一种基于主副IMU和气压计的三维行人导航方法技术

技术编号:21911595 阅读:33 留言:0更新日期:2019-08-21 11:43
本发明专利技术提出一种基于主副IMU和气压计的三维行人导航方法,其步骤为:将主IMU安装于行人的足面,将副IMU和气压计分别安装于行人的胸前;主IMU测量的数据经惯性导航解算得到姿态、速度和位置,同时利用SVM决策函数判断行人所处的运动状态;副IMU测量的数据经方位解算得到姿态信息,气压计测量的数据经高度解算得到高度;根据行人运动状态,静止时,计算惯性导航的速度、角速度、姿态和高度误差,并通过扩展卡尔曼滤波器对误差进行估计和修正;运动时,通过主IMU获得行人的姿态、速度和位置,对运动轨迹实时更新。本发明专利技术根据副IMU和气压计得到的数据作为主IMU的参考数据进行误差修正,实现对行人的准确定位与导航跟踪。

A Three-Dimensional Pedestrian Navigation Method Based on Primary and Secondary IMU and Barometer

【技术实现步骤摘要】
一种基于主副IMU和气压计的三维行人导航方法
本专利技术涉及行人导航
,特别是指一种基于主副IMU和气压计的三维行人导航方法。
技术介绍
随着科学技术和信息化的快速发展,信息技术逐渐应用到人们的日常生活中,为人们的日常活动提供了更多的便利。在出行过程中,人们对于位置的需求以及路径的导航规划要求越来越高,甚至在每个时刻都想知道“我在哪儿?”、“从哪儿来到哪儿去?”,这就需要借助一些软件或者设备来确定。以前,大多采用指南针、电子罗盘等设备来确定自己的位置和方位,而现在主要依靠全球定位系统(GlobalPositioningSystem,GPS)或北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem,BDS)等无线导航定位系统来解决位置信息问题,以满足人们的位置需求。另外,计算机网络技术和智能控制技术的发展,极大地推动了物联网产业的兴起。以物联网及智能传感器为代表的新兴产业,获得了国家的政策扶持和大力推动。惯性器件与惯性导航定位技术作为物联网的重要组成部分,将在没有GPS或BDS等无线信号环境下的行人导航定位过程中发挥不可替代的作用。行人导航(PedestrianNavigation,PN),是一种基于位置服务(LocationBasedService,LBS)的技术,通过某种方法确定行人的位置。采用惯性导航技术的行人导航系统(PedestrianNavigationSystem,PNS),将IMU固定于行人足部、胸部或肩部等身上不同部位,通过实时测量行走过程中的加速度、角速度等数据参数,进行行人位置和方向的导航解算,从而对行人位置和方位进行定位和跟踪。将该系统应用到大型商场超市、图书馆、地下停车场、船舱、井下、隧道、密林等无线信号覆盖不到的盲区,能够实现各种不同区域下的导航定位。惯性导航技术在特定环境下进行导航定位具有抗干扰性强、实时性强和屏蔽性强等特点,因此该研究具有重要的社会意义和经济意义。由于室内环境下没有GPS和BDS等无线导航信号,不能准确定位自己的位置。为了解决这个问题,采用不依赖于外部信号的MEMS惯性传感器作为自主导航元件,进行位置跟踪和导航服务。但是,由于MEMS惯性传感器存在零点漂移误差、运动状态误差和导航解算误差,导致位置和导航信息产生很大的偏差。
技术实现思路
针对现有的行人导航系统存在运动状态误差和导航解算误差,导致位置和导航信息产生较大误差的技术问题,本专利技术提出了一种基于主副IMU和气压计的三维行人导航系统及方法,利用胸前的副IMU和气压计测量得到的加速度、磁感应强度和气压数据,经方位解算和高度解算得到方位信息和高度信息,再将方位信息和高度信息作为足面的主IMU的参考数据进行误差修正,实现行人的准确导航和跟踪。本专利技术的技术方案是这样实现的:一种基于主副IMU和气压计的三维行人导航方法,其步骤如下:S1、将主IMU安装于行人的足面,将副IMU和气压计分别安装于行人的胸前;S2、主IMU通过其自身携带的加速度计和陀螺仪测量加速度和角速度数据,经惯性导航姿态解算得到姿态、位置和速度;副IMU通过其自身的加速度计和磁力计测量加速度和磁感应强度,经方位解算得到姿态信息;气压计测量的气压数据经高度解算得到高度信息;S3、将行人的状态分为静止和运动两个状态;将步骤S2中主IMU得到的行人的加速度和角速度输入SVM决策方程,判断行人处于哪个状态;当行人处于静止状态时执行步骤S4,否则执行步骤S5;S4、当行人处于静止状态时:初始化行人的角速度I、速度I和加速度I;主IMU测量的加速度II、角速度II和磁感应强度I经惯性导航解算得到行人的姿态、速度II和位置;副IMU测量的角速度III和磁感应强度II经方位解算得到行人的姿态信息;气压计采集的气压数据经高度解算得到行人的高度信息;将姿态与姿态信息作对比得到姿态角误差,将加速度II与加速度I作对比得到加速度误差,将角速度II与角速度I作对比得到角速度误差,将速度II与速度I作对比得到速度误差,将位置与高度信息作对比得到位置误差;再将姿态角误差、角速度误差、加速度误差、速度误差和位置误差输入扩展卡尔曼滤波器得到行人的航向误差、角速度误差、速度误差和高度误差;再将航向误差、角速度误差、速度误差和高度误差输入惯性导航解算中对行人的姿态、速度和位置进行实时反馈及修正,输出行人的姿态、速度和位置;S5、当行人处于运动状态时:通过足面的主IMU测量的加速度和角速度经惯性导航解算获得行人的姿态、速度和位置,再对姿态、速度和位置进行坐标变换获得行人的运动轨迹;根据主IMU实时测量的数据对行人的姿态、速度和位置进行更新,进而对行人的运动轨迹进行更新。