一種基于慣性傳感器的地鐵定位方法與系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于慣性傳感器的地鐵定位方法，包括：(1)利用移動(dòng)終端的加速度傳感器采集列車的啟動(dòng)加速度；(2)根據(jù)重力加速度和所述啟動(dòng)加速度確定所述移動(dòng)終端相對(duì)列車的初始姿態(tài)，并根據(jù)所述初始姿態(tài)對(duì)列車的加速度進(jìn)行分解；(3)計(jì)算列車加速度傳感器的零點(diǎn)漂移向量以及陀螺儀傳感器的零點(diǎn)漂移向量；(4)修正所述沿列車軌道方向的加速度分量，并根據(jù)修正后的沿列車軌道方向的加速度分量計(jì)算列車的位移。本發(fā)明專利技術(shù)僅使用移動(dòng)終端自帶的陀螺儀及加速度計(jì)，利用離線地圖和基站小區(qū)的id，實(shí)現(xiàn)地鐵內(nèi)部高精度定位。本發(fā)明專利技術(shù)方法具有低成本、高精度的特點(diǎn)，能夠解決現(xiàn)有移動(dòng)終端地圖基站定位模式誤差大，切換慢的問題，具有很好應(yīng)用前景。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于地理定位
，更具體地，涉及一種基于慣性傳感器的地鐵定位方法及系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各種移動(dòng)終端(例如智能手機(jī)、平板電腦等，本專利技術(shù)中后續(xù)為了描述方便均以智能手機(jī)例)在我國不斷普及，人們?cè)谑褂弥悄苁謾C(jī)的同時(shí)通過市場(chǎng)上多種多樣的地圖軟件方便地調(diào)用手機(jī)的GPS以及基站定位系統(tǒng)可以簡單輕松地為自己導(dǎo)航，這類導(dǎo)航方式已廣泛的應(yīng)用于我們生活的方方面面，比如駕車、出行、公交等等。GPS和基站兩種定位方式涵蓋了市面上絕大部分智能手機(jī)地圖定位軟件。智能手機(jī)地圖定位軟件的存在極大方便了我們的出行，讓我們不再迷失自己的位置。然而它們并不能覆蓋到我們生活中某些常見情況，例如地鐵，由于衛(wèi)星無線電信號(hào)無法穿透地下土壤，GPS在地鐵中完全無法使用；若手機(jī)地圖采用基站定位方式，又由于基站信號(hào)在隧道內(nèi)反射疊加等原因，造成基站定位誤差過大(約400m)，輸出定位數(shù)據(jù)存在無固定發(fā)生周期、發(fā)生時(shí)間間隔大等問題無法滿足用戶對(duì)手機(jī)地圖的高精度定位需求。現(xiàn)有技術(shù)在手機(jī)上廣泛依賴于GPS信號(hào)和基站定位信號(hào)。專利號(hào)為2011103039353，提出利用GPS和GPRS信號(hào)的公交定位方案，該方案利用GPS信號(hào)定位，將定位結(jié)果通過GPRS上傳至服務(wù)器供乘客查看。專利號(hào)為2015110143538，提出一種無GPS信號(hào)下定位方法，該方法在無GPS信號(hào)時(shí)利用WIFI信號(hào)獲得終端位置情況，并上傳服務(wù)器。綜上所述，目前手機(jī)定位主要依賴于GPS一旦GPS信號(hào)丟失，只能選擇定位精度低的基站或WIFI進(jìn)行定位，不適于地鐵這類高速交通工具定位。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
在上述應(yīng)用背景下，為解決目前地鐵定位精度低、延遲大的問題。利用手機(jī)慣性傳感器實(shí)現(xiàn)高精度地鐵定位具有極大應(yīng)用前景。本專利技術(shù)在智能手機(jī)基礎(chǔ)上利用其慣性傳感器實(shí)現(xiàn)高精度地鐵定位。本專利技術(shù)采用技術(shù)方案如下：首先，當(dāng)乘客入站時(shí)利用乘客進(jìn)入地鐵站后手機(jī)需切換基站的原理，本專利技術(shù)提出基于基站CellID的乘客入站判斷策略。當(dāng)手機(jī)基站發(fā)生切換事件時(shí)，手機(jī)獲取當(dāng)前基站小區(qū)識(shí)別碼CellID將其跟手機(jī)云端數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如果連接到的基站CellID與地鐵站基站CellID一致，則判定乘客進(jìn)入地鐵站，此時(shí)，手機(jī)關(guān)閉GPS以節(jié)約功耗；同時(shí)，開啟加速度傳感器和陀螺儀為地鐵定位提供原始數(shù)據(jù)。