胸牌式消费级IMU行人导航方法技术

本发明专利技术属于微机电系统技术领域，具体公开了胸牌式消费级IMU行人导航方法，包括：判断行人是否处于静态；获取行人在当前时刻的运动参数，对陀螺仪和加速度计进行修正，对行人的速度清零并进行S5；获取修正后陀螺仪测量的角速度，并将修正后的加速度计测量的加速度投影至导航系下，根据导航系下的加速度更新行人在当前时刻的运动参数；根据S3中获得的导航系下的加速度计算对陀螺仪的修正进行补偿更新，进行S5；具有如下优点：基于MEMS惯性测量单元(MIMU)的惯性导航方法在短航时的情境下具有高精度的定位效果且不依赖外界信息、不易受到干扰的优点，弥补无线电定位的不足，与无线电定位方法结合，从而提高在室内环境下行人导航定位的精度。定位的精度。定位的精度。

【技术实现步骤摘要】
胸牌式消费级IMU行人导航方法


[0001]本专利技术涉及微机电系统
，具体而言，涉及胸牌式消费级IMU行人导航方法。

技术介绍

[0002]随着通信技术和计算机技术的高速发展，人们对于位置服务的需求不断增加，这也促使基于位置服务的应用范围越来越广泛，包括军事、医疗、制造、物流等多个领域和关键系统。而由于城市建筑物结构及面积日趋复杂化、大型化的形势下，室内作为人类主要活动场所具体室内活动时间约占80％，如何准确定位室内用户位置，实现协同导航，成为室内外无缝协同导航的热点问题。
[0003]由于卫星信号长距离的传输到达地面时非常的微弱，受到建筑物的遮挡和多径效应等的影响，GNSS定位精度急剧降低甚至无法使用，无法满足室内位置服务需求。目前，针对复杂的室内环境，国内外研究者们提出了基于蓝牙(BLE)、无线网(WLAN)、超宽带(UWB)、红外线、射频技术(RFID)、超声波，激光、视觉SLAM等室内定位技术及应用系统，但通常都处于成本和精度两难的境地，且易受到环境中非视距误差(NLOS)和多径效应的影响，导致在复杂的室内环境中的精度急剧下降。
[0004]因此，针对无线电定位中在室内由多径效应和非视距误差引起的精度下降的问题，提出胸牌式消费级IMU行人导航方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在提供胸牌式消费级IMU行人导航方法，以解决或改善上述现有无线电定位在室内复杂环境的多径效应和非视距误差的问题。
[0006]有鉴于此，本专利技术的第一方面在于提供胸牌式消费级IMU行人导航方法。
[0007]本专利技术的第一方面提供了胸牌式消费级IMU行人导航方法，通过陀螺仪和加速度计获取行人的角速度和加速度进行导航，所述导航方法包括如下步骤：S1：获取行人的当前角速度和加速度，基于预先设定的判断阈值，判断行人是否处于静态，若是则进行S2，若否则进行S3；S2：获取行人在当前时刻的运动参数，根据行人处于静态下的角速度和加速度分别对所述陀螺仪和加速度计进行修正，对行人的速度清零并进行S5；S3：获取修正后的陀螺仪测量的角速度，并根据所述角速度将修正后的加速度计测量的加速度投影至导航系下，根据导航系下的加速度更新行人在当前时刻的所述运动参数；S4：计算重力加速度与大于行人一个步长周期的一段时间内导航系下的加速度均值之间的偏角，通过所述偏角对所述陀螺仪进行补偿更新；S5：输出运动参数，并根据所述运动参数进行导航，并返回S1。
[0008]本专利技术提供的胸牌式消费级IMU行人导航方法，通过预设的判断阈值对行人所处的状态进行判定，分别为静止和非静止的状态，针对行人步态具有单步的周期性规律，以行人的单步运动周期为前提进行补偿，具体为在行人处于静止下的角速度和加速度分别对陀螺仪和加速度计进行修正，通过单步周期时间(行走过程中走动一步的时间)的比力在导航
系下的投影均值与重力加速度的非线性度进行误差的补偿；
[0009]相对于传统互补滤波方法，通过提出的改进的互补滤波方法依据行人周期运动规律，有效的滤除比力自身的随机噪声，并通过重力加速度观测加速度计测量加速度投影时的姿态误差，对姿态误差进行补偿，提高对行人导航精度。
[0010]另外，根据本专利技术的实施例提供的技术方案还可以具有如下附加技术特征：
[0011]上述任一技术方案中，所述运动参数包括：行人的速度、位移和运动姿态。
[0012]上述任一技术方案中，在对行人的速度清零之前，所述S2还包括：根据获取的加速度计算水平姿态角；通过所述水平姿态角计算行人在当前时刻下的四元数；根据所述四元数计算包括有姿态信息的姿态矩阵。
[0013]在该技术方案中，由于消费级MEMS惯性器件，其陀螺仪无法敏感到地球自转角速度，因此需要其他方法进行航向角的解算(需要如磁强计等其他器件，在本专利技术中并未使用，因此在此不进行赘述)。而对于水平姿态角，则可以通过加速度计测量的三轴加速度进行计算，即此时加速度计测量的三轴加速度是由重力加速度投影所得，因此此时就可以通过投影关系得到水平姿态角；
[0014]得到当前的姿态角时，就可以根据姿态角信息计算当前的四元数，用于后续相应的导航解算；
[0015]在得到四元数后，在以此进行包含姿态信息的姿态矩阵的计算，用于后续相应的导航解算。
