[發明專利]基于姿態識別和步長模型的室內慣性導航算法

有效

• 申請號: 201611125632.6
• 申請日: 2016-12-09
• 公開（公告）號: CN106705968B
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發明（設計）人: 張會清;許瀟民
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01C21/18
• 分類號: G01C21/18;G01C21/20
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

一種基于姿態識別和步長模型的室內慣性導航算法，涉及室內慣性導航與定位領域。本發明將慣性傳感器固定在行人腳部，使用藍牙將數據傳輸至智能手機，根據行人行走時腳部的姿態特點，采用多條件零速度檢測法和姿態角檢測法計算出行人的步頻和步數；對行人每一步的慣導解算結果進行統計歸類、建立步長模型，以行人腳部的姿態和步頻為參考，實時校準慣導解算的結果；使用基于滑動均值濾波的動態補償算法的電子羅盤數據為實時航向角，根據行人的步頻和航向角變化來判斷行人是否處于慣常運動姿態，以此為依據匹配步長模型。本發明解決了室內定位慣性導航技術中二次積分導致的誤差累積導致定位失準等問題，保證了行人室內長距離導航的精確性。

技術領域:

本發明涉及室內慣性導航與定位領域，尤其是涉及一種利用慣性傳感器和智能手機實現的基于行人腳部姿態識別和步長模型的行人室內慣性導航技術。

背景技術:

在室內環境，衛星衛星信號到達地面時信號較弱、不能穿透建筑物、無法發揮精確的定位作用。慣性導航是通過測量載體的加速度，并進行積分運算，獲得載體瞬時速度和瞬時位置數據的技術。組成慣性導航系統的設備都安裝在載體內，工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導航設備。慣性導航技術作為一種自主式導航技術，相對其他室內定位技術具有不需要事先在建筑物內布設接收裝置、不受環境變化和信號阻擋等影響等優點，成為室內定位技術的研究熱點。由于行人在走動時身體運動情況較復雜，而慣性導航算法存在誤差累積，這些問題使得慣性導航應用在行人室內導航時的精確性很低，限制了它的廣泛應用。

室內慣性導航技術的研究從上世紀90年代開始出現，Levi和Judd在1996年首次提出了行人航跡推算(Pedestrian Dead Reckoning,PDR)的概念，并在Point Research公司開發的PDR模塊中進行了應用。由于人員的運動狀態比較復雜，很多科研高校的研究傾向于將慣性傳感器佩戴在室內人員身體的一個或多個不同部位，包含頭、腿、腰或者腳等，來實現室內行人的導航功能。其中將MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)慣性傳感器佩戴在室內人員的腳部，通過測量獲取室內人員的腳步的運動數據來解算室內人員的導航軌跡的實驗效果較為精確。傳統的慣性導航算法依靠對傳感器加速度和速度的積分來計算運動距離，在應用到行人室內導航時，隨著行人移動距離增加和航向角的變化，其累積誤差越來越大進而導致精度不高。

發明內容:

針對上述現有技術的不足，本發明提出了一種以行人腳部姿態為判斷、以步長為單位劃分行人運動的導航算法。

一種基于姿態識別和步長模型的室內慣性導航算法，其特征是，包括以下步驟：

(1)行人慣性數據與智能手機傳感器數據的采集、傳輸、存儲以及濾波處理；

(2)多條件零速度判斷法和行人腳部姿態判別相結合，解算得出行人的步頻與步數特征；

(3)對行人的每一步分別進行慣性導航解算，建立步長模型，作為行人位移的參考值，根據行人運動狀態調整步長結果。

進一步，采集行人慣性數據時，將慣性傳感器佩戴在行人腳部，對慣性傳感器數據進行初始校準，消除零偏，設置采樣頻率100Hz和波特率特征；使用藍牙模塊將器件與智能手機連接，通過手機端的程序記錄藍牙傳輸到手機的行人慣性數據和手機自身的電子羅盤數據，并存儲在手機中。

進一步，對慣性傳感器數據進行低通數字濾波，對電子羅盤數據進行滑動均值濾波，消除器件的噪聲。

進一步，對處理后的數據進行多條件零速度檢測：包括加速度幅值檢測、角速度幅值檢測和加速度方差檢測，設定閾值，對三個檢測條件進行與運算求出零速度時間范圍；使用加速度計、角速度計和磁力計解算出器件的姿態角信息，根據姿態角檢測在零速度檢測結果的基礎上得到行人零速度時刻。