Структура имитационной модели пешеходной навигационной системы Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 621.396.96 DOI: 10.17586/0021-3454-2018-61-4-374-376

СТРУКТУРА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ПЕШЕХОДНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

М. Г. Степанов1, А. Г. Ярмолич12

1ОАО „Радиоавионика", 190005, Санкт-Петербург, Россия E-mail: smg099@mail.ru 2Балтийский государственный технический университет „ВОЕНМЕХ" им. Д. Ф. Устинова,

190005, Санкт-Петербург, Россия

Приводится структурная схема имитационной модели пешеходной навигационной системы, реализующей комплексирование измерений инерциальных датчиков и корректирующей информации, поступающей от биомеханической модели движения пешехода. Кратко описываются состав и содержание вычислительных процедур модели.

Ключевые слова: имитационная модель, пешеходная навигация, высокоточное позиционирование, путевая скорость, фильтр Калмана

Среди систем навигации наземных объектов особый интерес представляют пешеходные навигационные системы (ПНС) [1—3], учитывающие специфику движения человека-носителя ПНС. Рассмотрению систем данного типа посвящены, в частности, работы [4, 5]. В них обоснованы алгоритмы работы азимутального канала и канала определения скорости и текущих координат пешехода. ПНС строится как бесплатформенная инерциальная навигационная система (ИНС) в составе трехосевых акселерометра, датчика угловой скорости (ДУС) и магнитометра, вычислителя и биомеханической модели движения в качестве внешнего источника корректирующей информации. В работах [4, 5] сделан вывод о высокой потенциальной точности ПНС. Для количественной оценки точности разработана имитационная модель, структурная схема которой приведена на рисунке. Пунктиром обозначен восточный (E) канал ПНС, северный (N) канал имеет аналогичную структуру. Модель реализует последовательность вычислительных процедур, предусмотренных алгоритмами [4, 5]. Основными являются следующие процедуры. Маршрут движения задается последовательностью пар восточной E и северной N координат пешехода. По ним в соответствии с моделями движения [6] и азимутального канала [5] рассчитываются горизонтальная ax (совпадает с направлением движения) и вертикальная az составляющие ускорения пешехода и текущий азимут а маршрута. В обоих случаях используются моделируемые данные ДУС и магнитометра.

—инс

По ускорениям ax, az проводится пошаговый расчет средних путевых скоростей V ,

вн —инс —вн

V , которые с использованием азимута а разлагаются на восточные Ve , Ve и север-

—инс —вн инс

ные Vn , Vn компоненты. Вычисление средней скорости V выполняется традиционным для ИНС интегрированием ускорения ax с усреднением результата на каждом шаге пе-

_вн

шехода. Средняя скорость V в соответствии с моделью движения, выступающей в качест-

Структура имитационной модели пешеходной навигационной системы

375

ве источника внешней (ВН) информации, рассчитывается на основе заданной длины ноги и максимального на шаге вертикального перемещения пешехода, определяемого двойным интегрированием ускорения а2.

е, N

N

у ИНС —ВН VN , VN

—инс —вн —инс —вн

Компоненты УЕ , УЕ (аналогично ^ , Vn ) соответственно суммируются с систематической (медленноменяющейся) ошибкой ИНС по скорости ЪУЕ, задаваемой моделью

[4], и случайной ошибкой измерений пЕ в виде дискретного белого гауссова шума, генерируе-

инс вн

мого датчиком случайных чисел. Разность сумм = УЕ - УЕ поступает на вход фильтра

—инс —вн

Калмана (ФК). Учитывая практическое совпадение значений УЕ , УЕ ,

е =8УЕ +пЕ.

можно считать

Построенный по традиционной схеме [7, 8] ФК настроен на модель ошибки 5Уе . На выходе фильтра формируется ее оптимальная оценка, экстраполированное на шаг значение

инс

которой 5Уе вычитается из суммарного выходного сигнала ИНС Уе . Скорректированный

т/-инс а г

компонент Уе далее используется для расчета оценки Е текущей координаты пешехода Е:

Е(к) = Е(к -1) + ТКУ>ЕИНС (к),

где к — номер шага, Тк — его длительность.