优选地,所述步骤S3中的行人状态的判别方法为:S31、选取一组已知运动状态的数据集作为样本训练集,样本训练集记为:T={(xi,yi)}={(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)},其中,i=1,2,…,n,xi∈RN,RN为有理数集合,xi为第i组主IMU提取的加速度数据和角速度数据组建的向量组,yi∈{+1,-1}为第i组行人的运动状态,+1表示静止状态,-1表示运动状态;S32、通过SVM分类算法对样本训练集进行训练,在n维数据空间中找到一个最优的超平面wx+b=0,满足yi(wxi+b)≥1,使几何间隔最大,相应的分类决策函数为:f(x)=sign(wTx+b),其中,sign()为符号函数,f(x)等于y为行人的运动状态,b为截距,w为法向量。优选地,所述步骤S4中行人处于静止状态时,采用的扩展卡尔曼滤波器的状态方程为:Xk=Fk,k-1Xk-1+Wk,其中,为导航坐标系下的姿态角误差,姿态角包括俯仰角、横滚角和航向角,δωk为载体坐标系下的x、y和z三个方向的角速度误差,δrk为导航坐标系下的E向、N向和U向三个方向的位置误差,δvk为导航坐标系下的E向、N向和U向三个方向的速度误差,δak为载体坐标系下的E向、N向和U向三个方向的加速度误差,为载体坐标系到导航坐标系的姿态转移矩阵,Δt为采样时间,为加速度的反对称矩阵,矩阵为导航坐标系下的E向、N向和U向的加速度,I为单位矩阵,Wk为状态白噪声矩阵,Wk的均值为零、协方差矩阵为Qk。优选地,所述扩展卡尔曼滤波器的观测方程为:Zk=HkXk+Vk,其中,为主IMU测量得到的航向角与副IMU测量得到的航向角之差,Δωk为载体坐标系下的x、y和z三个方向的角速度误差,Δvk为导航坐标系下的E向、N向和U向三个方向的速度误差,Δrk为载体坐标系下的高度误差,Vk为观测白噪声矩阵,Vk服从均值为零、协方差矩阵为Rk的高斯分布。一种基于主副IMU和气压计的三维行人导航系统,包括方位高度参考系统和行人足部导航系统,所述方位高度参考系统包括固定于行人胸前的副IMU和气压计;所述行人足部导航系统包括固定于行人足面的主IMU和控制器;所述主IMU、副IMU和气压计均与控制器相连接;所述主IMU包括加速度计I、陀螺仪I和磁力计I,所述副IMU包括加速度计II、陀螺仪II和磁力计II,加速度计I、陀螺仪I、磁力计I、加速度计II、陀螺仪II、磁力计II和气压计均与控制器相连接。本专利技术产生的有益效果如下:1.利用足面的主IMU获得行本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于主副IMU和气压计的三维行人导航方法,其特征在于,其步骤如下:S1、将主IMU安装于行人的足面,将副IMU和气压计分别安装于行人的胸前;S2、主IMU通过其自身携带的加速度计和陀螺仪测量加速度和角速度数据,经惯性导航姿态解算得到姿态、位置和速度;副IMU通过其自身的加速度计和磁力计测量加速度和磁感应强度,经方位解算得到姿态信息;气压计测量的气压数据经高度解算得到高度信息;S3、将行人的状态分为静止和运动两个状态;将步骤S2中主IMU得到的行人的加速度和角速度输入SVM决策方程,判断行人处于哪个状态;当行人处于静止状态时执行步骤S4,否则执行步骤S5;S4、当行人处于静止状态时:初始化行人的角速度I、加速度I和速度I;主IMU测量的加速度II、角速度II和磁感应强度I经惯性导航解算得到行人的姿态、速度II和位置;副IMU测量的角速度III和磁感应强度II经方位解算得到行人的姿态信息;气压计采集的气压数据经高度解算得到行人的高度信息;将姿态与姿态信息作对比得到姿态角误差,将加速度II与加速度I作对比得到加速度误差,将角速度II与角速度I作对比得到角速度误差,将速度II与速度I作对比得到速度误差,将位置与高度信息作对比得到位置误差;再将姿态角误差、角速度误差、加速度误差、速度误差和位置误差输入扩展卡尔曼滤波器得到行人的航向误差、角速度误差、速度误差和高度误差;再将航向误差、角速度误差、速度误差和高度误差输入惯性导航解算中对行人的姿态、速度和位置进行实时反馈及修正,输出行人的姿态、速度和位置;S5、当行人处于运动状态时:通过足面的主IMU测量的加速度和角速度经惯性导航解算获得行人的姿态、速度和位置,再对姿态、速度和位置进行坐标变换获得行人的运动轨迹;根据主IMU实时测量的数据对行人的姿态、速度和位置进行更新,进而对行人的运动轨迹进行更新。...

