基于人体运动模型辅助的穿戴式行人导航定位方法和设备技术

本发明专利技术公开了基于人体运动模型辅助的穿戴式行人导航定位方法和设备，该方法包括，步骤1：分析人体运动时的步态以及不同运动模态下的惯性传感器输出；步骤2：建立基于人体运动学模型辅助的零速修正判别模型；步骤3：建立基于地磁辅助捷联惯导解算航向角误差模型；步骤4：建立基于气压高度计辅助捷联惯导解算高度误差模型。该设备包括该IMU惯性传感器件、姿态解算模块、蓝牙模块和按钮，能实现该方法。本发明专利技术提高无GPS和无线通信信号下行人导航定位的精度和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
基于人体运动模型辅助的穿戴式行人导航定位方法和设备
本专利技术涉及基于人体运动模型辅助的穿戴式行人导航定位方法和设备，属于个人移动定位

技术介绍
行人定位导航作为近些年来民用导航技术发展的主要领域之一，正逐渐被重视和研究。近年来，个人定位设备逐步在民用化市场得到普及，而大多数民用级便携式设备采用的是GPS卫星定位与无线通信技术相结合的定位原理，但是在大型城市、商场、隧道、丛林和山谷等卫星导航信号易受干扰或屏蔽的应用环境中，该类型设备的导航定位功能将受到严重影响。在某些特定行业中，如消防员在执行救援任务时，可能出现匍匐、跳跃、跑步等多种复杂运动模态，所携带的导航定位设备容易失效或者定位错误，而导致搜救任务失败，严重时甚至将危及使用人员的人身安全。针对无法使用卫星定位和通信定位产品的使用环境，国外厂商对我国技术垄断，产品价格昂贵。因此，迫切需要研究适应大型城市、商场、隧道、丛林和山谷等复杂应用环境下的针对人体多运动模态的行人导航定位技术，以适应相应的需求。现有行人导航研究方向主要可分为以下两类：一是基于各类无线网络的源头定位，然而这类方法依赖额外设备(如WIFI、蓝牙、UWB等)，定位精度受环境影响较大，易受干扰；二是基于惯性传感器的行人导航定位，以惯性器件为核心，具有短时高精度和高稳定性的特点，是一种完全自主的导航系统，然而该方案在长时间下误差会累积而迅速发散。目前，国外个人定位系统主要采用了微惯性/卫星导航实现组合定位，其对卫星导航依赖性较强；美国在基于人体运动学辅助的行人定位算法方面取得了较好的研究进展，已经完成了原型样机的研制，不过尚没有向民用领域进行大规模的推广应用。国内也有多家单位和研究所针对个人微惯性定位算法进行了研究，在系统构造以及传感器误差修正等方面开展了富有成效的工作，但总体上的研究水平与国外还具有一定的差距，在基于人体运动学辅助的行人定位算法研究方面尚处于起步阶段。其只能实现正常行走模态下的行人定位导航技术，而且多采用了额外设备辅助惯导的方式，既极大增加了成本，又约束了其适用范围，因此，迫切需要研究一种基于人体运动学建模辅助的定位技术，基于运动学特征建立人体运动模型，实时判别人体运动模式，实现在没有卫星导航与无线通信信号下人体多模态的自主实时移动定位。对于单一自主的惯性导航，低成本的MEMS捷联解算高度误差较大，而且发散速度较快，必须要经过有效的修正，才能确保高度计算精度实际可用。捷联解算的航向误差也较大，容易发生波动，导致导航结果与实际路线不符，必须要经过有效的修正，才能提高导航结果的精度。行人在实际运动过程中存在多种运动模态，如快速行走、跑步、上下楼梯、跳跃等，同时，不同的人在运动过程中步态间也存在较大差异，步态的检测与分辨困难；而现有的国内外研究主要集中在行人的正常行走模态的辨识，对于快速行走、跑步、上下楼梯、跳跃等还鲜有提及。
技术实现思路
为了解决上述存在的问题，本专利技术公开了基于人体运动模型辅助的穿戴式行人导航定位方法和设备，提供在GPS信号以及无线通讯信号失效时行人的连续导航定位方法，该方法能够在行人正常步行，快速行走，慢跑，上下楼梯等运动模态下实现姿态，速度和位置解算，满足复杂应用环境下行人的高精度实时导航定位要求，其具体技术方案如下：基于人体运动模型辅助的穿戴式行人导航定位方法，其特征在于包括以下操作步骤:步骤1：分析人体运动时的步态以及不同运动模态下的惯性传感器输出，所述步态为人体运动时足部与地面的接触情况，所述不同运动模态包括步行、跑步、上下楼梯；步骤2：建立基于人体运动学模型辅助的零速修正判别模型，所述基于人体运动学模型辅助的零速修正判别模型利用加速度计和陀螺仪的输出判断当前时刻是否为足部与地面的接触时刻；步骤3：在步骤1和2的基础上，建立基于地磁辅助捷联惯导解算航向角误差模型，利用磁传感器输出信息计算当地磁航向角；步骤4：在步骤1和2的基础上，建立基于气压高度计辅助捷联惯导解算高度误差模型，利用气压计输出信息计算当地海拔高度。