[發明專利]一種基于手機模態識別的行人導航航向修正方法

在審

• 申請號: 201811596738.3
• 申請日: 2018-12-26
• 公開（公告）號: CN109708631A
• 公開（公告）日: 2019-05-03
• 發明（設計）人: 徐麗敏;熊智;曾慶化;許建新;王鉦淳;丁一鳴;曾世杰;張苗;李婉玲
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/20;G01C25/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 張婷婷

1.一種基于手機模態識別的行人導航航向修正方法，其特征是，行人手持手機進行數據采集，航向修正方法包括如下步驟：

步驟1)采集不同手機導航模態下的手機傳感器數據，進行模態分析并提取步態特征量；其中手機導航模態包括平拿模態、打電話模態、甩手模態，傳感器數據指加速度與角速度，模態分析提取步態特征量指將加速度模值與行人初始靜止階段的模值作差得到的加速度模值差值；

步驟2)將步驟1)分析得到的步態特征量作為神經網絡的輸入，將模態標志位作為輸出，構建基于BP神經網絡的模態識別模型；

步驟3)建立基于零角速度修正的航向修正方法，包括：

3-1)水平對準后進行航向角遞推；

3-2)檢測手機模態切換狀態，并對z軸角速度進行修正。

2.根據權利要求1所述的一種基于手機模態識別的行人導航航向修正方法，其特征是，所述步驟1)中：所述進行模態分析并提取步態特征量指的是分析三種手機導航模態下的三軸傳感器的差異性，將加速度模值與行人初始靜止階段的模值作差，并利用滑動窗口平均法對加速度數據進行平滑處理，具體如下式所示：

其中，Δf_i為第i時刻加速度模值差值，f_ix、f_iy、f_iz為第i時刻的三軸加速度，f_0x、f_0y、f_0z代表初始靜止階段內的三軸加速度均值，f_k為第k時刻加速度模值差值，n為滑動窗口大小，T為采樣周期；

利用加速度模值信息進行步態檢測，在成功檢測到一步時，提取出每一步的加速度模值的峰值、谷值、相鄰峰峰值時間差與當前步與上一步的x軸加速度變化量及當前步的x軸加速度均值，構成加速度的特征量。

3.根據權利要求1所述的一種基于手機模態識別的行人導航航向修正方法，其特征是，所述采樣周期T取0.005s。

4.根據權利要求1所述的一種基于手機模態識別的行人導航航向修正方法，其特征是，所述步驟2)中建立基于BP神經網絡的模態識別模型的具體內容為：

構建5輸入1輸出與12個隱藏節點的神經網絡，5個輸入分別為每一步的加速度模值的峰值、谷值、相鄰峰峰值時間差、當前步與上一步的x軸加速度變化量、當前步的x軸加速度均值，1個輸出為手機模態標志位，平拿模態、打電話模態、甩手模態對應的模態標志位分別為1，2，3；

訓練階段須提取每步的步態特征量作為輸入，并設置對應的模態標志位作為輸出；

測試階段為輸入實時的特征數據量，經過已訓練好的神經網絡得到該步的模態標志位。

5.根據權利要求1所述的一種基于手機模態識別的行人導航航向修正方法，其特征是，所述步驟3)中建立一種基于零角速度修正的航向修正方法為：

行人導航的坐標系包括載體坐標系與導航坐標系，載體坐標系選右前上坐標系，即x軸對應手機的側向，y軸對應手機的前向，xoy面即為手機平面，z軸滿足右手定則；導航坐標系選擇東北天坐標系；

3-1)采用重力計數據求得載體坐標系xoy面與導航坐標系xoy面平行的姿態轉換矩陣：

首先根據三軸重力計數據[g_x,g_y,g_z]求出俯仰角θ與橫滾角γ，g為重力常數：

其中，g_x為x軸的重力計數據，g_y為y軸的重力計數據，g_z為z軸的重力計數據；

利用俯仰角與橫滾角對加速度與角速度投影，下標為b代表機體系，hor表示投影得到的水平坐標系：

f_hor＝(C₁C₂)^-1f_b，ω_hor＝(C₁C₂)^-1ω_b

其中，f_b為機體系的加速度數據，f_hor為投影到水平面上的加速度數據，ω_b為機體系的角速度數據，ω_hor為投影到水平面上的角速度數據；

C₁與C₂為姿態轉換矩陣：

利用水平對準后的z軸陀螺儀ω_zk進行遞推求航向角：

其中與分別為第k與k-1時刻的航向角，T為采樣周期，初始航向角由人為設定；

3-2)檢測手機模態切換狀態，并對z軸角速度進行修正：

利用步驟2)構建的基于BP神經網絡的模態識別模型采用模態識別方法進行模態切換狀態的檢測，在成功檢測到模態切換時，將當前步水平投影后的z軸角速度置0。