[发明专利]一种基于容错决策树的UWB辅助惯性定位方法

说明书

本发明公开了一种基于容错决策树的UWB辅助惯性定位方法，所述方法针对惯性导航系统误差随时间累积和UWB定位受到非视距问题、多径效应和人体影响出现粗大误差的问题，提出并采用陀螺仪高精度分段拟合误差补偿模型，抑制惯性导航误差漂移；同时在UWB辅助人员室内惯性定位的基础上，构建惯性导航与UWB单点定位数据共同作用的容错决策树判定模型，剔除UWB定位的粗大误差因子，进而对惯性导航和UWB参数差值应用扩展卡尔曼滤波，实现UWB辅助增强惯性导航定位，能够长时间的连续可靠定位，具有很强的工程应用价值。

技术领域

本发明属于人员室内定位领域，尤其涉及多源信息辅助增强惯性定位。

背景技术

基于位置的服务是现代生活里许多应用场景所需的关键特征，人们越来越依赖所带来的便利性。在室外，GPS、北斗等得到了很好的探索和标准化，但由于其信号容易受到室内复杂环境的阻隔，导致无法在室内复杂环境实现高精度的定位。因此，室内高精度定位研究具有很高的商用价值。

惯性导航系统利用载体自身的角速率和加速度进行实时测量解算姿态信息和相对位置信息，具有成本低、体积小、无源等优点，在短期内对室内复杂环境能有效实现较高精度定位，但惯性导航系统随着时间增长，陀螺和加速度计等惯性元器件本身产生的测量误差等使其相对定位点出现较大误差，单一模式不适合长时间定位。

为解决惯性导航存在的自身缺陷，在基于RF的定位技术中，超宽带系统可以通过使用窄脉冲来区分原始信号和反射信号由于其具有高精度、低成本和低功耗，基于UWB的室内定位已经变得非常流行。相比较于超声波，红外，蓝牙，ZigBee，射频识别技术和WIFI等有显著优势，虽然这些技术在一定程度上满足了部分室内活动的需求，但仍存在成本高、定位精度差等缺点。目前，国内外学者提出了采用UWB定位技术的多源信息对惯性导航进行辅助修正。Lukasz Zwirello等人提出了一个基于仿真的紧密UWB和惯性数据集成的可行性研究；Qigao Fan等人提出了利用双态自适应卡尔曼滤波器的INS/UWB定位系统；曾庆化等人提出了基于零速修正的UWB优化配置室内行人导航。但大多数学者没有进行组合定位的相互容错判定，在建筑结构复杂的室内环境中，UWB定位易受到非视距问题、多径效应和人体的影响出现粗大误差，可能导致惯性导航/UWB定位精度下降，甚至错误地辅助修正惯性导航。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于容错决策树的UWB辅助惯性定位方法。本发明针对惯性导航系统误差随时间累积和UWB定位受到非视距问题、多径效应和人体影响出现粗大误差的问题，提出并采用陀螺仪高精度分段拟合误差补偿模型，抑制惯性导航误差漂移；同时在UWB辅助人员室内惯性定位的基础上，构建惯性导航与UWB单点定位数据共同作用的容错决策树判定模型，剔除UWB定位的粗大误差因子，进而对惯性导航和UWB参数差值应用扩展卡尔曼滤波，实现UWB辅助增强惯性导航定位，能够长时间的连续可靠定位，具有很强的工程应用价值。

本发明的具体技术方案是：一种基于容错决策树的UWB辅助惯性定位方法，包括以下步骤：

步骤一，使用加速度和磁力计解算得到初始横滚角、俯仰角和航向角；

步骤二，采用陀螺仪分段拟合误差补偿模型区分补偿高低动态速率段，更进一步消除角速率输出误差，并根据步骤二中的初始横滚角、俯仰角和航向角，采用四元数算法获得姿态角信息数据；

步骤三，根据加速度特征数据，发现行人走路的波峰、零点和波谷数据有似正弦波的周期性规律，获得有效步数，并利用加速度与人员行走时刻步长的波峰波谷差值之间的关联性，进行自适应步长计算，得到惯性定位数据信息；

步骤四，采用UWB双向飞行时间测量UWB模块间距离，随后根据三边测距定位方法计算行人当前时刻的位置；

步骤五，将步骤四获得的行人当前时刻的位置作为容错决策树判定模型的输入量，步骤三获得的惯性定位数据作为容错决策树判定模型的参考量，进行容错判定，得到当前时刻UWB单点定位数据；