[發明專利]一種基于SHE模型的腳步捷聯測高方法

有效

• 申請號: 201811530828.2
• 申請日: 2018-12-14
• 公開（公告）號: CN109708630B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 夏鳴;楊東凱;修春娣
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/20
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

本發明一種基于SHE模型的腳步捷聯測高方法，具體步驟包括：步驟一：通過零速檢測讀取每個步周期內靜止狀態的高度；步驟二：對零速靜止狀態的高度求平均；步驟三：計算步間慣性高度增量；步驟四：設定垂直運動模式分類門限值；步驟五：判定垂直運動模式；步驟六：計算步間分類高度增量；步驟七：求取當前高度；步驟八：更新慣性器件輸出的高度值。通過以上步驟，將行人垂直運動模式進行分類，利用每個臺階等間距的特點，可消除慣性測高的不穩定性并減少累積誤差，計算得到定位高度。

技術領域

本發明涉及室內定位領域，特別涉及一種基于SHE(Step Height Equidistant,步高等間距)模型的腳步捷聯測高方法。具體來說，是指利用樓梯臺階等間距的特點，每個步態周期內，行人在不同運動模式(水平面、上樓梯和下樓梯)下的高度變化分別對應著固定的增量，再通過每步垂直距離增量的累加，求取行人的定位高度。解決了慣性通道的不穩定性問題，減小了高度方向的累積誤差，提升了行人在室內步行時高度定位的準確性。

背景技術

室內定位技術在智能社會中發揮了重要作用，已被廣泛應用于物聯網、機器人服務、緊急救援、團購、廣告精準推送、企業人員數字化管理、智能倉儲等需要精確室內地理位置的領域。室內定位技術也是當今國內外工業界和學術界的研究熱點，比如谷歌研發的室內視覺定位服務系統、蘋果推動的基于低功耗藍牙iBeacon室內定位技術，以及北京郵電大學開發的曦和系統等。

MEMS-IMU(Micro Electro Mechanical System-Inertial Measurement Unit,微機電慣性測量單元)定位在眾多的室內定位技術中，由于具有連續性、自主性、成本低等優點，受到廣泛關注。研究MEMS-IMU作為輔助傳感器的組合導航技術有助于提高導航系統的性能。例如，在超寬帶、WiFi等電磁波定位受到非視距傳播或者遮擋時，MEMS-IMU定位系統能夠輔助其提高定位精度并保持定位魯棒性。對于定位目標快速運動，MEMS-IMU能在相機數據無效的時間段內，提供一個較好的位姿估計，而純視覺SLAM卻無法做到等。

對于純MEMS-IMU用于行人三維定位與導航，其累積誤差嚴重影響定位性能。水平面上通過ZUPT(Zero Velocity Update，零速檢測)方法能有效消除累積誤差。然而，垂直慣性通道具有不穩定性，無法長時間采用MEMS-IMU垂直加速度的二次積分方法來準確獲取高度。長久以來，采用氣壓計或者氣壓計輔助慣性器件的垂直軸來進行高度計算，但氣壓計受室內溫度、氣流、氣壓等的影響；基于激光雷達或者圖像的方法測高增加了計算的復雜度，對設備性能要求高；用WiFi或者地圖信息進行測高，則嚴重依賴外部基礎設施和建筑物結構信息。針對火場、軍事戰場等需要自主和安全定位的場景，本專利申請提出的基于SHE模型的腳步捷聯測高方法，可以有效減少高度累積誤差并消除慣性垂直通道的不穩定性，并且不需要外部基礎設施和先驗地圖信息等輔助。

發明內容

本發明的目的在于：提出了一種基于SHE模型的腳步捷聯測高方法。具體來說，是指在建筑物內每個樓梯臺階的高度相同，行人正常上下樓梯時，在步態周期內，垂直方向的運動模式分成三類：平面運動(每步對應高度增量為0)，上樓梯(每步對應高度增量為2A)，下樓梯(每步對應高度增量為-2A)，其中，A為每個樓梯臺階的高度。之后獲取相鄰步態周期中MEMS-IMU綁定腳處于觸地狀態時的步間慣性高度增量Δh，并設定垂直運動模式分類門限值δ(δ取經驗值0.12m)。如果∣Δh∣小于δ，則步間分類高度增量Δh_cl(k)保持不變；如果Δh小于-δ，則Δh_cl(k)為前一步觸地時的高度減2A；如果Δh大于δ，則Δh_cl為前一步觸地時的高度加2A，累加每個步周期的垂直運動模式分類高度Δh_cl便得到行人的高度信息。可解決慣性通道的不穩定性問題，減小高度方向的累積誤差，提升行人在室內步行時高度定位的準確性。

技術方案：為解決以上問題，本發明提出一種基于SHE模型的腳步捷聯測高方法，主要分為三個部分：

(1)計算步間慣性高度增量