杨朋伟
（中国人民武装警察部队工程大学装备工程学院，陕西 西安 710086）
【摘要】针对室内定位gps存在盲区的问题，本文提出了一种MEMS技术的室内定位解决方案。该方案利用MEMS微传感器，通过记录传感器运动姿态信息，结合设备初始GPS采集位置，实时计算传感器室内定位位置。实验结果表明:系统运行稳定、动态计算精度在0.1°以内，可准确记录传感器运动状态，能实现GPS盲区设备定位。
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关键词 盲区定位；室内定位；微传感器；MEMS
0 引言
在煤矿、铁矿及室内，GPS存在信号盲区，而强度定位信号衰减迅速，飞行时间定位精度不高，超宽带定位距离有限，要准确实现GPS盲区的定位，技术革新势在必行。随着Mems、Zigbee技术的发展，MEMS传感器己经广泛地运用于运动参数监测[1]和微型参数测量[2]。文章提出了一种传感器设备运动参数测量方法，为设备在GPS信号盲区的定位提供了依据。
1 系统总体方案
1.1 系统设计方案
安装在设备上的MEMS传感器对设备的运动参数进行实时采集，数据采集电路对采集的数据进行处理得到设备运动的数据参数，经Zigbee模块到计算终端，计算终端解算实现对设备运动参数的实时采集。系统主要包括：参数处理计算终端、传感器数据采集电路、Zigbee硬件电路。
1.2 系统硬件选型
系统传感器选取ADIS16405型号的惯性传感器单元[3]。选取Zigbee JN5139芯片作为数据采集处理及无线传输单元。
1.3 系统实现原理
MEMS惯性传感器利用内置的传感器单元，对设备运动参数进行实时采集。系统将设备跟踪捕捉系统中获得的设备运动信息，转换为系统中构建的设备模型的运动姿态信息，将运动数据参数转换为系统建立的三维设备运动姿态数据，进而进行设备的实时定位。
2 定位模型的建立
2.1 基本坐标系的建立
系统涉及坐标系：MEMS传感器坐标系、地磁坐标系和设备运动坐标系。
2.1.1 MEMS传感器坐标系
MEMS传感器坐标系OM XMYM ZM：OM为传感器的重心，XM轴和YM轴分别与传感器的两条边平行，ZM轴垂直于传感器表面向上。
2.1.2 地磁坐标系OEXEYEZE
地磁坐标系OEXEYEZE：地磁坐标系为又称为绝对坐标系。坐标系原点选在OE地球中心，坐标系ZE轴沿着地磁场一级近似的中心偶极子的偶极轴，指向北极。XE轴沿磁赤道平面指向外，YE 轴沿磁赤道平面指向右。
2.1.3 设备运动坐标系
设备运动坐标系：设备坐标系OH XHYHZH，其坐标轴定义为：原点位于设备中心，XH轴和YH轴分别与传感器的两条边平行，ZH轴垂直于设备表面向上。
2.2 旋转矩阵坐标转换
为了便于表示，引入欧拉角的一种表现形式—旋转矩阵。定义角算符 z(α)为绕着 Z轴旋转的α 角， y(β)为绕着 Y 轴旋转的β 角，x(γ)为绕着 X 轴旋转的γ 角，于是有:
这样有效了避免了采用不同旋转顺序致使设备最终取向的不同。
2.3 定位方法描述
对于设备运动参数数据，可以通过一个旋转矩阵的方式对其进行描述，也就是说通过采集设备三个方向的角度变化，进而进行旋转变化，计算地磁坐标系三个方向角度的变化，就可以知道设备相对于地磁坐标系位置的变化，通过测量位移、加速度、速度等参数，就可以根据初始位置确定设备的实时位置信息。
3 定位系统解算方法
欧拉角处理过程中会涉及大量的矩阵运算，同时由于在三维空间中绕三个角度旋转运动的物体会因为旋转失去任意轴的自主性，因此有必要引入四元数对旋转矩阵进行描述。
3.1 四元数法
四元数法是利用一种超复数的乘法性质来等效反映向量转动的方法。任何三维空间的向量都可以用实部为0的四元数表示，从传感器平台坐标系S转换到参考坐标系L的四元数姿态矩阵为：
根据上面的公式，可以计算线速度、加速度和位移等运动参数。
3.2 设备运动位置确定
系统通过Zigbee模块实时将传感器采集到的数据发送到计算终端，计算终端对数据进行解算，转化为三轴姿态角和位移偏移量。根据最后能接受到的GPS信号时记录的位置信息，以及无GPS信号时设备三个方向上位移的变化量估算设备新时刻的位置，下一时刻的位置以这个新位置为基础进行解算，以此类推，最终可以确定设备在失去GPS信号时的实时位置信息。
4 结论
本文通过研究MEMS传感器运动参数的解算，完成了设备运动参数采集系统的设计。实验结果表明：系统能够准确实现对设备运动参数的实时采集，系统精度高、运行稳定，能满足无GPS信号时对设备精确定位的要求。但由于惯性传感器误差的累积，需要及时将设备的记录清0，这在一定程度上影响了数据采集的精度，因此对于系统精度的提高有待进一步研究。
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参考文献
［1］焦纯,杨国胜,董秀珍等.基于三维运动传感器的训练强度监测仪的设计[J].医疗卫生装备,2003(3):12-30.
［2］朱荣,周兆英,于婷,等.肢体运动微型监测系统研究[J].清华大学学报:自然科学版,2003(11):1302-1588.
［3］Analog Devices Inc. [EB/OL].http://www.analog.com/en/mems-sensors/inertial-sensor/adis16405/ products/product.html. AIDS16405.pdf, 2009.
［责任编辑：曹明明］
