一种基于穿戴式IMU的建筑物楼层间行人轨迹跟踪方法及系统技术方案

本发明专利技术实施例中提供了基于穿戴式IMU的建筑物楼层间行人轨迹跟踪方法，所述方法包括：接收IMU发送的实时采集数据；根据所述实时采集数据确定并实时更新行人的速度、位置、姿态角及旋转矩阵；根据所述实时采集数据判别行人的步态，并根据所述步态获得行人分别在平面和高度方向运动的距离和位置；根据所述行人分别在平面和高度方向运动的距离和位置以及行人的速度和位置获得行人的行走轨迹。本发明专利技术实施例还提供了一种基于穿戴式IMU的建筑物楼层间行人轨迹跟踪系统。本发明专利技术适用于复杂环境中的消防抢险、突发事件中的紧急救援、未知环境中自我定位及目标找寻无法预知自身位置等关键问题。

A pedestrian tracking method and system for building storey based on wearable IMU

In the embodiment of the invention, a pedestrian track tracking method based on a wearable IMU is provided. The method includes receiving real-time acquisition data sent by IMU, determining and updating the speed, position, attitude angle and rotating moment array of pedestrians according to the real-time acquisition data, and discriminating according to the real-time acquisition data. The gait of pedestrians and the distance and position of pedestrians moving in plane and high direction are obtained according to the gait, and the walking track of pedestrians is obtained according to the distance and position of the pedestrians moving in the plane and the height direction respectively, and the speed and position of the pedestrians. The embodiment of the invention also provides a pedestrian tracking system for building floors based on wearable IMU. The invention is suitable for the key problems such as fire emergency rescue, emergency rescue in unexpected events, self positioning in unknown environment and unpredictable location of target in unknown environment.

