基于MEMS传感器的自适应零速修正行人导航方法技术

本发明专利技术公开了一种基于MEMS传感器的自适应零速修正行人导航方法，在分析人体多方位运动时的步态以及不同运动模态下的MEMS传感器输出的基础上，提出零速修正判别算法辅助捷联惯导解算以修正捷联解算的速度位置等信息随时间发散的问题；同时根据行人的实际运动特性建立自适应零速修正模型，实时改变零速判别阈值。本发明专利技术很好地解决了不同行人不同运动模态下的纯惯性解算下速度位置的发散问题，提高了人体多方位运动时行人导航定位的自适应性和可靠性。

Adaptive zero speed modified pedestrian navigation based on MEMS sensor

The invention discloses an adaptive MEMS sensor zero velocity correct pedestrian navigation method based on MEMS based sensor output in multiple motion analysis of human gait and different motion modes on the proposed zero velocity update algorithm of strapdown inertial navigation system aided by solution to repair speed and position information are strap solver with at the same time according to the time of divergence; the actual movement characteristics of pedestrians an adaptive zero speed correction model, real-time change of zero speed discrimination threshold. The present invention solves the divergence problem of velocity location under pure pedestrian solution with different pedestrian modes, and improves the adaptability and reliability of pedestrian navigation and location under multi-directional motion.

