[發明專利]基于BP神經網絡的慣性導航室內定位方法

有效

• 申請號: 201910067512.2
• 申請日: 2019-01-24
• 公開（公告）號: CN109579853B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 童凱;謝正威;劉剛
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C21/16
• 代理公司: 北京孚睿灣知識產權代理事務所(普通合伙) 11474
• 代理人: 劉翠芹

1.一種基于BP神經網絡的慣性導航室內定位方法，包括運動數據采集與預處理階段、離線訓練階段和實時定位階段，其特征在于，

所述數據采集與預處理階段采用多傳感器信息融合采集定位人員的左右腳腕處運動數據，結合四元素與卡爾曼濾波算法處理所述運動數據，獲取定位人員的左、右腿部姿態角變化量θ1和θ2、腳腕處加速度均值average、方差variance、左、右腳步伐持續時間time1和time2以及測量得到定位人員的身高stature作為7個神經網絡輸入數據，并降低慣性測量單元的測量噪聲；

所述數據采集與處理階段包括以下步驟：

S11，室內定位人員佩戴左腳腕可穿戴設備和右腳腕可穿戴設備，進行左右腳腕處的運動數據采集；

S12，記錄定位人員行走的實際步伐長度及其身高；

S13，左、右腳腕處可穿戴設備內部嵌入式處理器對采集到的數據進行四元素法確立捷聯矩陣，利用三軸角速度傳感器得到的角速度信息，建立過程方程，根據三軸加速度傳感器和磁力計信息建立測量方程，如式(1)所示，通過這種卡爾曼濾波器來濾除傳感器存在的隨機噪聲，并且解算出定位人員行走時腳腕處的消除重力影響后的加速度信息和腿部姿態角信息以及定位人員的運動方向角信息，即定位人員行走航向角α；最后通過左腳腕可穿戴設備內部藍牙與右腳腕可穿戴設備內部藍牙通信，將左腳腕處運動數據發送至右腳腕穿戴設備嵌入式處理器中，然后右腳腕可穿戴設備內部嵌入式處理器對左、右腳腕處運動數據進行軟件同步處理，讓定位人員在行走時左右腳腕處運動數據達到在時間上的一一對應；軟件同步算法具體過程是：若硬件保持同步，則20個采樣點均為本次中斷轉換結果，若出現硬件不同步，則20個采樣點中將會插入前一次中斷的最后一個采樣點；

其中卡爾曼濾波器過程方程和離散化的測量方程如下：

其中，Q為四元素矩陣，Φ為三軸角速度矩陣，T為上一時刻四元素矩陣與傳感器采樣周期的乘積，過程方程是根據四元素微分方程的矩陣形式離散化并去除高階量得到，W為陀螺儀的噪音，將其近似為均值為零的獨立高斯白噪聲，并且協方差矩陣式為非負定常值對角陣；g為重力加速度；為三軸加速度傳感器的測量值；M_x、M_y、M_z為地磁場在地理坐標上的分量；為三軸磁力計測量值；V是磁力計測量噪聲；左、右腳腕穿戴設備將傳感器原始數據采集之后根據四元素法和離散型卡爾曼濾波結合求解出姿態角；

所述離線訓練階段通過構建一個BP神經網絡模型，采用所述7個神經網絡輸入數據和步長數據進行訓練，獲得步伐長度預測模型；

所述實時定位階段根據兩腿數據協同進行步伐識別，將識別到的步伐周期內的數據進行預處理并傳輸至上位機進行實時步長預測，然后根據預測的步長和預處理得到的方位角進行航位推斷實現定位；

所述實時定位階段包括如下步驟：

S31，進行運動數據采集，具體為室內定位人員佩戴左腳腕可穿戴設備和右腳腕可穿戴設備，進行左右腳腕處的運動數據采集，并需測量定位人員的身高；

S32，進行步伐識別，獲得定位人員的運動數據后，將左腳腕可穿戴設備內采集到的數據傳輸至右腳腕可穿戴設備內，對兩組數據進行同步處理，獲得左、右腳腕處的角度；對左、右腳腕處的姿態角數據分析判斷是否產生步伐，如果產生了步伐則進行下一步處理，否則繼續檢測；

S33，進行運動數據預處理，兩可穿戴設備內部嵌入式處理器將采集到的運動數據分別處理，然后將兩可穿戴設備的數據進行多傳感器信息融合處理，利用卡爾曼濾波器降低傳感器的測量噪聲，獲取準確的運動數據；最后將預處理完成的數據通過MESH自組網發送至電腦并保存；

S34，進行步伐長度預測，將7個神經網絡輸入數據輸入到已訓練好的BP神經網絡模型中，進行步長預測，輸出為當前步伐的步伐長度；

S35，進行實時定位，根據定位人員的運動方向角，以及所述S34得到的步伐長度進行實時定位，根據步行者航位推算系統PDR為定位人員進行室內定位，系統根據上一位移結束時刻的位置，利用航向角和步伐長度推算當前位移結束時刻的位置；

所述S32中通過對左、右腳腕處的姿態角數據分析判斷是否產生步伐：記錄下定位人員站立時腿部傾角初始值，判斷左、右腳腕處角度數據波形是否符合運動規律；對左、右腳腕處的角度數據進行波峰波谷檢測，再將波峰波谷對應的角度數值與閾值比較判斷是否滿足閾值條件；其中一個角度數據波形達到峰谷值時，將另一波形對應的數值與閾值進行比較，判斷定位人員是否產生了步伐；如果左、右腿傾角數據波形符合倒立擺運動規律，且左腿數據波形對應的波峰、波谷值滿足閾值要求，并且右腿傾角數據波形在左腿傾角數據波形的峰谷值時對應的數值也符合閾值要求，即判斷產生了一步，如果產生了步伐則進行下一步處理，否則繼續檢測。