然后，當(dāng)乘客上車后，要計(jì)算加速度在列車前進(jìn)方向分量需已知手機(jī)相對(duì)列車之間的位置關(guān)系。本專利技術(shù)利用重力加速度和列車啟動(dòng)加速度實(shí)現(xiàn)手機(jī)初始姿態(tài)確定。最后，針對(duì)慣性傳感器測(cè)量誤差的問題，本專利技術(shù)提出基于參考點(diǎn)檢測(cè)的誤差修正方案。本專利技術(shù)通過計(jì)算列車橫向加速度短時(shí)能量判斷列車運(yùn)行狀態(tài)(行駛、停止)當(dāng)檢測(cè)到列車停止時(shí)，計(jì)算列車加速度零點(diǎn)漂移，在后續(xù)行駛過程中對(duì)其進(jìn)行修正。同時(shí)，利用加速度計(jì)修正陀螺儀長期測(cè)量出現(xiàn)的零點(diǎn)漂移提高陀螺儀定位精度，并最終輸出列車定位結(jié)果。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供了一種基于慣性傳感器的地鐵定位方法，包括：(1)當(dāng)判斷到用戶進(jìn)入地鐵中，利用移動(dòng)終端的加速度傳感器采集列車的啟動(dòng)加速度；(2)根據(jù)重力加速度和所述啟動(dòng)加速度確定所述移動(dòng)終端相對(duì)列車的初始姿態(tài)，并根據(jù)所述初始姿態(tài)對(duì)列車的加速度進(jìn)行分解，至少得到沿列車軌道方向的加速度分量；(3)計(jì)算列車加速度傳感器的零點(diǎn)漂移向量以及陀螺儀傳感器的零點(diǎn)漂移向量；(4)根據(jù)所述加速度傳感器的零點(diǎn)漂移以及陀螺儀傳感器的零點(diǎn)漂移修正所述沿列車軌道方向的加速度分量，并根據(jù)修正后的沿列車軌道方向的加速度分量計(jì)算列車的位移，得到列車的定位信息。本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟(2)中根據(jù)重力加速度和所述啟動(dòng)加速度確定所述移動(dòng)終端相對(duì)列車的初始姿態(tài)，具體為：(2.1)利用重力加速度通過梯度下降法求解移動(dòng)終端的相對(duì)重力姿態(tài)；(2.2)利用列車前進(jìn)加速度糾正步驟(2.1)中的相對(duì)重力姿態(tài)得到最終相對(duì)姿態(tài)。本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟(2.1)具體包括：(2.1.1)移動(dòng)終端在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)加速度傳感器測(cè)量移動(dòng)終端的加速度，此時(shí)移動(dòng)終端的加速度約為重力加速度；(2.1.2)根據(jù)已知的重力加速度大小和方向，利用梯度下降法以迭代方式測(cè)量得到重力加速度旋轉(zhuǎn)到地球坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)初步定位。本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟(2.2)具體為：利用列車啟動(dòng)時(shí)加速度方向與列車坐標(biāo)系Y軸方向一致的特點(diǎn)，將列車啟動(dòng)時(shí)加速度傳感器測(cè)得加速度圍繞步驟(2.1)所得坐標(biāo)系Z軸旋轉(zhuǎn)，得到最終列車手機(jī)相對(duì)姿態(tài)關(guān)系。本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟(2)中根據(jù)所述初始姿態(tài)對(duì)列車的加速度進(jìn)行分解，至少得到沿列車軌道方向的加速度分量，具體包括：(2.3)利用陀螺儀測(cè)量初始相對(duì)姿態(tài)確定之后手機(jī)相對(duì)列車實(shí)時(shí)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角速度，以此更新坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)矩陣；(2.4)利用實(shí)時(shí)更新得到的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)矩陣，對(duì)加速度傳感器測(cè)量得到加速度向量旋轉(zhuǎn)至列車坐標(biāo)系內(nèi)，旋轉(zhuǎn)后向量Y軸分量即為沿列車軌道方向的加速度分量。