一种腰部脚部惯性测量单元信息融合的零速区间确定方法技术

一种腰部脚部惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)信息融合的零速区间确定方法，该方法综合考虑了腰部与脚部运动时的规律，利用规律的互补性进行信息融合，从而准确的确定行走过程中脚部落地的零速时间段。首先，由于脚部在行进过程中存在静止与摆动阶段，并且分界点为脚跟落地时的脉冲点，所以可以通过对脚部IMU数据的脉冲点的识别确定零速区间窗口的起始位置；然后利用腰部的数据确定每一步的周期，取半个周期为窗口长度，准确的确定零速区间段的位置及大小，从而对惯导解算的误差进行修正。本发明专利技术有效的避免了通过阈值设定判断零速区间的个体差异性，能够应用于不同的人不同的运动状态。

A Method for Determining Zero Velocity Range of Information Fusion in Inertial Measurement Unit of Lumbar and Foot

【技术实现步骤摘要】
一种腰部脚部惯性测量单元信息融合的零速区间确定方法
本专利技术涉及一种腰部脚部惯性测量单元信息融合的零速区间确定方法，用于在脚部惯性导航+卡尔曼滤波+零速修正(INS+KALMAN+ZUPT,IEZ)算法中的零速时间段的确定。特别适用于无线信号受遮挡的室内行人导航领域。
技术介绍
很多导航的方式在当今科技发达的时代应运而生，但每一种导航都有各自的局限性。卫星导航被更多的应用于人们的日常生活中，但由于卫星导航受信号影响严重，很难在信号被遮挡的区域，如室内、森林，地下广场，大型商场、大型医院等地方使用。因此，如何不依赖外界信息，能够在任何地方实现自主导航是目前亟需解决的一个问题。针对行人的自主导航，目前存在腰部行人航位推算(PDR)算法以及脚部IEZ算法。相比于腰部的PDR算法，因为脚部运动的规律性，可以在零速区间进行卡尔曼滤波修正，所以脚部的IEZ算法精度会更高。但由于脚部IEZ算法主要通过惯性导航对位置，速度，姿态等信息进行解算，由于惯导的特征，误差随时间发散，很难准确的对行人进行定位，所以其主要问题在于如何准确的识别零速区间，从而在零速区间内对误差更准确的修正，最大程度上抑制惯导误差的发散。目前存在的主流技术为自适应阈值调整法，主要思路为根据不同行人的不同运动状态，设定不同的零速区间判定阈值，但由于每个人的行走习惯不同，行走的快慢不同，即使同一个人也存在不同的运动状态，所以自适应阈值法需要训练大量的样本从而建立阈值库，可以针对不同行人的不同运动状态进行修正，由于个体差异性太大导致实验过于复杂，工作量过大，因此，能够有效的减小工作量的同时，又能准确的对各种不同的人进行准确的定位很有必要。因此，本文主要研究了基于人体运动机理分析的零速区间确定方法。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：针对现有的自适应零速修正方法工作量太大以及个体差异性太大的问题，提出一种腰部脚部IMU信息融合的零速区间确定方法。该方法主要利用腰部及脚部的IMU输出的垂直加速度的信息，通过双窗口法进行波峰波谷的识别，从而利用脚部波谷确定零速窗口的起始位置，利用腰部波峰值确定零速区间窗口的大小，实现不依赖于行人以及行人的运动状态的零速区间的确定。本专利技术的技术解决方案为：腰部脚部IMU信息融合的零速区间确定方法，其特点在于通过下列步骤实现：(1)将IMU安装在脚部鞋带下方以及腰部后方正中间的位置，在行走或其他运动状态中采集行人的加速度以及角速度信息。(2)由于在行人行走的过程中，腰部的IMU会晃动，因此通过切比雪夫滤波对腰部数据进行平滑处理。(3)利用行人在行走前静止的一小段时间对陀螺仪的零偏进行标定。(4)利用加速度计输出计算行人的初始姿态角并利用起步时刻的加计输出标定初始安装误差角。(5)根据行人行走过程中的垂直方向的腰部加速度计输出，利用双窗口法检测出正弦数据的波峰值及波峰值对应的时刻。(6)根据行人行走过程中的垂直方向的脚部加速度计的输出，利用双窗口法检测出行人脚部迈步过程中脚跟落地，与地面碰撞时刻的瞬时脉冲值在时间序列中的位置。(7)进行惯导位置，速度，姿态计算并进行误差修正。专利技术原理：当行人在行走时，由脚部采集到的数据具有一定的规律性，其规律为从脚跟落地开始出现一个向下的脉冲值，所以，利用双窗口法，即可确定每一步出现向下的脉冲值的具体时刻，记作δ：设行人行走的当前时刻为t时刻，双窗口的长度为L，所以，可以计算窗口1记作W1也就是t-2L时刻到t-L时刻以及窗口2记作W2也就是t-L时刻到t时刻的最小值，当两个最小值相等,等于S且同时出现在t-L时刻时，那么t-L时刻即为检测到的瞬时向下脉冲，即min(W1)＝W1(t-L)＝Smin(W2)＝W2(t-L)＝S当出现脚跟落地脉冲时，脚部并非零速时刻，因为真正的脚部零速时刻为全脚掌落地的时刻，而从脚跟着地到全脚掌着地是有一小段时间的，根据人体运动学规律，这一小段时间最多为0.2个行走周期，所以将脚跟着地时刻的序列加上0.2个周期即可以当作零速区间的起始点。