【技术特征摘要】
1.一种基于主副IMU和气压计的三维行人导航方法,其特征在于,其步骤如下:S1、将主IMU安装于行人的足面,将副IMU和气压计分别安装于行人的胸前;S2、主IMU通过其自身携带的加速度计和陀螺仪测量加速度和角速度数据,经惯性导航姿态解算得到姿态、位置和速度;副IMU通过其自身的加速度计和磁力计测量加速度和磁感应强度,经方位解算得到姿态信息;气压计测量的气压数据经高度解算得到高度信息;S3、将行人的状态分为静止和运动两个状态;将步骤S2中主IMU得到的行人的加速度和角速度输入SVM决策方程,判断行人处于哪个状态;当行人处于静止状态时执行步骤S4,否则执行步骤S5;S4、当行人处于静止状态时:初始化行人的角速度I、加速度I和速度I;主IMU测量的加速度II、角速度II和磁感应强度I经惯性导航解算得到行人的姿态、速度II和位置;副IMU测量的角速度III和磁感应强度II经方位解算得到行人的姿态信息;气压计采集的气压数据经高度解算得到行人的高度信息;将姿态与姿态信息作对比得到姿态角误差,将加速度II与加速度I作对比得到加速度误差,将角速度II与角速度I作对比得到角速度误差,将速度II与速度I作对比得到速度误差,将位置与高度信息作对比得到位置误差;再将姿态角误差、角速度误差、加速度误差、速度误差和位置误差输入扩展卡尔曼滤波器得到行人的航向误差、角速度误差、速度误差和高度误差;再将航向误差、角速度误差、速度误差和高度误差输入惯性导航解算中对行人的姿态、速度和位置进行实时反馈及修正,输出行人的姿态、速度和位置;S5、当行人处于运动状态时:通过足面的主IMU测量的加速度和角速度经惯性导航解算获得行人的姿态、速度和位置,再对姿态、速度和位置进行坐标变换获得行人的运动轨迹;根据主IMU实时测量的数据对行人的姿态、速度和位置进行更新,进而对行人的运动轨迹进行更新。2.根据权利要求1所述的基于主副IMU和气压计的三维行人导航方法,其特征在于,所述步骤S3中的行人状态的判别方法为:S31、选取一组已知运动状态的数据集作为样本训练集,样本训练集记为:T={(xi,yi)}={(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)},其中,i=1,2,…,n,xi∈RN,RN为有理数集合,xi为第i组主IMU提取的加速度数据和角...

【专利技术属性】
技术研发人员:王晓雷闫双建丁国强娄泰山焦玉召赵红梅葛新平李栋豪
申请(专利权)人:郑州轻工业学院
类型:发明
国别省市:河南,41

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