一种基于人体四节点运动约束的行人导航定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于人体四节点运动约束的行人导航定位方法，该方法首先根据采集的行人的IMU数据估计零速检测阈值，再根据预处理后的IMU数据解算行人的姿态、速度、位置信息，建立行人运动步态检测模型，利用估计的零速状态阈值进行零速检测，若处于零速状态，则进行零速修正，得到修正后的位置、速度，而后根据基于双足不等式约束的滤波方法对行人航向进行修正。本发明专利技术解决了变速/剧烈/快速运动下零速状态缺失时，导航系统累积误差难以抑制的问题，具有实时性好，运算量小的优势，提高了零速检测精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于人体四节点运动约束的行人导航定位方法
本专利技术涉及一种行人导航定位方法，尤其涉及一种基于人体四节点运动约束的行人导航定位方法。
技术介绍
近年来，随着室内定位技术的发展，适用于走路等稳态运动下的室内导航算法已经相对比较成熟。但是在消防救援、井下勘探、单兵作战等任务中，特种行业人员往往需要进行跑步、跨越等剧烈运动，这就对传统的导航方法提出了挑战。同时，在以上行业中要求导航设备便携、可穿戴，能够在复杂的室内环境进行精确定位。传统的基于UWB、WIFI、蓝牙等无线射频设备的室内定位技术，成本高且不便携，无法满足以上导航需求。惯性系统体积小、成本低可用于穿戴式行人导航，但是由于器件存在累积误差，在剧烈运动情况下会导致定位结果发散。目前，足绑式惯性导航系统往往采用单节点导航模式，其核心算法主要是零速检测和零速修正。但是在快速运动下，单节点的惯性导航系统存在零速检测率低，零速时刻短甚至缺失的问题，难以保证高精度的行人定位导航要求。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提出一种可以在剧烈运动下定位准确的行人导航定位方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于人体四节点约束的行人导航定位方法，其特征在于，包括步骤：/n(1)采集行人足部IMU数据，利用运动特征概率统计的方法，估计零速检测阈值；/n(2)对所述足部IMU数据进行预处理，进行姿态、速度、位置解算；/n(3)建立腿部及足部四节点的步态检测模型，利用估计的零速状态阈值进行零速检测；/n(4)若处于零速状态，则进行零速修正，得到修正后的位置、速度，否则不修正；/n(5)计算双脚的距离，当双足距离大于最大步长时，利用基于双足不等式约束的滤波方法对行人航向进行修正，得到修正后的位置、速度和姿态；否则重复步骤(2)-(5)。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于人体四节点约束的行人导航定位方法，其特征在于，包括步骤：
(1)采集行人足部IMU数据，利用运动特征概率统计的方法，估计零速检测阈值；
(2)对所述足部IMU数据进行预处理，进行姿态、速度、位置解算；
(3)建立腿部及足部四节点的步态检测模型，利用估计的零速状态阈值进行零速检测；
(4)若处于零速状态，则进行零速修正，得到修正后的位置、速度，否则不修正；
(5)计算双脚的距离，当双足距离大于最大步长时，利用基于双足不等式约束的滤波方法对行人航向进行修正，得到修正后的位置、速度和姿态；否则重复步骤(2)-(5)。


2.根据权利要求1所述的基于人体四节点约束的行人导航定位方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：以各足部安装的惯性传感器的中心为坐标原点O，前向为Y轴，X轴垂直于Y轴指向右侧，Z轴指向上，采集足部两节点惯性传感器输出的数据，根据数据对行人运动特征进行频域统计，取特征值频率最高处为零速状态阈值，其中，所述四节点惯性传感器安装于行人的双足以及双腿上。


3.根据权利要求2所述的基于人体四节点约束的行人导航定位方法，其特征在于：所述检测阈值包括加速度模值fnorm的阈值THfnorm、加速度标准差σfnorm的阈值THσfnorm、X轴角速度wx的阈值THwx，计算公式如下：
THfnorm＝argmax(P(fnorm))
THσfnorm＝argmax(P(σfnorm))
THwx＝argmax(P(wx))。


4.根据权利要求1所述的基于人体四节点约束的行人导航定位方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：
(21)从所述IMU数据中扣除惯性传感器的零偏；
(22)计算初始的姿态角，包括俯仰角θ和滚转角γ：






其中，gx,gy,gz分别为x轴、y轴和z轴的重力加速度，g为当地重力加速度；
(23)实时解算行人的姿态、速度、位置，其中，
当前时刻行人的姿态利用四元数法进行解算，公式如下：



当前时刻行人的速度的解算公式如下：



当前时刻行人的位置的解算公式如下：









其中，Λ是四元数矩阵，ψ是偏航角，θ是俯仰角，γ是滚转角，v是载体的运动速度，是机体系到导航系的转换矩阵，代表比力，为地球自转角速度在导航坐标系下的投影，为导航系相对于地球系下的角速度在导航坐标系下的投影，vE、vN、vU分别是东、北、天三个方向的速度矢量；L表示代表经度，λ表示纬度，h表示运动高度，Rm表示子午面内曲率半径，Rn表示卯酉面内曲率半径。


5.根据权利要求1所述的基于人体四节点约束的行人导航定位方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：采集腿部及足部四节点数据，采用检测足部加速度模值、足部加速度标准差、足部X轴角速度、互异腿部滚转角变化作为步态检测条件，结合估计的零速状态阈值，建立腿部及足部四节点的步态检测模型；根据所述腿部及足部四节点的步态检测模型进行零速检测。


6.根据权利要求5所述的基于人体四节点约束的行人导航定位方法，其特征在于，所述腿部及足部四节点的步态检测模型为：












其中，k代表第k时刻，fk,norm、σk,fnorm、wk,x分别代表第k时刻加速度模值和加速度标准差和X轴的角速度，Δφ＝φk-φk-1，φk是第k时刻腿部滚转角，THfnorm、THσfnorm、THwx分别为加速度模值fn...

【专利技术属性】
技术研发人员：李婉玲，熊智，丁一鸣，曹志国，王铮淳，李晓东，陈芷心，康骏，李欣童，安竞轲，周帅琳，王婕，
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