所述步骤1中人体运动步态以及不同运动模态具有以下特征：在正常行走时，行人的双脚交替运动，分为四个阶段：抬脚、跨步、落地和支撑，两只脚交替运动，分别处于不同的时刻，因此，将传感器件固定于其中一只脚上，对其进行运动分析，此时，人体足部不能被视为一个质点，在判断零速时刻时，应对落地、支撑阶段作进一步的分析；当以脚尖上一点为质点时，在落脚阶段，脚后跟先与地面接触，接着以脚后跟为支点整个脚底部逐渐放平直至完全接触地面，即脚尖与地面接触，然后，以脚尖为支点，整个脚底部逐渐抬升直至完全离开地面，即脚尖与地面分离，脚尖上质点与地面的实际接触时间为一个步态期间零速度的时间；行人在快速行走时，步态周期将比正常行走的周期短，但是两者足部的运动过程是相似的，在这两种运动模态下，足部大约有一半的时间是处于抬脚、跨步阶段，而相应地，另一只脚同时处于落地和支撑阶段，在大步行走时，足部运动过程仍然是与正常行走时相似，步态周期更长，这两种运动模态下，足部运动的周期性和对称性并未发生改变；在跑步运动模态中，则不存在这种对称性，当一只脚的后跟落地时，另一条腿可能还在空中，甚至可能出现两条腿同时处于空中的状态，但是，跑步运动模态下一只脚落地支撑阶段的零速时刻与正常行走时是类似的，但其足部与地面的接触时间更短些；在上下楼梯运动模态中，在抬脚阶段增加了高度信息的变化，这并不影响零速时刻的判断，落地支撑阶段，足部的零速时刻与正常行走是类似的，但是，与正常行走模态不同的是，落地阶段不再是脚后跟先接触地面，而是足部的前端先落地，然后以其为支点，脚底部逐渐放平直至完全与地面接触，在实际情况中，行人的脚底部可能并不是完全地与地面接触，通常接触部分只有脚掌的前大半部分，此时，脚后跟是悬空的状态；通过对不同运动模态下IMU惯性传感器件三轴数据信息的采集，能够得出，在不同的运动模态下，陀螺仪和加速度计的三轴输出信息与正常行走时相似，仍然具有周期性，行人在快速行走或跑步较剧烈运动模态下，IMU惯性传感器件的输出变化也更快，此时，IMU惯性传感器件的输出或用于零速判定的条件会失效；在匀速行走等正常模态下，IMU惯性传感器件的输出较为平缓；在上下楼梯运动模态下，能够看出，IMU惯性传感器件的输出更加平缓，为了保持平衡，人体在足部落地阶段需要停留更长的时间。所述步骤2中建立基于人体运动学模型辅助的零速修正判别模型的算法为：在人体行走过程中，足部运动包含抬脚、跨步、落地、支撑四个阶段，在落地支撑阶段存在一段时间足部的速度为零，需要对陀螺仪和加速度计的输出信息进行判断，当满足条件时，即在算法上将速度置零，当检测到足部为零速度时，采用加速度计的测量值重新求解姿态角，以抑制惯导误差的发散：其中，θ、γ依次是俯仰角、横滚角，依次是加速度计的x、y、z三轴输出，g是当地的重力加速度值。所述对陀螺仪和加速度计的输出信息进行判断用的判断方法是：以陀螺仪输出为主判断条件、加速度计输出为辅判断条件的滑动窗口法，滑动窗口的宽度设为N，N的大小根据不同的步态情况设置为不同的值，先设置如下参数：Stdy＝std(datay,0,1)Stdz＝std(dataz,0,1)ωxωyωz依次是陀螺仪x、y、z三轴输出的极本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于人体运动模型辅助的穿戴式行人导航定位方法，其特征在于包括以下操作步骤:步骤1：分析人体运动时的步态以及不同运动模态下的惯性传感器输出，所述步态为人体运动时足部与地面的接触情况，所述不同运动模态包括步行、跑步、上下楼梯；步骤2：建立基于人体运动学模型辅助的零速修正判别模型，所述基于人体运动学模型辅助的零速修正判别模型利用加速度计和陀螺仪的输出判断当前时刻是否为足部与地面的接触时刻；步骤3：在步骤1和2的基础上，建立基于地磁辅助捷联惯导解算航向角误差模型，利用磁传感器输出信息计算当地磁航向角；步骤4：在步骤1和2的基础上，建立基于气压高度计辅助捷联惯导解算高度误差模型，利用气压计输出信息计算当地海拔高度。