【技术实现步骤摘要】
一种基于穿戴式IMU的建筑物楼层间行人轨迹跟踪方法及系统
本专利技术涉及室内导航技术，具体地，涉及一种基于穿戴式IMU的建筑物楼层间行人轨迹跟踪方法及系统。
技术介绍
近年来，行人导航已成为导航定位领域一个活跃的分支。在城市、室内、地下等卫星信号受限的环境中，行人导航系统可实时监测人员的位置信息，有效地解决“我在哪里”、“我应该在哪里”、“如何到达目的地”等问题，快速准确地为行人提供导航与定位服务。因此，行人导航系统研究对复杂环境中的消防抢险、突发事件中的紧急救援、未知环境中的自我定位及目标找寻等都具有重要的意义。在室外环境下，GPS能够提供精确的定位导航服务,但在室内环境中,由于建筑内部构造的复杂性和屏蔽性，GPS定位导航无法满足用户室内精准定位的需求。目前，室内定位和导航大多依赖于室内平面图的约束,而其构造往往需要大量的人工勘测(如室内公共场所：医院、大型商场、火车站等),大大降低室内定位导航系统的可扩展性。而且，传统室内定位技术主要依靠WIFI或路标的导航方案，其采集信息单一，后期维护成本高，且容易受到室内墙体影响，比如因信号衰变而导致的较大定位误差。IMU因具备体积小、质量小、可操作性强、抗干扰性好等优点，正逐步在室内外定位和导航工程中得到了广泛应用。通常情况下，IMU平台包含有一个3轴的加速度计和一个3轴的陀螺仪，加速度计传感器可以实时的反馈行人的运动中的加速度信息，陀螺仪测量的是运动物体的角速度，通过积分可以得出运动物体的角度。通过这两个传感器在理想的情况下可以直接测得行人的轨迹，但是由于IMU存在漂移和积分误差，导致定位结果很不稳定，特别是垂直方向，由于重力加速度的影响，导致高度向位移的解算存在很大的偏差。针对该问题，常规解决方案是使用IMU结合气压计的方法计算楼梯高度以实现垂直方向定位，但气压计容易受温度、气流强度等因素影响，在火灾等恶劣环境中难以实现垂直高度向的定位精度。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例期望提供一种基于穿戴式IMU的建筑物楼层间行人轨迹跟踪方法及系统，能够提供水平向和垂直高度向的高精度轨迹导航服务，以解决复杂环境中的消防抢险、突发事件中的紧急救援、未知环境中的自我定位及目标找寻位置预知等关键问题。为达到上述目的，本专利技术实施例的技术方案是这样实现的：本专利技术实施例提供一种基于穿戴式IMU的建筑物楼层间行人轨迹跟踪方法，所述方法包括：接收IMU发送的实时采集数据；根据所述实时采集数据确定并实时更新行人的速度、位置、姿态角及旋转矩阵；根据所述实时采集数据判别行人的步态，并根据所述步态获得行人分别在平面和高度方向运动的距离和位置；根据所述行人分别在平面和高度方向运动的距离和位置以及行人的速度和位置获得行人的行走轨迹。优选地，所述根据所述实时采集数据确定并实时更新行人的速度、位置、姿态角及旋转矩阵的具体过程包括：根据所述实时采集数据标定行人运动轨迹，并根据所述行人运动轨迹判断所述行人的运动状态；根据所述实时采集数据确定行人初始姿态角及旋转矩阵；根据所述行人运动轨迹、行人运动状态、行人初始姿态角及旋转矩阵获得行人速度和位置，并根据所述采集数据对行人速度、位置、姿态角及旋转矩阵进行更新。优选地，所述行人的运动状态包括行走状态或静止状态。优选地，所述方法还包括在根据所述行人运动轨迹、行人运动状态、行人初始姿态角及旋转矩阵获得行人速度和位置之前对行人的运动轨迹进行零速修正的步骤。优选地，所述方法还包括在接收IMU发送的实时采集数据之后对所述IMU进行零偏校正的步骤。本专利技术实施例还提出了一种基于穿戴式IMU的建筑物楼层间行人轨迹跟踪系统，所述系统包括：IMU，佩戴在行人身上，用于检测行人的运动姿态；处理器，其被配置具有处理器可执行指令以执行操作，使得：根据所述实时采集数据确定并实时更新行人的速度、位置、姿态角及旋转矩阵；根据所述实时采集数据判别行人的步态，并根据所述步态获得行人分别在平面和高度方向运动的距离和位置；根据所述行人分别在平面和高度方向运动的距离和位置以及行人的速度和位置获得行人的行走轨迹。优选地，所述处理器还被配置具有处理器可执行指令以执行操作，使得：根据所述实时采集数据标定行人运动轨迹，并根据所述行人运动轨迹判断所述行人的运动状态；根据所述实时采集数据确定行人初始姿态角及旋转矩阵；根据所述行人运动轨迹、行人运动状态、行人初始姿态角及旋转矩阵获得行人速度和位置，并根据所述采集数据对行人速度、位置、姿态角及旋转矩阵进行更新。优选地，所述行人的运动状态包括行走状态或静止状态。优选地，所述处理器还被配置具有处理器可执行指令以执行操作，使得：在根据所述行人运动轨迹、行人运动状态、行人初始姿态角及旋转矩阵获得行人速度和位置之前对行人的运动轨迹进行零速修正。优选地，所述处理器还被配置具有处理器可执行指令以执行操作，使得：在接收IMU发送的实时采集数据之后对所述IMU进行零偏校正。本专利技术的有益效果如下：本专利技术针对IMU存在漂移和积分误差，特别是重力加速度的影响方面，对IMU数据进行零偏校正，进而得到较为准确的水平向的位移。然后根据行人的步态特征，区分上下楼和走平地的不同特点，进而判断行人是在走平地、上楼还是下楼。本专利技术只需使用惯性传感器即可在行人室内定位中得到精确地位置信息，避免了多源传感器进行数据处理和融合的复杂性和工作冗余，以解决复杂环境中的消防抢险、突发事件中的紧急救援、未知环境中自我定位及目标找寻无法预知自身位置等关键问题。附图说明图1为本实施例所述的基于穿戴式IMU的建筑物楼层间行人轨迹跟踪方法的流程图；图2为本实施例所述的接收IMU发送的实时采集数据，根据所述实时采集数据确定并实时更新行人的速度、位置、姿态角及旋转矩阵的流程图；图3为本实施例所述的基于零速检测的步态识别结果图；图4为本实施例所述的基于参数优化后的步态识别结果图；图5为本实施例所述的优化前真实轨迹和重建轨迹的示意图；图6为本实施例所述的优化后真实轨迹和重建轨迹的示意图；图7为本实施例所述的使用线性步态判别函数后的纯惯导三维定位结果图；图8为本实施例所述的只采用纯惯导三维室内定位结果图；图9为本实施例所述的使用气压计加惯性传感器的室内定位结果图。具体实施方式为了使本专利技术实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本专利技术的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本专利技术的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。如图1所示，本实施例提出了一种基于穿戴式IMU的建筑物楼层间行人轨迹跟踪方法，所述方法具体包括：S101，对IMU进行零偏校正。具体的，在行人打开设备行走之前，会有10s至20s静止的阶段，利用零速检测原理，找到行人刚开始有动作时产生的数据位置，将该数据位置之前的所有数据做平均，记录下平均值的大小为b，将此均值b视为传感器测量数据本身带有的偏差，因此需要将此点位置之后的点所产生的数据均减去b，这样可以减少误差的影响。S102，接收IMU发送的实时采集数据，根据所述实时采集数据确定并实时更新行人的速度、位置、姿态角及旋转矩阵。如图2所示，所述S102还具体包括如下步骤：S1021，根据所述实时采集数据标定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于穿戴式IMU的建筑物楼层间行人轨迹跟踪方法，其特征在于，所述方法包括：接收IMU发送的实时采集数据；根据所述实时采集数据确定并实时更新行人的速度、位置、姿态角及旋转矩阵；根据所述实时采集数据判别行人的步态，并根据所述步态获得行人分别在平面和高度方向运动的距离和位置；根据所述行人分别在平面和高度方向运动的距离和位置以及行人的速度和位置获得行人的行走轨迹。

