[發(fā)明專利]基于人體運(yùn)動模型輔助的穿戴式行人導(dǎo)航定位方法和設(shè)備

在審

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• 申請日: 2017-05-22
• 公開（公告）號: CN107218938A
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發(fā)明（設(shè)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(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01C21/16
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司32200
• 代理人: 張艷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及基于人體運(yùn)動模型輔助的穿戴式行人導(dǎo)航定位方法和設(shè)備，屬于 個人移動定位技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

行人定位導(dǎo)航作為近些年來民用導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的主要領(lǐng)域之一，正逐漸被重 視和研究。近年來，個人定位設(shè)備逐步在民用化市場得到普及，而大多數(shù)民用級 便攜式設(shè)備采用的是GPS衛(wèi)星定位與無線通信技術(shù)相結(jié)合的定位原理，但是在大 型城市、商場、隧道、叢林和山谷等衛(wèi)星導(dǎo)航信號易受干擾或屏蔽的應(yīng)用環(huán)境中， 該類型設(shè)備的導(dǎo)航定位功能將受到嚴(yán)重影響。在某些特定行業(yè)中，如消防員在執(zhí) 行救援任務(wù)時，可能出現(xiàn)匍匐、跳躍、跑步等多種復(fù)雜運(yùn)動模態(tài)，所攜帶的導(dǎo)航 定位設(shè)備容易失效或者定位錯誤，而導(dǎo)致搜救任務(wù)失敗，嚴(yán)重時甚至將危及使用 人員的人身安全。針對無法使用衛(wèi)星定位和通信定位產(chǎn)品的使用環(huán)境，國外廠商 對我國技術(shù)壟斷，產(chǎn)品價格昂貴。因此，迫切需要研究適應(yīng)大型城市、商場、隧 道、叢林和山谷等復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境下的針對人體多運(yùn)動模態(tài)的行人導(dǎo)航定位技術(shù)， 以適應(yīng)相應(yīng)的需求。

現(xiàn)有行人導(dǎo)航研究方向主要可分為以下兩類：一是基于各類無線網(wǎng)絡(luò)的源頭 定位，然而這類方法依賴額外設(shè)備(如WIFI、藍(lán)牙、UWB等)，定位精度受環(huán)境影 響較大，易受干擾；二是基于慣性傳感器的行人導(dǎo)航定位，以慣性器件為核心， 具有短時高精度和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，是一種完全自主的導(dǎo)航系統(tǒng)，然而該方案在 長時間下誤差會累積而迅速發(fā)散。目前，國外個人定位系統(tǒng)主要采用了微慣性/ 衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)組合定位，其對衛(wèi)星導(dǎo)航依賴性較強(qiáng)；美國在基于人體運(yùn)動學(xué)輔助 的行人定位算法方面取得了較好的研究進(jìn)展，已經(jīng)完成了原型樣機(jī)的研制，不過 尚沒有向民用領(lǐng)域進(jìn)行大規(guī)模的推廣應(yīng)用。國內(nèi)也有多家單位和研究所針對個人 微慣性定位算法進(jìn)行了研究，在系統(tǒng)構(gòu)造以及傳感器誤差修正等方面開展了富有 成效的工作，但總體上的研究水平與國外還具有一定的差距，在基于人體運(yùn)動學(xué) 輔助的行人定位算法研究方面尚處于起步階段。其只能實(shí)現(xiàn)正常行走模態(tài)下的行 人定位導(dǎo)航技術(shù)，而且多采用了額外設(shè)備輔助慣導(dǎo)的方式，既極大增加了成本， 又約束了其適用范圍，因此，迫切需要研究一種基于人體運(yùn)動學(xué)建模輔助的定位 技術(shù)，基于運(yùn)動學(xué)特征建立人體運(yùn)動模型，實(shí)時判別人體運(yùn)動模式，實(shí)現(xiàn)在沒有 衛(wèi)星導(dǎo)航與無線通信信號下人體多模態(tài)的自主實(shí)時移動定位。

對于單一自主的慣性導(dǎo)航，低成本的MEMS捷聯(lián)解算高度誤差較大，而且發(fā) 散速度較快，必須要經(jīng)過有效的修正，才能確保高度計算精度實(shí)際可用。捷聯(lián)解 算的航向誤差也較大，容易發(fā)生波動，導(dǎo)致導(dǎo)航結(jié)果與實(shí)際路線不符，必須要經(jīng) 過有效的修正，才能提高導(dǎo)航結(jié)果的精度。行人在實(shí)際運(yùn)動過程中存在多種運(yùn)動 模態(tài)，如快速行走、跑步、上下樓梯、跳躍等，同時，不同的人在運(yùn)動過程中步 態(tài)間也存在較大差異，步態(tài)的檢測與分辨困難；而現(xiàn)有的國內(nèi)外研究主要集中在 行人的正常行走模態(tài)的辨識，對于快速行走、跑步、上下樓梯、跳躍等還鮮有提 及。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述存在的問題，本發(fā)明公開了基于人體運(yùn)動模型輔助的穿戴式行 人導(dǎo)航定位方法和設(shè)備，提供在GPS信號以及無線通訊信號失效時行人的連續(xù)導(dǎo) 航定位方法，該方法能夠在行人正常步行，快速行走，慢跑，上下樓梯等運(yùn)動模 態(tài)下實(shí)現(xiàn)姿態(tài)，速度和位置解算，滿足復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境下行人的高精度實(shí)時導(dǎo)航定 位要求，其具體技術(shù)方案如下：

基于人體運(yùn)動模型輔助的穿戴式行人導(dǎo)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(yùn)動時的步態(tài)以及不同運(yùn)動模態(tài)下的慣性傳感器輸出，所 述步態(tài)為人體運(yùn)動時足部與地面的接觸情況，所述不同運(yùn)動模態(tài)包括步行、跑步、 上下樓梯；

步驟2：建立基于人體運(yùn)動學(xué)模型輔助的零速修正判別模型，所述基于人體 運(yùn)動學(xué)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(dāng)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(chǔ)上，建立基于地磁輔助捷聯(lián)慣導(dǎo)解算航向角誤 差模型，利用磁傳感器輸出信息計算當(dāng)?shù)卮藕较蚪牵?/p>

步驟4：在步驟1和2的基礎(chǔ)上，建立基于氣壓高度計輔助捷聯(lián)慣導(dǎo)解算高 度誤差模型，利用氣壓計輸出信息計算當(dāng)?shù)睾０胃叨取?!-- SIPO -->

所述步驟1中人體運(yùn)動步態(tài)以及不同運(yùn)動模態(tài)具有以下特征：

在正常行走時，行人的雙腳交替運(yùn)動，分為四個階段：抬腳、跨步、落地和 支撐，兩只腳交替運(yùn)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(jìn)行運(yùn)動分析，此時，人體足部不能被視為一個質(zhì)點(diǎn)，在判斷零速 時刻時，應(yīng)對落地、支撐階段作進(jìn)一步的分析；