本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟(3)中計(jì)算列車加速度的零點(diǎn)漂移向量具體包括：(3.1)利用步驟(2)中所得到的加速度沿列車橫向振動(dòng)分量計(jì)算列車振動(dòng)短時(shí)能量，以此判斷列車是否停站；(3.2)利用列車停站時(shí)加速度計(jì)測(cè)量沿列車前進(jìn)方向加速度即為零點(diǎn)漂移這一特點(diǎn)結(jié)合加速度零點(diǎn)漂移線性增加特性，在前兩站停站時(shí)測(cè)得加速度零點(diǎn)漂移斜率實(shí)時(shí)估算加速度零點(diǎn)漂移向量。本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟(3)中計(jì)算陀螺儀的零點(diǎn)漂移向量具體包括：計(jì)算加速度計(jì)測(cè)量加速度向量與已知重力加速度之間叉積，得到陀螺儀零點(diǎn)漂移向量。本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟(4)中根據(jù)所述加速度的零點(diǎn)漂移以及陀螺儀的零點(diǎn)漂移修正所述沿列車軌道方向的加速度分量具體包括：(4.1)利用步驟(3)計(jì)算得到的加速度零點(diǎn)漂移向量，以向量和的形式修正步驟(2)中沿列車軌道方向的加速度分量；(4.2)利用步驟(3)計(jì)算得到的陀螺儀零點(diǎn)漂移向量，以向量和的形式修正陀螺儀實(shí)時(shí)測(cè)量的角速度。本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟(4)中根據(jù)修正后的沿列車軌道方向的加速度分量計(jì)算列車的位移，得到列車的定位信息具體包括：(4.3)利用修正后沿列車軌道方向加速度分量二次積分得到列車位移；(4.4)根據(jù)軌道交通沿線經(jīng)緯度數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)前位移對(duì)應(yīng)地圖經(jīng)緯度，得到列車實(shí)時(shí)經(jīng)緯度定位信息。本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，在所述步驟(1)中，當(dāng)移動(dòng)終端發(fā)生基站切換時(shí)，移動(dòng)終端獲取切換后所連接的基站小區(qū)識(shí)別碼CellID并判斷所述CellID是否是地鐵站基站CellID，如題是則判定乘客進(jìn)入地鐵站。按照本專利技術(shù)的另一方面，還提供了一種基于慣性傳感器的地鐵定位系統(tǒng)，包括啟動(dòng)加速度獲取模塊、初始姿態(tài)獲取與加速度分解模塊、零點(diǎn)漂移計(jì)算模塊以及列車定位模塊，其中：所述啟動(dòng)加速度獲取模塊，用于當(dāng)判斷到用戶進(jìn)入地鐵中，利用移動(dòng)終端的加速度傳感器采集列車的啟動(dòng)加速度；所述初始姿態(tài)獲取與加速度分解模塊，用于根據(jù)重力加速度和所述啟動(dòng)加速度確定所述移動(dòng)終端相對(duì)列車的初始姿態(tài)，并根據(jù)所述初始姿態(tài)對(duì)列車的加速度進(jìn)行分解，至少得到沿列車軌道方向的加速度分量；所述零點(diǎn)漂移計(jì)算模塊，用于計(jì)算列車加速度傳感器的零點(diǎn)漂移向量以及陀螺儀傳感器的零點(diǎn)漂移向量；所述列車定位模塊，用于根據(jù)所述加速度傳感器的零點(diǎn)漂移以及陀螺儀傳感器的零點(diǎn)漂移修正所述沿列車軌道方向的加速度分量，并根據(jù)修正后本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于慣性傳感器的地鐵定位方法，其特征在于，包括：(1)當(dāng)判斷到用戶進(jìn)入地鐵中，利用移動(dòng)終端的加速度傳感器采集列車的啟動(dòng)加速度；(2)根據(jù)重力加速度和所述啟動(dòng)加速度確定所述移動(dòng)終端相對(duì)列車的初始姿態(tài)，并根據(jù)所述初始姿態(tài)對(duì)列車的加速度進(jìn)行分解，至少得到沿列車軌道方向的加速度分量；(3)計(jì)算列車加速度傳感器的零點(diǎn)漂移向量以及陀螺儀傳感器的零點(diǎn)漂移向量；(4)根據(jù)所述加速度傳感器的零點(diǎn)漂移以及陀螺儀傳感器的零點(diǎn)漂移修正所述沿列車軌道方向的加速度分量，并根據(jù)修正后的沿列車軌道方向的加速度分量計(jì)算列車的位移，得到列車的定位信息。