【技术实现步骤摘要】
基于MEMS传感器的自适应零速修正行人导航方法
本专利技术涉及组合导航
，尤其涉及一种基于MEMS传感器的自适应零速修正行人导航方法。
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。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MEMS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。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。同时，现有的零速检测方法无法适应基于不同器件下不同行人步态、不同运动模态的缺陷，还需要进行更深入的研究。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
中所涉及到的缺陷，提供一种基于MEMS传感器的自适应零速修正行人导航方法。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：基于MEMS传感器的自适应零速修正行人导航方法，包含以下步骤：步骤1），将内部集成加速度计和陀螺仪的MEMS传感器固定于行人足部脚背位置；步骤2），MEMS传感器实时采集行人运动过程中的加速度和角加速度信息，其中，利用加速度计实时采集加速度信息、利用陀螺仪实时采集角加速度信息，并进行保存；步骤3），根据加速度计和陀螺仪在不同运动模态下的输出信息建立行人的运动判别模型，基于所述行人的运动判别模型判别行人的运动模态；所述不同运动模态包括前向行走、后退行走、左横向行走、右横向行走以及综合运动模态；步骤4），对行人当前的动作设置时间窗口，计算时间窗口内加速度和角加速度的均值、模值信息后并将计算所得出的值重新设置为加速度阈值和角加速度阈值；步骤5），判断行人当前是否处于零速时刻：当加速度计的输出值小于所述加速度阈值并且陀螺仪的输出值小于所述角加速度阈值时，认为行人此时的速度为零；步骤5.1），如果行人当前处于零速时刻，进行捷联惯导解算，并对解算的结果进行零速修正，即将捷联惯导解算出的速度人为地置零；步骤5.2），如果行人当前不处于零速时刻，进行捷联惯导解算，得到行人的姿态、速度和位置信息。由于行人的运动时足部的加速度和角速度值并不完全保持不变，因此所设的阈值需要根据行人的实际运动状态变化，才能准确判断其落地区间。但由于行人的运动无法瞬间发生变化，设置时间窗口对加速度值和角速度值进行分析，得到加速度和角加速度的均值、模值信息，并用新的均值和模值信息实时更新零速修正的阈值：即加速度阈值和角加速度阈值，对当前的行人运动状态进行判断和修正。时间窗口根据具体的运动状态进行设定，通常为一个运动周期的1%~2%，例如，行人正常行走，一个运动周期约为1秒，不同的行人步频不一致，有细微的差别，则此时的时间窗口可设为0.1秒~0.2秒；若行人跑步，则一个运动周期会缩短，约为0.7秒，甚至更短，此时的时间窗口就要相应地设得短一点，更新频率可以快一点。由于捷联惯导解算过程中会带来随时间积累的误差，根据行人在实际运动过程中会有一段时间足部是完全落地的，此时的速度可认为是零。当加速度计的输出值小于所述加速度阈值并且陀螺仪的输出值小于所述角加速度阈值时，认为行人此时的速度为零，在程序中将捷联解算的速度直接置零，并根据加速度计信息重新解算姿态角。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术基于低成本MEMS传感器对行人运动进行分析，在分析人体多方位运动时的步态以及不同运动模态下的MEMS传感器输出的基础上，提出零速修正判别算法辅助捷联惯导解算以修正捷联解算的速度位置等信息随时间发散的问题；同时根据行人的实际运动特性建立自适应零速修正模型，实时改变零速判别阈值。本专利技术很好地解决了不同行人不同运动模态下的纯惯性解算下速度位置的发散问题，提高了人体多方位运动时行人导航定位的自适应性和可靠性。附图说明图1为本专利技术中捷联惯导算法框图；图2为本专利技术中行人导航程序算法流程图具体实施方式；图3为本专利技术中前进-后退运动陀螺仪原始数据；图4为本专利技术中前进-后退运动加速度计原始数据；图5为本专利技术中多方位运动陀螺仪原始数据；图6为本专利技术中多方位运动加速度计原始数据；图7为本专利技术中的零速检测区间；图8为本专利技术中前进-后退运动模态下的行人二维轨迹显示；图9为本专利技术中前进-后退运动模态下的三轴速度；图10为本专利技术中多方位运动模态下的行人二维轨迹显示；图11为本专利技术中多方位运动模态下的三轴速度。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：本专利技术可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本专利技术的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。本专利技术公开了一种基于MEMS传感器的自适应零速修正行人导航方法，包含以下步骤：步骤1），将内部集成加速度计和陀螺仪的MEMS传感器固定于行人足部脚背位置；步骤2），MEMS传感器实时采集行人运动过程中的加速度和角加速度信息，其中，利用加速度计实时采集加速度信息、利用陀螺仪实时采集角加速度信息，并进行保存；步骤3），根据加速度计和陀螺仪在不同运动模态下的输出信息建立行人的运动判别模型，基于所述行人的运动判别模型判别行人的运动模态；所述不同运动模态包括前向行走、后退行走、左横向行走、右横向行走以及综合运动模态；步骤4），对行人当前的动作设置时间窗口，计算时间窗口内加速度和角加速度的均值、模值信息后并将计算所得出的值重新设置为加速度阈值和角加速度阈值；步骤5），判断行人当前是否处于零速时刻：当加速度计的输出值小于所述加速度阈值并且陀螺仪的输出值小于所述角加速度阈值时，认为行人此时的速度为零；步骤5.1），如果行人当前处于零速时刻，进行捷联惯导解算，并对解算的结果进行零速修正，即将捷联惯导解算出的速度人为地置零；步骤5.2），如果行人当前不处于零速时刻，进行捷联惯导解算，得到行人的姿态、速度和位置信息。如图1所示，本专利技术的基本原理是纯捷联解算：惯性测量单元获取行人运动时的加速度和角加速度信息，经过误差补偿，陀螺仪数据求解四元数并进行规范化，由四元数得到姿态变换矩阵并将获取的加速度计信息进行比力转换，由姿态转换矩阵求解姿态角，由四元数方程和上一时刻的导航信息求解速度和位置信息并输出；如图2所示，本专利技术的算法流程是：先初始化姿态信息和四元数矩阵，导航开始后，实时更新四元数矩阵、姿态、速度、位置等信息，并检测当前时刻是否为零速时刻，如果是，则进行零速修正，否则继续进行纯捷联解算，直到行人终止运动，导航结束。本方案的具体实施方法如下：1.分析人本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于MEMS传感器的自适应零速修正行人导航方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1），将内部集成加速度计和陀螺仪的MEMS传感器固定于行人足部脚背位置；步骤2），MEMS传感器实时采集行人运动过程中的加速度和角加速度信息，其中，利用加速度计实时采集加速度信息、利用陀螺仪实时采集角加速度信息，并进行保存；步骤3），根据加速度计和陀螺仪在不同运动模态下的输出信息建立行人的运动判别模型，基于所述行人的运动判别模型判别行人的运动模态；所述不同运动模态包括前向行走、后退行走、左横向行走、右横向行走以及综合运动模态；步骤4），对行人当前的动作设置时间窗口，计算时间窗口内加速度和角加速度的均值、模值信息后并将计算所得出的值重新设置为加速度阈值和角加速度阈值；步骤5），判断行人当前是否处于零速时刻：当加速度计的输出值小于所述加速度阈值并且陀螺仪的输出值小于所述角加速度阈值时，认为行人此时的速度为零；步骤5.1），如果行人当前处于零速时刻，进行捷联惯导解算，并对解算的结果进行零速修正，即将捷联惯导解算出的速度人为地置零；步骤5.2），如果行人当前不处于零速时刻，进行捷联惯导解算，得到行人的姿态、速度和位置信息。...

【技术特征摘要】
1.基于MEMS传感器的自适应零速修正行人导航方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1），将内部集成加速度计和陀螺仪的MEMS传感器固定于行人足部脚背位置；步骤2），MEMS传感器实时采集行人运动过程中的加速度和角加速度信息，其中，利用加速度计实时采集加速度信息、利用陀螺仪实时采集角加速度信息，并进行保存；步骤3），根据加速度计和陀螺仪在不同运动模态下的输出信息建立行人的运动判别模型，基于所述行人的运动判别模型判别行人的运动模态；所述不同运动模态包括前向行走、后退行走、左横向行走、右横向行走以及综合运...

【专利技术属性】
技术研发人员：张苗，殷德全，熊智，曾庆化，许建新，黄欣，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