一种自适应的行人导航系统零速区间检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种自适应的行人导航系统零速区间检测方法。相比于固定阈值法在变化的步态频率行走条件下，零速检测区间存在误检和漏检的问题，自适应阈值法能够分析零速区间检测阈值与行人步态频率的关系，有效提高零速区间的检测精度。通过开展不同步态频率条件下零速点判断阈值的标定实验建立了零速点检测阈值与步态频率的函数关系，实现了检测阈值的自适应调整及零速点的精确检测，从而提高了零速区间的检测精度；本方法只需要利用惯性测量单元中一个陀螺仪及三个加速度计的输出数据就能实现零速区间的自适应检测，不需要增加或借助其它外部传感器来辅助检测零速区间，检测手段简单、精确。

An adaptive zero velocity interval detection method for pedestrian navigation system

The invention discloses an adaptive pedestrian navigation system zero speed interval detection method. Compared with the fixed threshold method of gait frequency walking condition under varying zero velocity detection interval is false and miss the problem, the adaptive threshold method to analysis of the relationship between the zero velocity interval detection threshold and gait frequency, effectively improve the detection accuracy of zero velocity interval. The gait frequency under the condition of zero speed judgment threshold calibration experiment establishes the function relation of zero speed detection threshold and gait frequency, and realizes accurate detection and adaptive detection threshold of zero speed, so as to improve the detection accuracy of zero velocity interval; this method only requires the use of adaptive detection of zero velocity interval the output data to a gyroscope and accelerometer to achieve three inertial measurement unit, without increasing or by other external sensors to assist the detection of zero speed range, simple and accurate detection method.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及行人导航定位
，具体涉及一种自适应的行人导航系统零速区间检测方法。
技术介绍
在GPS信号失效或者无信标的环境中，对行人的实时跟踪与定位是一件十分困难的事情。为了实现行人在任意环境中的自我定位，由小型惯性测量单元构成的行人导航系统能帮助行人实现连续、自主定位。基于惯性测量单元的行人导航系统通常采用惯性导航算法来计算行人的位置信息，但积分过程中加速度误差会导致位置误差随时间的三次方增长，且由于用于行人导航系统中的低成本惯性测量单元性能较低，位置误差在短时间内快速发散，严重影响行人导航系统定位效果。零速更新(Zero velocity update,ZUPT)方法是行人导航系统广泛采用的一种误差修正手段，其根据行人步态中周期性地存在零速区间的特点对导航解算的位置误差进行周期性清零。零速更新的前提是准确、有效地检测行人运动过程中的零速区间。常用的零速检测方法有加速度模值法、角速度模值法、加速度滑动标准差法或多种方法综合，这些方法的共同特点是都需要设定阈值来提取零速区间。传统的零速区间检测方法中阈值为固定值，当行人以恒定步态频率行走时，通过设定固定阈值能较准确地提取步态中的零速区间；然而，实际过程中行人运动的随机性强，并且不可能一直保持恒定的步态频率。因此，当行人以变化的步态频率行走时，如果仍然采用固定阈值作为设定阈值，零速区间的检测结果中将会出现误检或者漏检的情况。为了解决以上问题，本专利技术提出一种自适应的行人导航系统零速区间检测方法，以提高行人在不同运动速度条件下的零速区间检测精度。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出了一种自适应的行人导航系统零速区间检测方法，相比于固定阈值法在变化的步态频率行走条件下，零速检测区间存在误检和漏检的问题，本专利技术提出的自适应阈值法能够分析零速区间检测阈值与行人步态频率的关系，有效提高零速区间的检测精度。本专利技术的技术解决方案是：自适应的行人导航系统零速区间检测方法，采用惯性测量单元采集行人运动过程中的数据，包括以下步骤：步骤1，分析惯性测量单元中任意一坐标轴陀螺数据的幅频特性，得到一倍频频率区间；步骤2，提取该坐标轴陀螺数据的时频谱线，针对待测区间中的任意ti时刻，寻找ti时刻对应的时频谱线中，处于一倍频区间范围内的最大峰值对应的频率，所述最大峰值对应的频率即为行人在ti时刻的步态频率fhumani；步骤3，对ti时刻的行人加速度模值|a(ti)|及加速度滑动标准差σa(ti)进行自适应阈值约束，当|a(ti)|和σa(ti)同时满足零速点的判断条件公式时，认为行人在ti时刻的运动速度为零，所述零速点判断条件公式为： R a 1 ( f h u m a n i ) ≤ | a ( t i ) | ≤ R a 2 ( f h u m a n i ) σ a ( t i ) ≤ R σ ( f h u m a n i ) ]]>其中，Ra1(fhumani)、Ra2(fhumani)、Rσ(fhumani)为与ti时刻步态频率fhumani有关的零速点判断阈值，由标定实验得到；步骤4，采用步骤2-3的处理方法对待测区间内的所有时刻进行零速点判断，待测区间内的所有零速点组成行人在该时间段运动步态中的零速区间。进一步地，步骤2具体包括如下子步骤：步骤2.1利用SPWVD提取该坐标轴陀螺数据的时频谱线；步骤2.2针对任意ti时刻，提取该时刻时频谱线中最大峰值对应的频率fpeak1；步骤2.3提取ti时刻时频谱线中第二大峰值对应的频率fpeak2，并判断fpeak2与0.75fpeak1之间的关系；如果fpeak2＜0.75fpeak1，fpeak2即为行人运动过程中ti时刻对应的步态频率fhumani；如果fpeak2≥0.75fpeak1，则继续提取ti时刻的时频谱线中第3大峰值对应的频率fpeak3，判断fpeak3与0.75fpeak1之间的关系，如本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自适应的行人导航系统零速区间检测方法，采用惯性测量单元采集行人运动过程中的数据，包括三个坐标轴上的陀螺仪输出的陀螺数据和加速度计输出的加速度，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，分析惯性测量单元中任意一坐标轴陀螺数据的幅频特性，得到一倍频频率区间；步骤2，提取该坐标轴陀螺数据的时频谱线，针对待检测区间中的任意ti时刻，寻找ti时刻对应的时频谱线中，处于一倍频区间范围内的最大峰值对应的频率，所述最大峰值对应的频率即为行人在ti时刻的步态频率fhumani；步骤3，对ti时刻的行人加速度模值|a(ti)|及加速度滑动标准差σa(ti)进行自适应阈值约束，当|a(ti)|和σa(ti)同时满足零速点的判断条件公式时，认为行人在ti时刻的运动速度为零，所述零速点判断条件公式为：Ra1(fhumani)≤|a(ti)|≤Ra2(fhumani)σa(ti)≤Rσ(fhumani)]]>零速点判断阈值Ra1(fhumani)，Ra2(fhumani)和Rσ(fhumani)与ti时刻的人体步态频率fhumani呈如下函数关系：Ra1(fhumani)＝λ1·fhumani+b1Ra2(fhumani)=λ2·fhumani2+λ3·fhumani+b2]]>Rσ(fhumani)＝λ4·fhumani+b3其中，λ1,λ2,λ3,λ4,b1,b2,b3为零速点阈值函数的标定系数，由标定实验获得；步骤4，采用步骤2‑3的处理方法对待检测区间内所有时刻进行零速点判断，待检测区间内的所有零速点组成行人在该时间段运动步态中的零速区间。...