[0016]上述任一技术方案中，所述的根据所述角速度将修正后的加速度计测量的加速度投影至导航系下的步骤，具体包括：通过陀螺仪测量的角速度计算人体运动的角速度，具体为下述公式：通过人体运动的所述角速度对行人在当前时刻下的四元数进行更新，具体为下述公式：通过更新后的四元数计算并更新姿态矩阵根据更新后的姿态矩阵作为投影系数将所述加速度投影至导航系下，具体为下述公式：其中，为人体运动的角速度、gB为静态状态下求得的三轴陀螺零偏、ω为测量角速度、α为修正的补偿更新值、b为载体系、n为导航系、为三轴角速度形成的反对称矩阵、Q
i
为第i时刻的四元数、dt为导航时间、f
n
为导航系下加速度、g
n
为重力加速度、为姿态矩阵，且
[0017]在该技术方案中，在得到确定的运动角速度后，在通过实际的角速度变化进行积分去更新四元数，在根据更新的四元数去更新姿态矩阵；
[0018]由于加速度计测量的加速度实在载体系下的物体加速度，而载体坐标系是运动变化的，不能作为位置变化的参考，因此需要通过姿态矩阵将加速度计测量的加速度投影到固定的导航坐标系下，并在导航坐标系下去除重力加速度的影响得到真实的物体运动加速度。
[0019]上述任一技术方案中，所述的根据导航系下的加速度更新行人在当前时刻的所述运动参数的步骤包括：通过导航系下的加速度计算获取行人在当前时刻的速度；根据当前
时刻的速度计算获取行人的位移；根据更新后的姿态矩阵计算获取在当前时刻的运动姿态，且采用下述公式计算：其中，为航向角、θ为俯仰角、γ为横滚角、是通过姿态矩阵计算的航向角主值、θ
主
是通过姿态矩阵计算的俯仰角主值、γ
主
是通过姿态矩阵计算的横滚角主值、所述运动姿态包括：θ和γ。
[0020]在该技术方案中，得到姿态矩阵后，可以通过下式解算出物体此前的姿态信息，即物体所在的载体坐标系和固定的导航坐标系之间的旋转变换关系。
[0021]上述任一技术方案中，所述S4的步骤包括：在导航系下将比力投影均值与重力加速度进行叉乘，以获得行人在非静态下的误差补偿，具体为：将所述误差补偿通过当前时刻的姿态矩阵投影至载体系下，具体为：通过载体系下的误差补偿计算获取陀螺仪的修正的补偿更新值α，具体为：其中，s1为500ms的数据量个数、e
b
为载体系下的补偿向量、为俯仰角补偿值、为横滚角补偿值、为航向角补偿值、为比力在导航系下一段时间t内投影的均值、e
n
为非共线误差、为反馈系数其算例为K＝[0.00001 0.00001 0.00001]。
[0022]在该技术方案中，由本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.胸牌式消费级IMU行人导航方法，其特征在于，通过陀螺仪和加速度计获取行人的角速度和加速度进行导航，所述导航方法包括如下步骤：S1：获取行人的当前角速度和加速度，基于预先设定的判断阈值，判断行人是否处于静态，若是则进行S2，若否则进行S3；S2：获取行人在当前时刻的运动参数，根据行人处于静态下的角速度和加速度分别对所述陀螺仪和加速度计进行修正，对行人的速度清零并进行S5；S3：获取修正后的陀螺仪测量的角速度，并根据所述角速度将修正后的加速度计测量的加速度投影至导航系下，根据导航系下的加速度更新行人在当前时刻的所述运动参数；S4：计算重力加速度与大于行人一个步长周期的一段时间内导航系下的加速度均值之间的偏角，通过所述偏角对所述陀螺仪进行补偿更新；S5：输出运动参数，并根据所述运动参数进行导航，并返回S1。2.根据权利要求1所述的胸牌式消费级IMU行人导航方法，其特征在于，所述运动参数包括：行人的速度、位移和运动姿态。3.根据权利要求1所述的胸牌式消费级IMU行人导航方法，其特征在于，在对行人的速度清零之前，所述S2还包括：根据获取的加速度计算水平姿态角；通过所述水平姿态角计算行人在当前时刻下的四元数；根据所述四元数计算包括有姿态信息的姿态矩阵。4.根据权利要求3所述的胸牌式消费级IMU行人导航方法，其特征在于，所述的根据所述角速度将修正后的加速度计测量的加速度投影至导航系下的步骤，具体包括：通过陀螺仪测量的角速度计算人体运动的角速度，具体为下述公式：通过人体运动的所述角速度对行人在当前时刻下的四元数进行更新，具体为下述公式：通过更新后的四元数计算并更新姿态矩阵根据更新后的姿态矩阵作为投影系数将所述加速度投影至导航系下，具体为下述公式：其中，为人体运动的角速度、gB为静态状态下求得的三轴陀螺零偏、ω为测量角速度、α为修正的补偿更新值、b为载体系、n为导航系、为三轴角速度形成的反对称矩阵、Q
i
为第i时刻的四元数、dt为导航时间、f
n
为导航系下加速度、g
n
为重力加速度、为姿态矩阵，且5.根据权利要求4所述的胸牌式消费级IMU行人导航方法，其特征在于，所述的根据导
航系下的加速度更新行人在当前时刻的所述运动参数的步骤包括：通过导航系下的加速度计算获取行人在当前时刻的速度；根据当前时刻的速度计算获取行人的位移；根据更新后的姿态矩阵计算获取在当前时刻的运动姿态，且采用下述公式计算：θ
主
＝arcsin(T
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)，θ＝θ
主
其中，为航向角、θ为俯仰角、γ为横滚角、是通过姿态矩阵计算的航向角主值、θ...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨艳强，程浩，张春熹，刘文钊，王宇轩，田龙杰，卢鑫，李皓阳，李天琦，肖听雨，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：