一种基于惯性传感器的地铁定位方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于惯性传感器的地铁定位方法，包括：(1)利用移动终端的加速度传感器采集列车的启动加速度；(2)根据重力加速度和所述启动加速度确定所述移动终端相对列车的初始姿态，并根据所述初始姿态对列车的加速度进行分解；(3)计算列车加速度传感器的零点漂移向量以及陀螺仪传感器的零点漂移向量；(4)修正所述沿列车轨道方向的加速度分量，并根据修正后的沿列车轨道方向的加速度分量计算列车的位移。本发明专利技术仅使用移动终端自带的陀螺仪及加速度计，利用离线地图和基站小区的id，实现地铁内部高精度定位。本发明专利技术方法具有低成本、高精度的特点，能够解决现有移动终端地图基站定位模式误差大，切换慢的问题，具有很好应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于地理定位
，更具体地，涉及一种基于惯性传感器的地铁定位方法及系统。
技术介绍
近年来，随着经济的不断发展，各种移动终端(例如智能手机、平板电脑等，本专利技术中后续为了描述方便均以智能手机例)在我国不断普及，人们在使用智能手机的同时通过市场上多种多样的地图软件方便地调用手机的GPS以及基站定位系统可以简单轻松地为自己导航，这类导航方式已广泛的应用于我们生活的方方面面，比如驾车、出行、公交等等。GPS和基站两种定位方式涵盖了市面上绝大部分智能手机地图定位软件。智能手机地图定位软件的存在极大方便了我们的出行，让我们不再迷失自己的位置。然而它们并不能覆盖到我们生活中某些常见情况，例如地铁，由于卫星无线电信号无法穿透地下土壤，GPS在地铁中完全无法使用；若手机地图采用基站定位方式，又由于基站信号在隧道内反射叠加等原因，造成基站定位误差过大(约400m)，输出定位数据存在无固定发生周期、发生时间间隔大等问题无法满足用户对手机地图的高精度定位需求。现有技术在手机上广泛依赖于GPS信号和基站定位信号。专利号为2011103039353，提出利用GPS和GPRS信号的公交定位方案，该方案利用GPS信号定位，将定位结果通过GPRS上传至服务器供乘客查看。专利号为2015110143538，提出一种无GPS信号下定位方法，该方法在无GPS信号时利用WIFI信号获得终端位置情况，并上传服务器。综上所述，目前手机定位主要依赖于GPS一旦GPS信号丢失，只能选择定位精度低的基站或WIFI进行定位，不适于地铁这类高速交通工具定位。
技术实现思路
在上述应用背景下，为解决目前地铁定位精度低、延迟大的问题。利用手机惯性传感器实现高精度地铁定位具有极大应用前景。本专利技术在智能手机基础上利用其惯性传感器实现高精度地铁定位。本专利技术采用技术方案如下：首先，当乘客入站时利用乘客进入地铁站后手机需切换基站的原理，本专利技术提出基于基站CellID的乘客入站判断策略。当手机基站发生切换事件时，手机获取当前基站小区识别码CellID将其跟手机云端数据进行比对，如果连接到的基站CellID与地铁站基站CellID一致，则判定乘客进入地铁站，此时，手机关闭GPS以节约功耗；同时，开启加速度传感器和陀螺仪为地铁定位提供原始数据。然后，当乘客上车后，要计算加速度在列车前进方向分量需已知手机相对列车之间的位置关系。本专利技术利用重力加速度和列车启动加速度实现手机初始姿态确定。最后，针对惯性传感器测量误差的问题，本专利技术提出基于参考点检测的误差修正方案。本专利技术通过计算列车横向加速度短时能量判断列车运行状态(行驶、停止)当检测到列车停止时，计算列车加速度零点漂移，在后续行驶过程中对其进行修正。同时，利用加速度计修正陀螺仪长期测量出现的零点漂移提高陀螺仪定位精度，并最终输出列车定位结果。