一种基于低成本传感器和地图约束的行人航向推算系统技术方案

本发明专利技术属于行人定位与导航技术领域，具体的是一种基于低成本传感器和地图约束的行人航向推算系统。该系统包括依次连接的惯性及磁场传感器数据获取模块100、行人航向推算模块200、粒子滤波修正行人位置模块300和行人位置输出模块400。该系统定位精度高，在地图的约束下，能够达到比原有的定位方法更高的定位精度。

A pedestrian heading calculation system based on low cost sensor and map constraint

The invention belongs to the technical field of pedestrian positioning and navigation, in particular, a pedestrian heading calculation system based on low cost sensor and map constraint. The system includes inertial and magnetic sensor data acquisition module 100, pedestrian direction prediction module 200, particle filter correction pedestrian position module 300 and pedestrian position output module 400. The system has high positioning accuracy and can achieve higher positioning accuracy than the original positioning method under the constraints of the map.

【技术实现步骤摘要】
一种基于低成本传感器和地图约束的行人航向推算系统
本专利技术属于行人定位与导航
，具体的是一种基于低成本传感器和地图约束的行人航向推算系统。
技术介绍
当前全球卫星导航系统已发展成熟，我国的北斗卫星导航系统、美国的GPS导航系统、俄罗斯的GLONASS导航系统等基于卫星的导航技术已经广泛应用于室外的定位与导航服务。然而，在室内环境、城市峡谷、密集森林和隧道立交桥环境等卫星信号会严重衰减甚至丢失，此时的卫星定位系统将无法提供服务。当前，智能终端技术发展迅速，大多数的智能终端都包含惯性传感器和磁场传感器，靠智能终端中的低成本传感器可以实现行人的自主定位。为了解决这些环境中的定位和导航难题，当前已经有技术人员在室内环境中通过布设伪卫星、蓝牙、WiFi等设备的方式协助行人在无法使用卫星定位服务的场所提供定位和导航服务。但是这些信号设备在提供定位导航服务的过程中存在许多的不足：(1)用于辅助行人定位的外部设备需要接入外部电源才能够正常工作，因此对安装位置具有限制。(2)在紧急情况下，如果失去外部的电力供应，将会出现无法定位的情况。(3)当前的智能终端接收并处理卫星信号和其他定位信号时消耗的电量较多，不利于智能终端长时间为用户提供定位服务。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足之处，本专利技术提出了一种基于智能终端的低成本传感器和地图约束的定位方法和系统，以解决当前无法接收卫星定位信号的环境中，定位依赖其他外部信号发射设备的问题，并且能够达到当前定位技术所不能达到的定位精度。本专利技术采用如下技术方案：一种基于低成本传感器和地图约束的行人航向推算系统，该系统包括依次连接的惯性及磁场传感器数据获取模块100、行人航向推算模块200、粒子滤波修正行人位置模块300和行人位置输出模块400；所述惯性及磁场传感器获取模块100采集行人的加速度信息、角加速度信息、磁场信息和时间戳，并将这些数据传输给行人航向推算模块200；所述行人航向推算模块200对加速度信息、角加速度信息、磁场信息和时间戳处理后，得到行人的步态信息、步长信息和航向信息，并将这些信息数据传输给粒子滤波修正行人位置模块300；所述粒子滤波修正行人位置模块300对行人的步态、步长和航向进行修正，将修改后的步态、步长和航向反馈给行人航向推算模块200，还传输给行人位置输出模块400；行人位置输出模块400输出行人当前的准确位置。本技术方案进一步的优化，所述惯性及磁场传感器获取模块100包括三轴加速度传感器101、三轴角加速度传感器102、三轴磁力传感器103、标定模块104和标定的惯性信号测量值和磁场测量值输出模块105，所述三轴加速度传感器101、三轴角加速度传感器102、三轴磁力传感器103分别与标定模块104连接，标定模块104与标定的惯性信号测量值和磁场测量值输出模块105连接；所述三轴加速度传感器101、三轴角加速度传感器102、三轴磁力传感器103分别用以测量行人在运动过程中的加速度信息、角加速度信息和磁场信息，标定模块104对加速度信息、角加速度信息和磁场信息进行标定后，标定的惯性信号测量值和磁场测量值输出模块105输出标定后的加速度信息、角加速度信息和磁场信息。