[發明專利]基于隱馬爾科夫模型的零速檢測方法以及室內行人慣性導航系統

在審

• 申請號: 201910300511.8
• 申請日: 2019-04-15
• 公開（公告）號: CN109883429A
• 公開（公告）日: 2019-06-14
• 發明（設計）人: 田婭;陳哲;秦瑤
• 申請（專利權）人: 山東建筑大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C21/18;G01C25/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李圣梅

本公開提出了基于隱馬爾科夫模型的零速檢測方法以及室內行人慣性導航系統，包括：對人體的步態進行周期劃分；獲得行人在行走過程中三軸的加速度數據、三軸角速度數據及三軸磁力強度；定義人體的步態的狀態值及觀測值，初始化狀態轉移概率矩陣，將對行人在行走過程中的零速度檢測抽象為隱馬爾可夫模型；通過基于卡爾曼濾波器的零速修正算法對隱馬爾可夫模型進行優化，檢測行人正處于站立階段角速度為零時刻，對人步行運動下一階段的狀態進行預測。本公開技術方案提出的零速度檢測算法采用了隱馬爾科夫模型，對人體的行走周期進行準確劃分，避免出現誤檢測和漏檢測的情況。使用基于卡爾曼濾波器的零速修正算法對系統狀態進行最優估計。

技術領域

本公開涉及導航技術領域，特別是涉及基于隱馬爾科夫模型的零速檢測方法以及室內行人慣性導航系統。

背景技術

高精度的導航系統越來越重要，導航成為人們出行借助的有利工具，借助于導航工具的人們可以毫不費力地在移動媒體云中享受大量的基于位置的服務。其中GPS在戶外導航定位中發揮著關鍵作用，但是它有一個缺點就是GPS信號無法穿透建筑物，導致室內導航的精度差，準確性低，從而使基于MEMS(微電機系統)技術的室內行人慣性導航系統(PINS)近年來得到了廣泛的關注。PINS具有許多優點，如小尺寸，低成本，良好的隱蔽性能和高度獨立性，PINS在沒有GPS信號時可以充分發揮其在環境中的優勢，比如在大型的商場，火災而摧毀的建筑物中可以做到精準定位。

慣性導航系統就是利用慣性傳感器、基準方向及最初的位置信息來確定行人的方位、位置和速度的自主式航位推算導航系統。由于傳感器的精度問題和行人運動的不確定性以及周圍環境的影響，如何提高這個系統的準確度以及降低漂移誤差成為目前研究的重要方向。

發明人在研究中發現，近年來，研究人員提出了多種零速修正方法來進行導航誤差的校正。然而，零速修正方法利用了支撐相內＂速度為零＂的步態信息，其有效性依賴于步態時相的正確檢測。步態檢測是行人導航系統進行誤差校正的基礎和前提，步態時相的誤檢測和漏檢測都將引入不同程度的導航誤差?？梢?，目前，國內外在慣性行人導航領域的算法研究主要集中在兩個方面，一是步態周期中支撐相的檢測，二是支撐相內零速修正的實現，但是對于現有技術的漂移誤差累計和長期導航精度不足的問題并沒有相應的解決方案。

相關名詞進行解釋說明如下：行人慣性導航系統(Pedestrian InertialNavigation System，PINS)，隱馬爾可夫模型(Hidden Markov Model,HMM),航位推算(DeadReckoning),捷聯慣導(Strapdown Inertial Navigation System,SINS),微機電系統(Microelectro Mechanical Systems,MEMS)。

發明內容

本說明書實施方式的目的之一是提供基于隱馬爾科夫模型的零速檢測方法，將隱馬爾可夫模型應用到零速度檢測算法，可準確地劃分人體的步態周期，確定行人行走周期的四種狀態(特別是站立階段的準確檢測)，從而有效降低漂移誤差和提高長期導航的精度。

本說明書實施方式提供基于隱馬爾科夫模型的零速檢測方法，采用以下技術方案來實現：

包括：

對人體的步態進行周期劃分，四個階段定義相應的四個狀態，分別為腳尖離地定義為狀態A，擺動狀態定義為狀態B，腳跟觸地狀態為狀態C，站立的狀態為D；

獲得行人在行走過程中三軸加速度數據、三軸角速度數據及三軸磁力強度；

定義人體步態的狀態值及觀測值，初始化狀態轉移概率矩陣，將對行人在行走過程中的零速度檢測抽象為隱馬爾可夫模型；

通過基于卡爾曼濾波器的零速修正算法對隱馬爾可夫模型進行優化，當檢測到行人處于站立階段之后，可周期性地估計和校正導航誤差，提供下一階段更為準確的步態狀態。