一种基于惯性传感的人员步长估算的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于惯性传感的人员步长估算的方法，步骤(1)、使用微电子机械系统采集室内人员运动原始数据，步骤(2)、利用四元数生成坐标转换矩阵；步骤(3)、将人员连续的运动划分为每一个单步，计算单步步长，步骤(4)、累加总位移得到整个运动步长。与现有技术相比，本发明专利技术能够：1)避免加速度二次积分计算步长的误差累积，从而降低了步长计算误差的累积；2)对人员单步步长计算和行进总位移计算，因此具有很好的可靠性和稳定性；3)提高了零速率修正准确率，从而提高了步长计算的精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及室内定位
，特别是一种室内定位步长计算的方法。
技术介绍
定位技术，简单的说就是获取物体的位置信息。伴随着社会的发展和科技的进步，人们在生活和工作中对定位和导航的需求不断增长。全球卫星定位系统很好地完成了室外空旷环境下的定位；而对于室内和卫星信号衰弱的环境，运用惯性导航技术，可以实现人员的定位和跟踪。近年来，随着微电子机械系统(Micro-Electrical-Mechanical Systems，MEMS)的性价比不断提高，行人航位推算法(PDR)被认为是目前最有前景的人员定位技术方案之一。PDR定位主要包括步长计算、方向估计等技术，利用MEMS采集人员行进的加速度、四元数等运动数据，通过适当的算法处理，得到人员行进的步长和方向，从而推算出人员的位置。因此，步长估计的精度对PDR系统的定位精度有至关重要的作用。而PDR系统中MEMS本身的误差(如：测量噪声、陀螺仪偏差等)以及步长计算的累积误差是影响步长计算精度的关键因素之一。随着国内外学者研究的深入，已有学者在2005年提出利用零速率修正技术来降低累积误差。该技术首先进行步态检测，将人员的连续运动划分为每一个运动单步，将每一个单步在起始时刻的速度设置成零，以达到每一个单步都减少误差的累积，很好地提高步长计算的精度。然而，由于人员行走的不确定性，假设MEMS置于人员右脚脚跟，当人员左脚行走时，很难保证右脚完全静止，造成了MEMS采集的数据不准确。也有很多研究者提出利用现有的基础设施(如：WiFi、RFID、监视摄像头等)来修正积分误差，但是该方案依赖于定位环境的基础设施，很难在特殊环境(如：火灾现场、矿难现场等)使用。
技术实现思路
基于现有技术存在的缺陷，本专利技术提出了一种基于惯性传感的人员步长估算的方法，在人员航位推算过程中采用双零速率修正技术来进行步长估计和速率纠正的算法。本专利技术提出了一种基于惯性传感的人员步长估算的方法，该方法包括以下步骤：步骤1、使用微电子机械系统采集室内人员运动的基于MEMS载体坐标系的三轴加速度[aN aE aD]以及四元数作为原始数据，并进行原始数据初期滤波和校正；步骤2、利用四元数生成坐标转换矩阵，坐标转换矩阵计算公式如下： R = q 0 2 + q 1 2 - q 2 2 - q 3 2 2 ( q 1 q 2 + q 0 q 3 ) 2 ( q 1 q 3 - q 0 q 2 ) 2 ( q 1 q 2 - q 0 q 3 ) q 0 2 - q 1 2 + q 2 2 - q 3 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于惯性传感的人员步长估算的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤(1)、使用微电子机械系统采集室内人员运动的基于MEMS载体坐标系的三轴加速度[aN aE aD]以及四元数作为原始数据，并进行原始数据初期滤波和校正；步骤(2)、利用四元数生成坐标转换矩阵，坐标转换矩阵计算公式如下：R=q02+q12-q22-q322(q1q2+q0q3)2(q1q3-q0q2)2(q1q2-q0q3)q02-q12+q22-q322(q2q3+q0q1)2(q1q3+q0q2)2(q2q3-q0q1)q02-q12-q22+q32]]>其中，[q0 q1 q2 q3]表示四元数；再运用坐标转换矩阵，把基于MEMS的载体坐标系的加速度转换到地理坐标系，转换矩阵如下：aNaEaD=R*axayaz]]>其中，[aN aE aD]表示地理坐标系下三轴加速度，R表示坐标转换矩阵，[ax ay az]表示地理坐标系下三轴加速度；步骤(3)、利用Dual‑ZUPT算法得到双零速率修正点即F‑ZUPT点和S‑ZUPT点，将人员连续的运动划分为每一个单步，单步步长为F‑ZUPT点到S‑ZUPT点行进的距离，计算公式如下：SsNSsESsD=S0NS0ES0D+Σi=F-ZUPTS-ZUPTViNδtΣi=F-ZUPTS-ZUPTViEδtΣi=F-ZUPTS-ZUPTViDδt]]>其中，表示S‑ZUPT点的三轴位移，表示F‑ZUPT点的三轴位移，计算时被设为0，[ViN ViE ViD]表示i时刻的三轴速度，计算公式如下：VsNVsEVsD=V0NV0EV0D+Σi=F-ZUPTS-ZUPTaiNδtΣi=F-ZUPTS-ZUPTaiEδtΣi=F-ZUPTS-ZUPTaiDδt]]>其中：表示S‑ZUPT点的三轴速度，表示F‑ZUPT点的三轴速度，计算时被设为0，表示i时刻的三轴加速度；步骤(4)、累加总位移得到整个运动步长：L=ΣLunit=Σ(SsN)2+(SsE)2+(SsD)2]]>其中：L表示人员运动的总位移，Lunit表示人员的单步步长，表示S‑ZUPT点的三轴位移。...

【技术特征摘要】
1.一种基于惯性传感的人员步长估算的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤(1)、使用微电子机械系统采集室内人员运动的基于MEMS载体坐标系的三轴加速度[aN aE aD]以及四元数作为原始数据，并进行原始数据初期滤波和校正；步骤(2)、利用四元数生成坐标转换矩阵，坐标转换矩阵计算公式如下： R = q 0 2 + q 1 2 - q 2 2 - q 3 2 2 ( q 1 q 2 + q 0 q 3 ) 2 ( q 1 q 3 - q 0 q 2 ) 2 ( q 1 q 2 - q 0 q 3 ) q 0 2 - q 1 2 + q 2 2 - q 3 2 2 ( q 2 q 3 + q 0 q 1 ) 2 ( q 1 q 3 + q 0 q 2 ) 2 ( q 2 q 3 - q 0 q 1 ) q 0 2 - q 1 2 - q 2 2 + q 3 2 ]]>其中，[q0 q1 q2 q3]表示四元数；再运用坐标转换矩阵，把基于MEMS的载体坐标系的加速度转换到地理坐标系，转换矩阵如下： a N a E a D = R * a x a y a z ]]>其中，[aN aE aD]表示地理坐标系下三轴加速度，R表示坐标转换矩阵，[ax ay az]表示地理坐标系下三轴加速度；步骤(3)、利用Dual-ZUPT算法得到双零速率修正点即F-ZUPT点和S-ZUPT点，将人员连续的运动划分为每一个单步，单步步长为F-ZUPT点到S-ZUPT点行进的距离，计算公式如下： S s N S s E S s D = S 0 N S 0 E S 0 D + Σ i = F - Z U P T S - Z U P T V i N δ t Σ i = F - Z U P T S - Z U P T ...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘昱，郭凯，李圣龙，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12