本技术方案更进一步的优化，所述三轴加速度传感器101、三轴角加速度传感器102和三轴磁力传感器103的采样频率为50Hz。本技术方案更进一步的优化，所述三轴加速度传感器101、三轴角加速度传感器102和三轴磁力传感器103设置在智能终端内，所述智能终端为智能手机、智能手表或智能眼镜。本技术方案进一步的优化，所述行人航向推算模块200包括航向信息输出模块204和与其连接的步态检测模块201、步长估计模块202、航向测算模块203，所述步态检测模块201、步长估计模块202和航向信息模块203均与惯性及磁场传感器获取模块100相连，所述步态检测模块201还与步长估计模块202相连；所述步态检测模块201对数据处理后得到行人的步态，步长估计模块202对数据处理后得到行人的步长，航向测算模块203对数据处理后得到行人的航向，航向信息输出模块204输出行人的步态、步长和航向。本技术方案更进一步的优化，所述步态检测模块201包括以下检测步骤，S2011，从惯性及磁场传感器获取模块100获取的加速度信息和角加速度信息，计算得到运动过程中的俯仰角，对俯仰角信息进行低通滤波处理，获取俯仰角变化的低频信息；S2012，判断俯仰角幅值是否大于预设阈值，如果大于预设阈值，则转到步骤S2013，否则，返回到惯性及磁场传感器获取模块100；S2013，判断俯仰角变化过程的时间间隔是否符合行人运动规律，如果符合，那么判断为行人在此时间内走了一步，转到步骤S2014，否则，返回到惯性及磁场传感器获取模块100；S2014，输出此次运动过程的开始与结束的时间戳。本技术方案更进一步的优化，所述航向测算模块203具体步骤，S2031，从惯性及磁场传感器获取模块100获取标定后加速度信息、角加速度信息、磁场信息和时间戳；S2032，判断加速度信息、角加速度信息、磁场信息的时间戳是否一致，如果是，则转到步骤S2033，否则，转到惯性及磁场传感器获取模块100重新获取相关数据；S2034，判断磁场值偏差是否在阈值内，如果不在阈值内，那么选择六轴姿态航向参考系统，则转到步骤S2036，如果偏差在阈值内，那么选择九轴姿态航向参考系统，转到步骤S2035；S2035，磁场信息数据传入九轴传感器四元数计算，得到根据姿态航向参考系统处理后的姿态四元数组，转到步骤S2037；S2036，磁场信息数据传入六轴传感器四元数计算，得到根据姿态航向参考系统处理后的姿态四元数组，转到步骤S2037；S2037，将最新的姿态四元数保存下来，并解算行人姿态的欧拉角形式，得到欧拉角；S2038，将欧拉角处理后，得到航向信息输出。本技术方案进一步的优化，所述粒子滤波修正行人位置模块300包括依次连接的地图信息与初始位置加载模块301、粒子初始化模块302、粒子传播模块303、粒子状态更新模块304、粒子重采样模块305和粒子状态输出模块306，所述粒子状态更新模块304、粒子重采样模块305均反馈到粒子传播模块303；地图信息与初始位置加载模块301加载线性约束地图和行人在地图内的初始位置，粒子初始化模块302以行人初始位置为原点，生成初始化粒子群；粒子传播模块303从行人航向推算模块200获取行人的步态、步长和航向信息，对所有粒子赋予更新后的步长和航向信息，粒子状态更新模块304对粒子进行位置更新和权重更新，所述粒子重采样模块305对粒子进行参数更新和数量更新，传输给粒子状态输出模块306，粒子状态输出模块306输出粒子的权值和位置信息。本技术方案进一步的优化，行人位置输出模块400包括粒子权重获取模块401、粒子位置获取模块402、粒子位置融合模块403和融合位置输出模块404，所述粒子滤波修正行人位置模块300分别与粒子权重获取模块401、粒子位置获取模块402连接，所述粒子权重获取模块401、粒子位置获取模块402与粒子位置融合模块403连接，粒子位置融合模块403与融合位置输出模块404连接；粒子权重获取模块401、粒子位置获取模块402分别获取所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于低成本传感器和地图约束的行人航向推算系统，其特征在于：该系统包括依次连接的惯性及磁场传感器数据获取模块(100)、行人航向推算模块(200)、粒子滤波修正行人位置模块(300)和行人位置输出模块(400)；所述惯性及磁场传感器获取模块(100)采集行人的加速度信息、角加速度信息、磁场信息和时间戳，并将这些数据传输给行人航向推算模块(200)；所述行人航向推算模块(200)对加速度信息、角加速度信息、磁场信息和时间戳处理后，得到行人的步态信息、步长信息和航向信息，并将这些信息数据传输给粒子滤波修正行人位置模块(300)；所述粒子滤波修正行人位置模块(300)对行人的步态、步长和航向进行修正，将修改后的步态、步长和航向反馈给行人航向推算模块(200)，还传输给行人位置输出模块(400)；行人位置输出模块(400)输出行人当前的准确位置。