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于惯性传感器的地铁定位方法，包括：(1)当判断到用户进入地铁中，利用移动终端的加速度传感器采集列车的启动加速度；(2)根据重力加速度和所述启动加速度确定所述移动终端相对列车的初始姿态，并根据所述初始姿态对列车的加速度进行分解，至少得到沿列车轨道方向的加速度分量；(3)计算列车加速度传感器的零点漂移向量以及陀螺仪传感器的零点漂移向量；(4)根据所述加速度传感器的零点漂移以及陀螺仪传感器的零点漂移修正所述沿列车轨道方向的加速度分量，并根据修正后的沿列车轨道方向的加速度分量计算列车的位移，得到列车的定位信息。本专利技术的一个实施例中，所述步骤(2)中根据重力加速度和所述启动加速度确定所述移动终端相对列车的初始姿态，具体为：(2.1)利用重力加速度通过梯度下降法求解移动终端的相对重力姿态；(2.2)利用列车前进加速度纠正步骤(2.1)中的相对重力姿态得到最终相对姿态。本专利技术的一个实施例中，所述步骤(2.1)具体包括：(2.1.1)移动终端在静止状态时加速度传感器测量移动终端的加速度，此时移动终端的加速度约为重力加速度；(2.1.2)根据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测量得到重力加速度旋转到地球坐标系下的旋转轴与旋转角，实现初步定位。本专利技术的一个实施例中，所述步骤(2.2)具体为：利用列车启动时加速度方向与列车坐标系Y轴方向一致的特点，将列车启动时加速度传感器测得加速度围绕步骤(2.1)所得坐标系Z轴旋转，得到最终列车手机相对姿态关系。本专利技术的一个实施例中，所述步骤(2)中根据所述初始姿态对列车的加速度进行分解，至少得到沿列车轨道方向的加速度分量，具体包括：(2.3)利用陀螺仪测量初始相对姿态确定之后手机相对列车实时姿态旋转角速度，以此更新坐标系旋转矩阵；(2.4)利用实时更新得到的坐标系旋转矩阵，对加速度传感器测量得到加速度向量旋转至列车坐标系内，旋转后向量Y轴分量即为沿列车轨道方向的加速度分量。本专利技术的一个实施例中，所述步骤(3)中计算列车加速度的零点漂移向量具体包括：(3.1)利用步骤(2)中所得到的加速度沿列车横向振动分量计算列车振动短时能量，以此判断列车是否停站；(3.2)利用列车停站时加速度计测量沿列车前进方向加速度即为零点漂移这一特点结合加速度零点漂移线性增加特性，在前两站停站时测得加速度零点漂移斜率实时估算加速度零点漂移向量。本专利技术的一个实施例中，所述步骤(3)中计算陀螺仪的零点漂移向量具体包括：计算加速度计测量加速度向量与已知重力加速度之间叉积，得到陀螺仪零点漂移向量。本专利技术的一个实施例中，所述步骤(4)中根据所述加速度的零点漂移以及陀螺仪的零点漂移修正所述沿列车轨道方向的加速度分量具体包括：(4.1)利用步骤(3)计算得到的加速度零点漂移向量，以向量和的形式修正步骤(2)中沿列车轨道方向的加速度分量；(4.2)利用步骤(3)计算得到的陀螺仪零点漂移向量，以向量和的形式修正陀螺仪实时测量的角速度。本专利技术的一个实施例中，所述步骤(4)中根据修正后的沿列车轨道方向的加速度分量计算列车的位移，得到列车的定位信息具体包括：(4.3)利用修正后沿列车轨道方向加速度分量二次积分得到列车位移；(4.4)根据轨道交通沿线经纬度数据计算当前位移对应地图经纬度，得到列车实时经纬度定位信息。本专利技术的一个实施例中，在所述步骤(1)中，当移动终端发生基站切换时，移动终端获取切换后所连接的基站小区识别码CellID并判断所述CellID是否是地铁站基站CellID，如题是则判定乘客进入地铁站。