和讨论 关于鞋式个人惯性导航系统的研究，主要部分为信息采集和信息处理这两部分。在信息采集部分，惯性测量单元（imu）极为重要，imu主要包含一个用于精确测量加速度的三轴加速度计和一个测量角运动装置的陀螺仪，有的imu还包含了测量航向的三轴磁罗盘。加速度计（accelerometer、g-sensor）也叫重力感应器，加速计通过测量组件在某个轴向的受力情况来得到结果，表现形式为轴向的加速度大小和方向（xyz），主要是测量物体的受力情况。陀螺仪（gyroscope、gyro-sensor）也叫地感器，三轴陀螺仪的工作原理是通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角，并计算角速度，通过夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态，可同时测定上、下、左、右、前、后等6个方向并合成为三轴坐标，最终可判断出物体的移动轨迹和加速度。 两者的作用看似相近，但速度计只能侦测物体的移动受力情况并不具备精确侦测物体角度改变的能力，陀螺仪可以侦测物体角度改变的状态，但无法计算物体受力的程度。因此，需要两者的相互调整来确保航向的准确。然而，如何相互调整两者则需要在信息处理部分下功夫，尤其是在提高该系统导航准确性的算法方面。为此，国内外学者提出了多种零速检测算法、零速修正算法、捷联惯导算法和导航姿态修正算法以及这几种算法组合的设计，下面是该系统的硬件结构框架或导航算法的一些设计实例： 沈阳化工大学刘晓梅[10]等人设计了一套固定在行人腰部的可穿戴内定位导航设备，采用了微机械惯性测量单元( mimu) ，采用行人航位推算原理( pdＲ) 计算行人行走的步数、步长及方位，实现行人室内定位，解决gps 导航技术在室内无法使用的缺陷。其系统结构框图3.1所示。

西北工业大学张金亮[6]等人研究了低精度鞋式个人惯性导航系统，该系统由低精度 mems 惯性 imu 单元组成，导航算法在传统捷联惯性导航算法基础上，引入零速修正技术，设计了一种用以检测行走过程中的静止时间段的比力模值 滑动方差检测算法，然后通过设计的改良卡尔曼滤波器在静止时间段内滤波估计导航姿态、速度和位置的 计算误差，通过反馈校正可以提高原系统的导航精度。其系统导航修正算法图3.2所示。

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、要解决的问题 解决gps导航易受环境遮蔽等因素的影响而造成定位功能受阻的问题，利用mems惯性器件体积小、重量轻、可靠性高以及寿命长的特点，设计一种轻便的鞋式个人惯性导航系统。 本设计要求完成各硬件模块的器件选型及包含gps接受电路、单片机最小系统、mimu接口电路和通信电路等部门的原理图设计，提出科学实验方法，设计并制定实验方案，得出有效结论。二、拟采用的研究手段（途径） 通过对鞋式个人惯性导航系统功能的分析，该系统主要包括信息采集、信息处理和信息传输这三部分功能，其中信息处理部分最为重要，主要是完成基于陀螺仪和加速度计的数据进行逐步检测的导航参数解算和数据融合等导航算法，该算法的关键技术包括精确磁罗盘航向解算，捷联惯导算法，零速修正和姿态修正算法。 通过查阅文献，得知有仅依赖惯性测量元件（imu）的导航系统或imu与数字罗盘组合的导航系统或惯性导航系统（ins）与全球定位系统（gps）组合的导航系统。比较分析后，本文拟采用ins与gps组合导航系统实现长期的室内外导航定位，并以数字罗盘和气压计辅助ins和gps。在gps信号强的室外环境下，系统利用gps信号并以气压计辅助gps进行导航定位；在gps信号弱的室内外环境下，系统利用imu和数字罗盘以及步长检测进行导航定位。从而，在gps信号强弱情况下，该系统应能实现有效准确的导航定位。该系统还采用以sd卡储存导航轨迹，有利于对前段时间运动轨迹的还原，同时，该系统还将采用串口和蓝牙或wifi组合通讯方式实现对导航定位信息的显示。下面我先将系统结构框图给出，后文将给出系统的拟采用的主要元件的型号和原因。 其系统结构框图如图一所示， 鞋式个人惯性导航硬件系统以微处理器芯片 stm32f103为核心，以sd卡作为储存方式，包含一个惯性传感器模块、一个数字罗盘、一个气压传感器、gps、以蓝牙或wi-fi等作为无线通信方式的个人导航系统，实现室内外的有效导航。

该系统的拟采用的主要元件的选型，将结合我学习经验和当前学者研究个人惯性导航系统所采用的主流元件。关于imu，考虑系统的模块化设计和更换元件的方便，该系统将采用包括一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计的mpu6050 六轴传感器，陀螺仪可测范围为250， 500， 1000， 2000/秒（ dps），加速度计可测范围为2， 4，8， 16g，能精确跟踪快速和慢速的运动。 该系统的数字罗盘模块将采用qmc5883三轴磁性传感器，qmc5883l源于honeywell的hmc5883l，应用场景主要包括罗盘、导航、无人机、机器人和手持设备等一些高精度的场合，可以对gps信号进行有效补偿，即使在gps信号失锁后也能保证系统正常工作，保证导航定位信息准确。 关于gps模块，考虑低功耗和可持续性，该系统拟采用atgm336h模块，其支持bds/gps/glonass卫星导航系统的单系统定位以及任意组合的多系统联合定位的接收机模块，灵敏度高，低功耗小（25ma，双模连续跟踪并且定位），内置天线检测电路和天线短路保护功能，定位精度为2.5m（cep50，开阔地），模块尺寸为9.7mm10.1mm2.4mm。 对于气压传感器模块，该系统拟采用德国bosch公司的专为移动设备设计的绝对大气压力传感器bmp280，其采用lga封装,尺寸仅为0.2mm0.5mm0.95mm，功耗低，噪声小，可应用于辅助gps导航、室内外导航、垂向速度检测、天气预报等领域，是个人惯性导航系统中气压计模块的不二之选。 软件设计，鞋式个人惯性导航系统开发平台为keil μvision5，通过keil软件完成应用程序的开发，主要包括主程序、惯性传感器处理、gps信号处理、导航算法、串口通信、无线通信描等几个方面。