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基于多传感器融合的室内外无缝定位系统研究
摘要
导航与位置服务在许多领域都发挥着重要作用,例如自动驾驶、智慧交通、仓储
物流等。近年来,随着城市化进程的加快和大型建筑数量的增加,导航与位置服务的
应用场景变得日益复杂。定位目标可能会在室内和室外的多个区域活动,但常规的导
航方法如卫星导航(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)、惯性导航、视觉导航等
无法在所有区域提供高精度位置服务。如何融合多源异构传感器信息,实现在室内-室
外全场景下的高精度无缝定位是本文的主要研究内容,具体研究内容如下:
首先,介绍了多传感器融合定位系统的基础理论,给出了常用坐标系及符号定义。
介绍了视觉/惯性/GNSS/超宽带多传感器硬件平台的设计思路,包括多传感器硬件平台
搭建、多传感器参数标定和多传感器数据的时间同步。详细阐述了视觉/惯性里程计初
始化、超宽带(UltraWideBand,UWB)双向测距和GNSS测量原理,为后面的多传
感器融合定位算法设计奠定理论基础。
其次,提出了一种改进的视觉/惯性/UWB紧耦合室内定位算法,概述了系统的结
构组成和工作原理。针对传统UWB基站位置初始化方法容易受非视距条件影响的问题,
提出了一种基于视觉检测的UWB基站位置初始化方法,使用相机智能检测并估计
UWB基站的位置初始值,随后在估计器中进一步细化。在视觉/惯性里程计的基础上改
进形成了视觉/惯性/UWB紧耦合里程计(Visual/Inertial/UWBodometry,VIRO),利用
UWB基站的测距信息约束视觉/惯性系统的漂移,提升系统的定位精度。为了提高系统
对于UWB测距异常的鲁棒性,提出一种UWB基站数量动态调整策略,实时检测UWB
基站的测距状态,将测距异常的UWB基站从系统中删除。在公开数据集和真实室内场
景实验中将所提出算法与现有算法进行了比较,证明了所提出算法在UWB基站初始化
和定位性能方面的优越性。
最后,介绍了视觉/惯性/GNSS融合的定位算法,分析了它们无法在室内区域实现
无漂移定位的问题。在此基础上提出了一种视觉/惯性/GNSS/UWB融合的室内外无缝
定位算法,对系统的结构组成和工作原理进行了概述。系统执行局部-全局坐标变换矩
阵初始化,将VIRO和GNSS数据在空间坐标系上进行统一。针对系统定位精度受
GNSS卫星观测质量影响较大的问题,提出一种GNSS测量因子权重自适应调节方案,
提高系统在室内外过渡区域的鲁棒性。为了避免在室内外过渡过程中因GNSS测量失
效导致系统定位失败,提出一种室内外定位模式无缝切换策略。系统根据定位场景自
哈尔滨工程大学硕士学位论文
动切换定位模式,确保定位轨迹的连续性和稳定性。在公开数据集和真实场景中开展
了室外定位和室内外无缝定位实验,证明所提出算法能够在室内-室外全场景中实现全
局一致的无漂移定位。
关键词:无缝定位;传感器融合;视觉/惯性里程计;超宽带;GNSS
基于多传感器融合的室内外无缝定位系统研究
ABSTRACT
Navigationandlocationservicesplayanimportantroleinmanyfields,suchasautonomous
driving,intelligenttransportation,andstoragelogistics.Inrecentyears,withtheacceleration
ofurbanizationandtheincreaseinthenumberoflargebuildings,theapplicationscenariosof
navigationandlocationserviceshavebecomeincreasinglycomplex.Thetargetoflocalization
maymoveinmultipleareasindoorsandoutdoors,butconventionalnavigationmet