按照本专利技术的另一方面，还提供了一种基于惯性传感器的地铁定位系统，包括启动加速度获取模块、初始姿态获取与加速度分解模块、零点漂移计算模块以及列车定位模块，其中：所述启动加速度获取模块，用于当判断到用户进入地铁中，利用移动终端的加速度传感器采集列车的启动加速度；所述初始姿态获取与加速度分解模块，用于根据重力加速度和所述启动加速度确定所述移动终端相对列车的初始姿态，并根据所述初始姿态对列车的加速度进行分解，至少得到沿列车轨道方向的加速度分量；所述零点漂移计算模块，用于计算列车加速度传感器的零点漂移向量以及陀螺仪传感器的零点漂移向量；所述列车定位模块，用于根据所述加速度传感器的零点漂移以及陀螺仪传感器的零点漂移修正所述沿列车轨道方向的加速度分量，并根据修正后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于惯性传感器的地铁定位方法，其特征在于，包括：(1)当判断到用户进入地铁中，利用移动终端的加速度传感器采集列车的启动加速度；(2)根据重力加速度和所述启动加速度确定所述移动终端相对列车的初始姿态，并根据所述初始姿态对列车的加速度进行分解，至少得到沿列车轨道方向的加速度分量；(3)计算列车加速度传感器的零点漂移向量以及陀螺仪传感器的零点漂移向量；(4)根据所述加速度传感器的零点漂移以及陀螺仪传感器的零点漂移修正所述沿列车轨道方向的加速度分量，并根据修正后的沿列车轨道方向的加速度分量计算列车的位移，得到列车的定位信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于惯性传感器的地铁定位方法，其特征在于，包括：(1)当判断到用户进入地铁中，利用移动终端的加速度传感器采集列车的启动加速度；(2)根据重力加速度和所述启动加速度确定所述移动终端相对列车的初始姿态，并根据所述初始姿态对列车的加速度进行分解，至少得到沿列车轨道方向的加速度分量；(3)计算列车加速度传感器的零点漂移向量以及陀螺仪传感器的零点漂移向量；(4)根据所述加速度传感器的零点漂移以及陀螺仪传感器的零点漂移修正所述沿列车轨道方向的加速度分量，并根据修正后的沿列车轨道方向的加速度分量计算列车的位移，得到列车的定位信息。2.如权利要求1所述的基于惯性传感器的地铁定位方法，其特征在于，所述步骤(2)中根据重力加速度和所述启动加速度确定所述移动终端相对列车的初始姿态，具体为：(2.1)利用重力加速度通过梯度下降法求解移动终端的相对重力姿态；(2.2)利用列车前进加速度纠正步骤(2.1)中的相对重力姿态得到最终相对姿态。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2.1)具体包括：(2.1.1)移动终端在静止状态时加速度传感器测量移动终端的加速度，此时移动终端的加速度约为重力加速度；(2.1.2)根据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测量得到重力加速度旋转到地球坐标系下的旋转轴与旋转角，实现初步定位。4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述步骤(2.2)具体为：利用列车启动时加速度方向与列车坐标系Y轴方向一致的特点，将列车启动时加速度传感器测得加速度围绕步骤(2.1)所得坐标系Z轴旋转，得到最终列车与移动终端相对姿态关系。5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中根据所述初始姿态对列车的加速度进行分解，至少得到沿列车轨道方向的加速度分量，具体包括：(2.3)利用陀螺仪测量初始相对姿态确定之后移动终端相对列车实时姿态旋转角速度，以此更新坐标系旋转矩阵；(2.4)利用实时更新得到的坐标系旋转矩阵，对加速度传感器测量得到加速度向量旋转至列车坐标系内，旋转后向量Y轴分量即为沿列车轨道方向的加速度分量。6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中计算列车...

【专利技术属性】
技术研发人员：李方敏，栾悉道，唐伟，
申请(专利权)人：长沙学院，
类型：发明
国别省市：湖南;43