[發明專利]基于人體運動模型輔助的穿戴式行人導航定位方法和設備

在審

• 申請號: 201710364111.4
• 申請日: 2017-05-22
• 公開（公告）號: CN107218938A
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發明（設計）人: 張苗;熊智;曾慶化;許建新;黃欣;殷德全;王鉦淳;徐麗敏
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01C21/16
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 張艷

1.基于人體運動模型輔助的穿戴式行人導航定位方法，其特征在于包括以下操作步驟:

步驟1：分析人體運動時的步態以及不同運動模態下的慣性傳感器輸出，所述步態為人體運動時足部與地面的接觸情況，所述不同運動模態包括步行、跑步、上下樓梯；

步驟2：建立基于人體運動學模型輔助的零速修正判別模型，所述基于人體運動學模型輔助的零速修正判別模型利用加速度計和陀螺儀的輸出判斷當前時刻是否為足部與地面的接觸時刻；

步驟3：在步驟1和2的基礎上，建立基于地磁輔助捷聯慣導解算航向角誤差模型，利用磁傳感器輸出信息計算當地磁航向角；

步驟4：在步驟1和2的基礎上，建立基于氣壓高度計輔助捷聯慣導解算高度誤差模型，利用氣壓計輸出信息計算當地海拔高度。

2.根據權利要求1所述的基于人體運動模型輔助的穿戴式行人導航定位方法，其特征在于所述步驟1中人體運動步態以及不同運動模態具有以下特征：

在正常行走時，行人的雙腳交替運動，分為四個階段：抬腳、跨步、落地和支撐，兩只腳交替運動，分別處于不同的時刻，因此，將傳感器件固定于其中一只腳上，對其進行運動分析，此時，人體足部不能被視為一個質點，在判斷零速時刻時，應對落地、支撐階段作進一步的分析；

當以腳尖上一點為質點時，在落腳階段，腳后跟先與地面接觸，接著以腳后跟為支點整個腳底部逐漸放平直至完全接觸地面，即腳尖與地面接觸，然后，以腳尖為支點，整個腳底部逐漸抬升直至完全離開地面，即腳尖與地面分離，腳尖上質點與地面的實際接觸時間為一個步態期間零速度的時間；

行人在快速行走時，步態周期將比正常行走的周期短，但是兩者足部的運動過程是相似的，在這兩種運動模態下，足部大約有一半的時間是處于抬腳、跨步階段，而相應地，另一只腳同時處于落地和支撐階段，在大步行走時，足部運動過程仍然是與正常行走時相似，步態周期更長，這兩種運動模態下，足部運動的周期性和對稱性并未發生改變；

在跑步運動模態中，則不存在這種對稱性，當一只腳的后跟落地時，另一條腿可能還在空中，甚至可能出現兩條腿同時處于空中的狀態，但是，跑步運動模態下一只腳落地支撐階段的零速時刻與正常行走時是類似的，但其足部與地面的接觸時間更短些；

在上下樓梯運動模態中，在抬腳階段增加了高度信息的變化，這并不影響零速時刻的判斷，落地支撐階段，足部的零速時刻與正常行走是類似的，但是，與正常行走模態不同的是，落地階段不再是腳后跟先接觸地面，而是足部的前端先落地，然后以其為支點，腳底部逐漸放平直至完全與地面接觸，在實際情況中，行人的腳底部可能并不是完全地與地面接觸，通常接觸部分只有腳掌的前大半部分，此時，腳后跟是懸空的狀態；

通過對不同運動模態下IMU慣性傳感器件三軸數據信息的采集，能夠得出，在不同的運動模態下，陀螺儀和加速度計的三軸輸出信息與正常行走時相似，仍然具有周期性，行人在快速行走或跑步較劇烈運動模態下，IMU慣性傳感器件的輸出變化也更快，此時，IMU慣性傳感器件的輸出或用于零速判定的條件會失效；在勻速行走等正常模態下，IMU慣性傳感器件的輸出較為平緩；在上下樓梯運動模態下，能夠看出，IMU慣性傳感器件的輸出更加平緩，為了保持平衡，人體在足部落地階段需要停留更長的時間。