一种在线校准步长、修正运动偏差角和自适应能量管理的行人导航方法技术

本发明专利技术公开了一种在线校准步长、运动偏差角修正和自适应能量管理的行人导航方法，属于行人导航领域。该方法首先在初始化阶段基于滤波进行位置姿态更新，然后在此基础上对步长模型进行标定并基于滤波进行行人运动方向修正；最后在初始化阶段结束后进行步长加方向的位置推算。在此过程中提出一套自适应的能量管理测略：增加陀螺休眠机制，满足特定条件下进行唤醒；在初始化阶段选择高采样率，进入正式的位置推算阶段进行降采样处理。通过使用本方法进行行人导航位置推算，避免了离线校准，并且对行人运动方向进行修正，同时使用自适应能量管理策略，有效降低了能耗。

A pedestrian navigation method based on on-line calibration of step size, correction of motion deviation angle and adaptive energy management

【技术实现步骤摘要】
一种在线校准步长、修正运动偏差角和自适应能量管理的行人导航方法
本专利技术属于行人导航
，具体是一种在线校准步长、修正运动偏差角和自适应能量管理的行人导航方法。
技术介绍
近几十年来，随着微电子机械(MEMS)技术的发展，MEMS惯性传感器被广泛应用于行人导航。由三轴陀螺仪和三轴加速度计构成的MEMS惯性传感器通常附着在人体的某一部位上，用于运动监测或生物医学等目的。现有的基于惯性器件技术的行人导航代表性方法主要可分为两类。一类是基于捷联惯导的力学编排计算方法。由于受陀螺仪和加速度计的固有漂移与零偏影响，捷联惯性系统的导航误差迅速增大，不可避免地导致结果发散。为了解决这一问题，人们对零速更新(ZUPT)方法进行了大量的研究，将零速视为行走姿态阶段的伪测量引入其中。ZUPT被证明能够有效地补偿惯性传感器漂移并重置系统部分累积误差。为了保持良好的航向精度和抑制陀螺仪的垂向漂移，磁力计越来越普遍地与惯性传感器在大规模低成本装置上集成，被称为MARG传感器，包含磁强计、角速率和重力传感器阵列。为了最佳地融合MARG传感器数据，发展了各种线性或非线性卡尔曼滤波器(KF)如传统KF、扩展KF、无味KF和粒子KF，用以估计一个人的位置和方向。另一类方法是基于航位推算的行人导航方法。它递推地在每个检测步骤中计算行人步长和行走方向。然而，现有的航位推算法在使用前需要用足够的个人离线数据集校准步长参数。这一点是它作为产品便捷使用的主要障碍。此外，尽管有很多学者在汽车导航领域已经讨论并修正了由于安装的传感器框架和定义的车身框架不一致而导致的各种类型的失调角，然而目前还没有文献对步行导航中与人的步态相关的航向偏差角补偿问题进行研究。值得指出的是，这种航向偏差角因人和步态而异。能量管理是可穿戴设备的另一个关键问题。对于行人导航应用而言，与加速度计或磁强计相比，陀螺仪消耗的能量要更为显著。例如，根据STMicroelectronics公司的官方用户手册，其典型产品MEMS陀螺仪LSGD20和加速度计LIS3DH，前者工作电流约6.1毫安，而后者仅约为11为微安。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种在线校准步长、修正运动偏差角和自适应能量管理的行人导航方法。该专利技术主要解决三个问题：第一，针对不同使用者的不同运动行为涉及步长模型进行在线标定；第二，对行人导航中与步态相关的运动方向偏差进行修正；第三，自适应能量管理策略：在推算过程中基于加速度信息进行运动行为智能检测与分类，根据运动行为自适应调整系统采样率；并引入陀螺休眠机制，在检测到明显运动行为变化后进行唤醒，达到降低能耗的目的。本专利技术的技术方案为：一种在线校准步长、修正运动偏差角和自适应能量管理的行人导航方法，具体包括以下步骤：步骤1：采用MARG传感器获取行人位置、速度、姿态数据；步骤2：行人开始运动后进入“捷联惯导推算”阶段，基于惯性推算方法进行行人位置姿态更新；步骤3：进行行人步态检测，以每一步为单位进行分割；步骤4：进行行人步长在线标定；步骤5：进行行人航向偏差角修正；步骤6：检测总位移是否达预设长度，如否，则转至步骤2；如是，MARG传感器中陀螺仪进行休眠，转至步骤7；步骤7：进入“步态航位推算”阶段位置推算。进一步的，所述步骤2的具体方法为：在每一时刻接收到MARG元件数据后，进行位置速度姿态更新，具体如下：进行k时刻的位置速度姿态推算：上标n表示导航坐标系n系，下标k表示第k时刻，表示从b系到n系的姿态旋转矩阵，f表示比力，I3表示3维的单位阵，Δt表示采样时间间隔，g表示重力加速度，v表示速度矢量，ω表示角速度，加速度计与陀螺仪的测量误差将导致位置、速度、姿态误差逐渐积累，通过构建滤波器进行实时误差估计与补偿xI：其中上标T表示矩阵转置，表示失准角，δp表示位置误差，δv表示速度误差，δω表示角速率偏差，δa表示加速度偏差；建立滤波状态方程：其中，w表示过程噪声，服从高斯分布w～N(0,Q)，转移矩阵为进行一步预测：P表示位置矢量，建立量测更新方程：其中H表示观测涉及矩阵，ε表示观测噪声，服从高斯分布ε～N(0,R)；基于零速检测结果及磁力计解算的偏航角，确定量测矢量与量测设计矩阵其中，ψmag,k表示借助磁力计计算的航向角，ψgyro,k表示借助陀螺仪计算的航向角，D表示偏航误差角与失准角间的转移关系，D＝[-sinψtanγ-cosψtanγ1]，γ表示姿态俯仰角；进行量测更新，得到最终状态估计量及其方差：其中，K表示滤波器增益矩阵；将误差量返回公式(1)中进行修正，由此完成了一个周期的位置更新。进一步的，所述步骤7的具体步骤为：步骤7-1：基于加速度数据进行步态检测与分割；步骤7-2：对行为模式进行检测，如检测到该模式已标定，则执行7-3，否则执行步骤2；步骤7-3：利用标定完成的步长公式计算每一步的步长；步骤7-4：借助磁力计计算每一步的偏航角；步骤7-5：对每一步的航向进行偏差修正，得到实际运动方向；步骤7-6：利用每一步的步长与修正后的方向，进行位置推算。本专利技术公开了一种在线校准步长、运动偏差角修正和自适应能量管理的行人导航方法。该方法在初始化阶段基于惯性推算进行位置姿态更新，在此基础上对步长模型进行标定；基于滤波的行人运动方向修正；在初始化阶段结束后进行步长加方向方法的位置推算；并提出一套自适应的能量管理测略：增加陀螺休眠机制，只有满足条件时才进行唤醒；在初始化阶段选择高采样率，进入正式的位置推算阶段则进行降采样处理。通过使用本方法进行行人导航位置推算，避免了离线校准，通过对与步态相关的运动方向进行修正，提高导航推算精度，同时使用自适应能量管理策略，有效节省系统能耗。附图说明图1是工作模式流程图。图2是行人步态方向偏差角示意图。图3是工作模式切换图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术中的在线校准步长、运动偏差角修正和自适应能量管理的行人导航方法进行详细说明：为描述方便，对下文出现的符号定义如下：表1角标定义表2符号定义步骤1：安装好MARG传感器后，静止数秒，用于传感器数据统计特征分析及直流分量确定。步骤2：开始运动后，基于零速检测辅助的力学编排惯性推算位置姿态，此阶段记为“惯导推算”阶段，具体步骤如下：在每一时刻接收到MARG元件数据后，进行位置速度姿态更新，具体如下：进行k时刻的位置速度姿态推算：加速度计与陀螺仪的测量误差将导致位置、速度、姿态误差逐渐积累，通过构建滤波器进行实时误差估计与补偿：建立滤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在线校准步长、修正运动偏差角和自适应能量管理的行人导航方法，具体包括以下步骤：/n步骤1：采用MARG传感器获取行人位置、速度、姿态数据；/n步骤2：行人开始运动后进入“捷联惯导推算”阶段，基于惯性推算方法进行行人位置姿态更新；/n步骤3：进行行人步态检测，以每一步为单位进行分割；/n步骤4：进行行人步长在线标定；/n步骤5：进行行人航向偏差角修正；/n步骤6：检测总位移是否达预设长度，如否，则转至步骤2；如是，MARG传感器中陀螺仪进行休眠，转至步骤7；/n步骤7：进入“步态航位推算”阶段位置推算。/n