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于慣性傳感器的地鐵定位方法，其特征在于，包括：(1)當(dāng)判斷到用戶進(jìn)入地鐵中，利用移動(dòng)終端的加速度傳感器采集列車的啟動(dòng)加速度；(2)根據(jù)重力加速度和所述啟動(dòng)加速度確定所述移動(dòng)終端相對(duì)列車的初始姿態(tài)，并根據(jù)所述初始姿態(tài)對(duì)列車的加速度進(jìn)行分解，至少得到沿列車軌道方向的加速度分量；(3)計(jì)算列車加速度傳感器的零點(diǎn)漂移向量以及陀螺儀傳感器的零點(diǎn)漂移向量；(4)根據(jù)所述加速度傳感器的零點(diǎn)漂移以及陀螺儀傳感器的零點(diǎn)漂移修正所述沿列車軌道方向的加速度分量，并根據(jù)修正后的沿列車軌道方向的加速度分量計(jì)算列車的位移，得到列車的定位信息。2.如權(quán)利要求1所述的基于慣性傳感器的地鐵定位方法，其特征在于，所述步驟(2)中根據(jù)重力加速度和所述啟動(dòng)加速度確定所述移動(dòng)終端相對(duì)列車的初始姿態(tài)，具體為：(2.1)利用重力加速度通過梯度下降法求解移動(dòng)終端的相對(duì)重力姿態(tài)；(2.2)利用列車前進(jìn)加速度糾正步驟(2.1)中的相對(duì)重力姿態(tài)得到最終相對(duì)姿態(tài)。3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟(2.1)具體包括：(2.1.1)移動(dòng)終端在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)加速度傳感器測(cè)量移動(dòng)終端的加速度，此時(shí)移動(dòng)終端的加速度約為重力加速度；(2.1.2)根據(jù)已知的重力加速度大小和方向，利用梯度下降法以迭代方式測(cè)量得到重力加速度旋轉(zhuǎn)到地球坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)初步定位。4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述步驟(2.2)具體為：利用列車啟動(dòng)時(shí)加速度方向與列車坐標(biāo)系Y軸方向一致的特點(diǎn)，將列車啟動(dòng)時(shí)加速度傳感器測(cè)得加速度圍繞步驟(2.1)所得坐標(biāo)系Z軸旋轉(zhuǎn)，得到最終列車與移動(dòng)終端相對(duì)姿態(tài)關(guān)系。5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)中根據(jù)所述初始姿態(tài)對(duì)列車的加速度進(jìn)行分解，至少得到沿列車軌道方向的加速度分量，具體包括：(2.3)利用陀螺儀測(cè)量初始相對(duì)姿態(tài)確定之后移動(dòng)終端相對(duì)列車實(shí)時(shí)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角速度，以此更新坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)矩陣；(2.4)利用實(shí)時(shí)更新得到的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)矩陣，對(duì)加速度傳感器測(cè)量得到加速度向量旋轉(zhuǎn)至列車坐標(biāo)系內(nèi)，旋轉(zhuǎn)后向量Y軸分量即為沿列車軌道方向的加速度分量。6.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中計(jì)算列車...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李方敏，欒悉道，唐偉，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：長沙學(xué)院，
類型：發(fā)明
國別省市：湖南;43