【技术特征摘要】
1.一种基于低成本传感器和地图约束的行人航向推算系统，其特征在于：该系统包括依次连接的惯性及磁场传感器数据获取模块(100)、行人航向推算模块(200)、粒子滤波修正行人位置模块(300)和行人位置输出模块(400)；所述惯性及磁场传感器获取模块(100)采集行人的加速度信息、角加速度信息、磁场信息和时间戳，并将这些数据传输给行人航向推算模块(200)；所述行人航向推算模块(200)对加速度信息、角加速度信息、磁场信息和时间戳处理后，得到行人的步态信息、步长信息和航向信息，并将这些信息数据传输给粒子滤波修正行人位置模块(300)；所述粒子滤波修正行人位置模块(300)对行人的步态、步长和航向进行修正，将修改后的步态、步长和航向反馈给行人航向推算模块(200)，还传输给行人位置输出模块(400)；行人位置输出模块(400)输出行人当前的准确位置。2.如权利要求1所述的基于低成本传感器和地图约束的行人航向推算系统，其特征在于：所述惯性及磁场传感器获取模块(100)包括三轴加速度传感器(101)、三轴角加速度传感器(102)、三轴磁力传感器(103)、标定模块(104)和标定的惯性信号测量值和磁场测量值输出模块(105)，所述三轴加速度传感器(101)、三轴角加速度传感器(102)、三轴磁力传感器(103)分别与标定模块(104)连接，标定模块(104)与标定的惯性信号测量值和磁场测量值输出模块(105)连接；所述三轴加速度传感器(101)、三轴角加速度传感器(102)、三轴磁力传感器(103)分别用以测量行人在运动过程中的加速度信息、角加速度信息和磁场信息，标定模块(104)对加速度信息、角加速度信息和磁场信息进行标定后，标定的惯性信号测量值和磁场测量值输出模块(105)输出标定后的加速度信息、角加速度信息和磁场信息。3.如权利要求2所述的基于低成本传感器和地图约束的行人航向推算系统，其特征在于：所述三轴加速度传感器(101)、三轴角加速度传感器(102)和三轴磁力传感器(103)的采样频率为(50)Hz。4.如权利要求2所述的基于低成本传感器和地图约束的行人航向推算系统，其特征在于：所述三轴加速度传感器(101)、三轴角加速度传感器(102)和三轴磁力传感器(103)设置在智能终端内，所述智能终端为智能手机、智能手表或智能眼镜。5.如权利要求1所述的基于低成本传感器和地图约束的行人航向推算系统，其特征在于：所述行人航向推算模块(200)包括航向信息输出模块(204)和与其连接的步态检测模块(201)、步长估计模块(202)、航向测算模块(203)，所述步态检测模块(201)、步长估计模块(202)和航向信息模块(203)均与惯性及磁场传感器获取模块(100)相连，所述步态检测模块(201)还与步长估计模块(202)相连；所述步态检测模块(201)对数据处理后得到行人的步态，步长估计模块(202)对数据处理后得到行人的步长，航向测算模块(203)对数据处理后得到行人的航向，航向信息输出模块(204)输出行人的步态、步长和航向。6.如权利要求5所述的基于低成本传感器和地图约束的行人航向推算系统，其特征在于：所述步态检测模块(201)包括以下检测步骤，S2011，从惯性及磁场传感器获取模块(100)获取的加速度信息和角加速度信息，计算得到运动过程中的俯仰角，对俯仰角信息进行低通滤波处理，获取俯仰角变化的低频信息；S2012...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱久超，慕翔，刘佩林，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31