Оценка точности моделируемой ПНС получается путем расчета текущей ошибки место-

определения ве (к) = Е(к) - Е(к) и ее среднеквадратического значения Ое (к) по ансамблю реализаций (число реализацийМ) ошибок ЪУе , пЕ для различных маршрутов:

0 е (к ) =

1

М

м

Ев Е (к, ]),

у=1

где у — номер реализации.

Рассмотренная имитационная модель может использоваться в качестве первоначального шага при проектировании ПНС различного назначения. Дальнейшее усовершенствование модели направлено на расширение возможностей по обработке экспериментальных данных реального движения пешеходов и оценке практически достижимой точности ПНС.

376

М. Г. Степанов, А. Г. Ярмолич

список литературы

1. Salychev O. S. Applied Inertial Navigation: Problems and Solutions. Moscow: BMSTU Press, 2004. 304 p.

2. Лукьянов В. В. Прикладные алгоритмы навигации пешехода // Вестн. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. „Приборостроение". 2007. № 1. С. 86—96.

3. Дэвидсон П., Такала Я. Разработка алгоритмов инерциальной навигационной системы с учетом особенностей походки человека // Гироскопия и навигация. 2013. № 1. С. 54—86.

4. Каплин А. Ю, Степанов М. Г. Использование автономной навигационной системы высокоточного позиционирования пешехода на местности // Информационно-управляющие системы. 2015. № 6. С. 86—92. DOI: 10.15217/issnl684-8853.2015.6.86.

5. Каплин А. Ю., Степанов М. Г. Модель и алгоритм комплексной обработки информации азимутального канала пешеходной навигационной системы // Изв. вузов. Приборостроение. 2016. Т. 59, № 3. С. 181—188. DOI: l0.l7586/002l-3454-20l6-59-3-l8l-l88.

6. Ярмолич А. Г. Тестовая модель движения пешехода // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2017. № 2(17). 13 с. [Электронный ресурс]: <https://elibrary.ru/item.asp?id=29758854>.

7. Ли Р. Оптимальные оценки, определение характеристик и управление. М.: Наука, 1966. 176 с.

8. Браммер К., ЗиффлингГ. Фильтр Калмана—Бьюси. М.: Наука, 1982. 200 с.

Ссылка для цитирования: Степанов М. Г., Ярмолич А. Г. Структура имитационной модели пешеходной навигационной системы // Изв. вузов. Приборостроение. 2018. Т. 61, № 4. С. 374—376.

STRUCTURE OF THE IMITATION MODEL OF A PEDESTR1AN NAVIGATION SYSTEM M. G. Stepanov1, A. G. Yarmolich1,2

1 Radioavionica JSC, 190005, St. Petersburg, Russia E-mail: smg099@mail.ru 2D. F. Ustinov BSTU„ VOENMEH", 190005, St. Petersburg, Russia

A block diagram of the simulation model of a pedestrian navigation system that implements integration of inertial sensors measurements and of corrective information from the biomechanical model of pedestrian motion is presented. The composition and content of the computational procedures of the model are briefly described.

Keywords: simulation model, pedestrian navigation system, high-precision positioning, ground speed, Kalman filter

Алексей Григорьевич Ярмолич

Михаил Георгиевич Степанов

Сведения об авторах д-р техн. наук, профессор; ОАО „Радиоавионика"; E-mail: smg099@mail.ru

аспирант; Балтийский государственный технический университет „ВОЕНМЕХ" им. Д. Ф. Устинова, Радиоэлектронные системы управления; ОАО „Радиоавионика"; ведущий инженер; E-mail: note@iarmolich.com

Поступила в редакцию 01.11.17 г.

Mikhail G. Stepanov Alexey G. Yarmolich

Data on authors

Dr. Sci., Professor; Radioavionica JSC; E-mail: smg099@mail.ru Post-Graduate Student; D. F. Ustinov BSTU „VOENMEH", Department of Radio-Electronic Control Systems; Radioavionica JSC; Leading Engineer; E-mail: note@iarmolich.com

For citation: Stepanov M. G., Yarmolich A. G. Structure of the imitation model of a pedestrian navigation system. Journal of Instrument Engineering. 2018. Vol. 61, N 4. P. 374—376 (in Russian).

DOI: 10.17586/0021-3454-2018-61-4-374-376