【技术特征摘要】
1.一种基于穿戴式IMU的建筑物楼层间行人轨迹跟踪方法，其特征在于，所述方法包括：接收IMU发送的实时采集数据；根据所述实时采集数据确定并实时更新行人的速度、位置、姿态角及旋转矩阵；根据所述实时采集数据判别行人的步态，并根据所述步态获得行人分别在平面和高度方向运动的距离和位置；根据所述行人分别在平面和高度方向运动的距离和位置以及行人的速度和位置获得行人的行走轨迹。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述实时采集数据确定并实时更新行人的速度、位置、姿态角及旋转矩阵的具体过程包括：根据所述实时采集数据标定行人运动轨迹，并根据所述行人运动轨迹判断所述行人的运动状态；根据所述实时采集数据确定行人初始姿态角及旋转矩阵；根据所述行人运动轨迹、行人运动状态、行人初始姿态角及旋转矩阵获得行人速度和位置，并根据所述采集数据对行人速度、位置、姿态角及旋转矩阵进行更新。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述行人的运动状态包括行走状态或静止状态。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在根据所述行人运动轨迹、行人运动状态、行人初始姿态角及旋转矩阵获得行人速度和位置之前对行人的运动轨迹进行零速修正的步骤。5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在接收IMU发送的实时采集数据之后对所述IMU进行零偏校正的步骤。6.一种基于穿戴式IMU的建筑物楼层间行人轨迹跟踪系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：金学波，王彬彬，彭世禹，孔建磊，苏婷立，
申请(专利权)人：北京工商大学，
类型：发明
国别省市：北京,11