可以同理利用双窗口法计算出腰部两峰值，记作M1和M2，其对应的时刻记作T1和T2，因此可以得到相邻两个峰值间的周期，也就是上面说的行走周期，记作T，T＝T1-T2由于腰部运动的规律性，行人的一条腿迈出一步即为一个周期，而在缓慢行走的状态下，当一条腿在向前迈出一步的同时，另一只脚是在地面上保持零速状态的，所以零速区间的长度为T，而在快速行走或者跑步状态下，支撑脚只有从全脚着地到另一只脚迈到中间位置使得两条腿呈站立状时，也就是腰部传感器测量到的垂向加速度达到波谷时为零速时间，因此，为了适应所有的运动状态，选取0.5个周期为零速时间的终点，将窗口的起始点位置记作Wleft，终止点记作Wright，有Wleft＝δ+0.2TWright＝δ+0.5T确定零速区间即可开始行人的惯导解算，根据(1)(2)两式可以计算出载体系到导航系的转换矩阵，在根据载体系下IMU测量的加速度以及角速度可以根据(3)(4)两式解算出行人的实时速度与位置。随着惯导的解算，判断是否进入零速区间段，当进入到零速区间段时，利用卡尔曼滤波，选取三轴速度[VxVyVz]作为量测，同时选取作为待估计的状态量，利用公式(5)可以求解出速度姿态位置误差，并反馈回惯导环节进行校正。Xk＝KkZkPk＝(I-KkHk)Pk,k-1(5)本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)采用双窗口法对脚部落地的脉冲值进行检测，能够准确定位出每一个零速区间的位置。(2)通过检测腰部数据的波峰值确定每一步的周期，窗口长度更加准确。(3)不需要训练大量的样本，人为调整相应的阈值，工作量大大减小。附图说明图1为本专利技术涉及一种腰部脚部IMU信息融合的零速区间确定方法流程图；图2为本专利技术涉及脚部IMU绑定示意图；图3为本专利技术涉及腰部IMU安装示意图。具体实施方式本专利技术技术解决方案的具体实施步骤如图1所示，腰部及脚部IMU安装示意图如图2及图3所示，具体实施步骤如下：1.将IMU安装在脚部鞋带下方以及腰部后方正中间的位置，在行走或其他运动状态中采集行人的加速度以及角速度信息。由于行人的行走具有规律性，所以通过测量行人的加速度及角速度可以解算位置速度等信息并进行修正。2.由于在行人行走的过程中，腰部的IMU会晃动，因此通过切比雪夫滤波对腰部数据进行平滑处理。如果不进行平滑处理，腰部采集到的数据并不是平滑的正弦信号，而是在一个周期内存在很多个峰值与谷值，所以进行平滑处理可以利于后面的周期计算。3.利用行人在行走前静止的一小段时间对陀螺仪的零偏进行标定。陀螺仪存在固有误差，采集到的数据具有一个固定大小的误差，需要在实验前静止几秒钟的时间采集陀螺仪的数据，将这些数据的平均值作为这个陀螺仪零偏的大小进行标定。4.利用加速度计输出计算行人的初始姿态角并利用起步时刻的加计输出标定初始安装误差角。IMU的安装本应该是航向与行人行走的方向一致的，但由于安装误差的原因，IMU的航向与行人的航向间存在夹角，需要采集加速度计的三轴数据对安装误差角进行标定。5.根据行人行走过程中的垂直方向的腰部加速度计输出，利用双窗口法检测出正弦数据的波峰值及波峰值对应的时刻，相邻两个波峰值的时间差作为行走每一步的周期T，周期的一半作为零速区本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种腰部脚部惯性测量单元信息融合的零速区间确定方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将IMU安装在脚部鞋带下方以及腰部后方正中间的位置，在行走或其他运动状态中采集行人的加速度以及角速度信息。(2)由于在行人行走的过程中，腰部的IMU会晃动，因此通过切比雪夫滤波对腰部数据进行平滑处理。(3)利用行人在行走前静止的一小段时间对陀螺仪的零偏进行标定。(4)利用加速度计输出计算行人的初始姿态角并利用起步时刻的加计输出标定初始安装误差角。(5)根据行人行走过程中的垂直方向的腰部加速度计输出，利用双窗口法检测出正弦数据的波峰值及波峰值对应的时刻。(6)根据行人行走过程中的垂直方向的脚部加速度计的输出，利用双窗口法检测出行人脚部迈步过程中脚跟落地，与地面碰撞时刻的瞬时脉冲值在时间序列中的位置。(7)进行惯导位置，速度，姿态计算并进行误差修正。

【技术特征摘要】
1.一种腰部脚部惯性测量单元信息融合的零速区间确定方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将IMU安装在脚部鞋带下方以及腰部后方正中间的位置，在行走或其他运动状态中采集行人的加速度以及角速度信息。(2)由于在行人行走的过程中，腰部的IMU会晃动，因此通过切比雪夫滤波对腰部数据进行平滑处理。(3)利用行人在行走前静止的一小段时间对陀螺仪的零偏进行标定。(4)利用加速度计输出计算行人的初始姿态角并利用起步时刻的加计输出标定初始安装误差角。(5)根据行人行走过程中的垂直方向的腰部加速度计输出，利用双窗口法检测出正弦数据的波峰值及波峰值对应的时刻。(6)根据行人行走过程中的垂直方向的脚部加速度计的输出，利用双窗口法检测出行人脚部迈步过程中脚跟落地，与地面碰撞时刻的瞬...

【专利技术属性】
技术研发人员：张延顺，李莹月，李明，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11