【技术特征摘要】
1.一种在线校准步长、修正运动偏差角和自适应能量管理的行人导航方法，具体包括以下步骤：
步骤1：采用MARG传感器获取行人位置、速度、姿态数据；
步骤2：行人开始运动后进入“捷联惯导推算”阶段，基于惯性推算方法进行行人位置姿态更新；
步骤3：进行行人步态检测，以每一步为单位进行分割；
步骤4：进行行人步长在线标定；
步骤5：进行行人航向偏差角修正；
步骤6：检测总位移是否达预设长度，如否，则转至步骤2；如是，MARG传感器中陀螺仪进行休眠，转至步骤7；
步骤7：进入“步态航位推算”阶段位置推算。


2.如权利要求1所述的一种在线校准步长、修正运动偏差角和自适应能量管理的行人导航方法，其特征在于所述步骤2的具体方法为：
在每一时刻接收到MARG元件数据后，进行位置速度姿态更新，具体如下：
进行k时刻的位置速度姿态推算：



上标n表示导航坐标系n系，下标k表示第k时刻，表示从b系到n系的姿态旋转矩阵，f表示比力，I3表示3维的单位阵，Δt表示采样时间间隔，g表示重力加速度，v表示速度矢量，ω表示角速度，加速度计与陀螺仪的测量误差将导致位置、速度、姿态误差逐渐积累，通过构建滤波器进行实时误差估计与补偿xI：



其中上标T表示矩阵转置，表示失准角，δp表示位置误差，δv表示速度误差，δω表示角速率偏差，δa表示加速度偏差；
建立滤波状态方程：



其中，w表示过程噪声，服从高斯...

【专利技术属性】
技术研发人员：周泽波，张泽亮，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51