【技术特征摘要】
1.一种自适应的行人导航系统零速区间检测方法，采用惯性测量单元采集行人运动过程中的数据，包括三个坐标轴上的陀螺仪输出的陀螺数据和加速度计输出的加速度，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，分析惯性测量单元中任意一坐标轴陀螺数据的幅频特性，得到一倍频频率区间；步骤2，提取该坐标轴陀螺数据的时频谱线，针对待检测区间中的任意ti时刻，寻找ti时刻对应的时频谱线中，处于一倍频区间范围内的最大峰值对应的频率，所述最大峰值对应的频率即为行人在ti时刻的步态频率fhumani；步骤3，对ti时刻的行人加速度模值|a(ti)|及加速度滑动标准差σa(ti)进行自适应阈值约束，当|a(ti)|和σa(ti)同时满足零速点的判断条件公式时，认为行人在ti时刻的运动速度为零，所述零速点判断条件公式为： R a 1 ( f h u m a n i ) ≤ | a ( t i ) | ≤ R a 2 ( f h u m a n i ) σ a ( t i ) ≤ R σ ( f h u m a n i ) ]]>零速点判断阈值Ra1(fhumani)，Ra2(fhumani)和Rσ(fhumani)与ti时刻的人体步态频率fhumani呈如下函数关系：Ra1(fhumani)＝λ1·fhumani+b1 R a 2 ( f h u m a n i ) = λ 2 · f h u m a n i 2 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：田晓春，韩勇强，陈家斌，谢玲，尚剑宇，李楠，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11