【技术特征摘要】
1.基于人体运动模型辅助的穿戴式行人导航定位方法，其特征在于包括以下操作步骤:步骤1：分析人体运动时的步态以及不同运动模态下的惯性传感器输出，所述步态为人体运动时足部与地面的接触情况，所述不同运动模态包括步行、跑步、上下楼梯；步骤2：建立基于人体运动学模型辅助的零速修正判别模型，所述基于人体运动学模型辅助的零速修正判别模型利用加速度计和陀螺仪的输出判断当前时刻是否为足部与地面的接触时刻；步骤3：在步骤1和2的基础上，建立基于地磁辅助捷联惯导解算航向角误差模型，利用磁传感器输出信息计算当地磁航向角；步骤4：在步骤1和2的基础上，建立基于气压高度计辅助捷联惯导解算高度误差模型，利用气压计输出信息计算当地海拔高度。2.根据权利要求1所述的基于人体运动模型辅助的穿戴式行人导航定位方法，其特征在于所述步骤1中人体运动步态以及不同运动模态具有以下特征：在正常行走时，行人的双脚交替运动，分为四个阶段：抬脚、跨步、落地和支撑，两只脚交替运动，分别处于不同的时刻，因此，将传感器件固定于其中一只脚上，对其进行运动分析，此时，人体足部不能被视为一个质点，在判断零速时刻时，应对落地、支撑阶段作进一步的分析；当以脚尖上一点为质点时，在落脚阶段，脚后跟先与地面接触，接着以脚后跟为支点整个脚底部逐渐放平直至完全接触地面，即脚尖与地面接触，然后，以脚尖为支点，整个脚底部逐渐抬升直至完全离开地面，即脚尖与地面分离，脚尖上质点与地面的实际接触时间为一个步态期间零速度的时间；行人在快速行走时，步态周期将比正常行走的周期短，但是两者足部的运动过程是相似的，在这两种运动模态下，足部大约有一半的时间是处于抬脚、跨步阶段，而相应地，另一只脚同时处于落地和支撑阶段，在大步行走时，足部运动过程仍然是与正常行走时相似，步态周期更长，这两种运动模态下，足部运动的周期性和对称性并未发生改变；在跑步运动模态中，则不存在这种对称性，当一只脚的后跟落地时，另一条腿可能还在空中，甚至可能出现两条腿同时处于空中的状态，但是，跑步运动模态下一只脚落地支撑阶段的零速时刻与正常行走时是类似的，但其足部与地面的接触时间更短些；在上下楼梯运动模态中，在抬脚阶段增加了高度信息的变化，这并不影响零速时刻的判断，落地支撑阶段，足部的零速时刻与正常行走是类似的，但是，与正常行走模态不同的是，落地阶段不再是脚后跟先接触地面，而是足部的前端先落地，然后以其为支点，脚底部逐渐放平直至完全与地面接触，在实际情况中，行人的脚底部可能并不是完全地与地面接触，通常接触部分只有脚掌的前大半部分，此时，脚后跟是悬空的状态；通过对不同运动模态下IMU惯性传感器件三轴数据信息的采集，能够得出，在不同的运动模态下，陀螺仪和加速度计的三轴输出信息与正常行走时相似，仍然具有周期性，行人在快速行走或跑步较剧烈运动模态下，IMU惯性传感器件的输出变化也更快，此时，IMU惯性传感器件的输出或用于零速判定的条件会失效；在匀速行走等正常模态下，IMU惯性传感器件的输出较为平缓；在上下楼梯运动模态下，能够看出，IMU惯性传感器件的输出更加平缓，为了保持平衡，人体在足部落地阶段需要停留更长的时间。3.根据权利要求2所述的基于人体运动模型辅助的穿戴式行人导航定位方法，其特征在于所述步骤2中建立基于人体运动学模型辅助的零速修正判别模型的算法为：在人体行走过程中，足部运动包含抬脚、跨步、落地、支撑四个阶段，在落地支撑阶段存在一段时间足部的速度为零，需要对陀螺仪和加速度计的输出信息进行判断，当满足条件时，即在算法上将速度置零，当检测到足部为零速度时，采用加速度计的测量值重新求解姿态角，以抑制惯导误差的发散：其中，θ、γ依次是俯仰角、横滚角，依次是加速度计的x、y、z三轴输出，g是当地的重力加速度值...

【专利技术属性】
技术研发人员：张苗，熊智，曾庆化，许建新，黄欣，殷德全，王钲淳，徐丽敏，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32