[发明专利]基于MEMS传感器和VLC定位融合的单卡尔曼滤波导航装置和方法

说明书

本发明公开了一种基于MEMS传感器和VLC定位融合的单卡尔曼滤波导航装置和方法，包括MEMS传感器、INS模块、VLC定位模块、PDR定位模块和测姿定位单卡尔曼滤波器模块；本发明基于INS惯导机械编排的误差方程作为融合滤波器的系统方程，观测方程包括VLC定位信息更新、PDR定位信息更新和磁力计观测量更新。融合滤波器输出VLC接收器的姿态给VLC定位模块，输出PDR设备的姿态给PDR定位模块以校正姿态的影响。首次在VLC定位领域使用融合测姿准确估计VLC接收器的姿态信息，主要解决了VLC定位容易受设备姿态影响以及在光信号被遮挡情况下定位不连续的问题。

技术领域

本发明涉及智能定位装置及方法，特别是涉及基于MEMS传感器和VLC定位融合的单卡尔曼滤波导航装置和方法。

背景技术

随着室内定位技术的发展和应用，基于可见光通信的室内定位技术也在迅速兴起并得到广泛关注。在充足室内光源的环境下，通过光传感器等设备检测得到经过复用协议调制的光信号，通过信号解调技术可以将不同光源信号数据分离，从而结合环境参数可以计算出定位目标相对每个光源的距离或角度信息，最后通过定位算法如三边定位可以完成目标定位。

然而，由于目标接收设备的姿态会随着目标移动产生抖动，将对VLC定位结果带来较大的影响。另一方面，实际场景中光信号容易被遮挡，将会导致定位不连续。针对前一个问题，目前的方案主要是通过多传感器组合共同定位。针对后一个问题，主流的解决方案是通过卡尔曼滤波或者粒子滤波来估计目标位置。

但这些方案存在一些问题：1)相比于单传感器定位，多传感器组合定位算法复杂且成本较高；2)目前定位方案中提出的滤波器融合是以探测器姿态平稳为前提，在实际场景中稳定性较差；3)在信号被遮挡的情况频繁发生的场景中，仅通过VLC数据加滤波器的定位系统推测的目标位置仍然与实际位置有较大偏差，且VLC定位结果不连续、不平滑。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种可消除姿态对VLC定位的影响，可弥补VLC定位结果不连续、不平滑的缺点的基于MEMS传感器和VLC定位融合的测姿定位单卡尔曼滤波器导航装置和方法。

技术方案：基于MEMS传感器和VLC定位融合的测姿定位单卡尔曼滤波器导航装置，包括MEMS传感器、惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)模块、可见光通信(Visible Light Communication，VLC)定位模块、行人航位推算(Pedestrian DeadReckoning，PDR)定位模块和测姿定位单卡尔曼滤波器模块；所述MEMS传感器包括加速度计、陀螺仪以及磁力计；

所述测姿定位单卡尔曼滤波器模块的输入包括：加速度计测得的接收器在XYZ方向的加速度信息和陀螺仪测得的接收器在XYZ方向上的角速度信息传递给INS机械编排模块，由INS模块对其进行编排得到接收器的INS位置、速度和姿态信息；磁力计测得的接收器相对东、南、西、北方向的角度信息；加速度计测得的接收器在XYZ方向的加速度信息给PDR定位模块进行位置估计得到的PDR定位信息和VLC定位模块输出的VLC定位信息通过加权平均后的位置信息；

所述测姿定位单卡尔曼滤波器模块输出当前时刻接收器的位置信息、速度信息和姿态信息给INS机械编排模块，输出当前时刻接收器的姿态信息给PDR定位模块或VLC定位模块，输出噪声补偿信号反馈给加速度计和陀螺仪，同时输出当前时刻接收器的定位信息。

其中，所述PDR定位信息和VLC定位信息的权重由VLC定位模块中光信号是否被遮挡来设定，若光信号被遮挡时系统将VLC位置信息的权重设为0，只采用PDR位置信息。

一种基于所述导航装置的导航方法，包括以下步骤：

(1)建立S-EKF的状态向量；

(2)建立S-EKF的系统模型；

(3)建立S-EKF的观测方程；