基于人體多方位運動模式的空間定位算法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及MEMS慣性傳感器導航領域，特別涉及行人航跡推算及慣性導航領域中 的應用。
【背景技術(shù)】
[0002] 關于人體定位的方法研究有很多，但部分定位方法存在一定缺陷。如基于移動通 信網(wǎng)絡的輔助GPS(A-GPS)定位在地下室等封閉空間無法正常接收衛(wèi)星信號、無線局域網(wǎng) (WLAN)信號很容易受到其他信號干擾，定位精度較低、射頻標簽(RFID)定位易受環(huán)境干擾、 紅外線定位技術(shù)功耗較大且常常會受到室內(nèi)墻體或物體的阻隔，實用性較低、超寬帶無線 (UWB)定位此類設備的造價較高，不利于普及、超聲波定位時超聲波在傳輸過程中衰減明 顯，從而影響其定位有效范圍。
[0003] 慣性系統(tǒng)不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量，是一種自主導航系統(tǒng)，故隱蔽 性好且不受外界電磁干擾的影響，可全時間地工作于空中、地球表面乃至水下。慣性系統(tǒng)能 提供位置、速度、航向和姿態(tài)角信息，所產(chǎn)生的導航信息連續(xù)性好而且數(shù)據(jù)更新率高，短期 精度高，穩(wěn)定性好。
[0004] 當前利用慣性傳感器定位技術(shù)，對人體坐標的解算都只考慮的單一的前進行走運 動模式，不符合人體實際的多方位運動，因此，對人體實際多方位運動定位需要可靠的算法 解算人體的坐標對人體進行定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是提供一種基于人體多方位運動模式的空間 定位算法。拓展了 MEMS慣性傳感器自主導航應用領域。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 本發(fā)明提供的各種不同運動模式下自主導航算法的硬件平臺是手持終端里集成 的MEMS慣性測量單元。
[0008] 本發(fā)明提供的各種運動模式切換時，自主定位算法的實時更新條件，包括三軸加 速度計數(shù)據(jù)模值以及三軸加速度計單軸數(shù)據(jù)相位變化情況；
[0009] 所述三軸加速度計數(shù)據(jù)模值以及三軸加速度計單軸數(shù)據(jù)相位，用于判斷運動模式 切換類型;利用多方位運動模式空間定位算法坐標推算公式計算出人體位置的坐標對行人 進行定位。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：用戶在定位時不受運動模式的限制，可以自 由的多方位運動，不局限于前進行走的運動模式，對于基于MEMS慣性傳感器在人體實際生 活中的導航起到極大的推動作用。
【附圖說明】
[0011] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一 步的詳細描述，其中：
[0012]圖1為多方位運動模式空間定位算法流程。
[0013]圖2為空間定位模型。
[0014]圖3為前進運動、后退運動模型。
[0015] 圖4為左橫向運動、右橫向運動模型。
【具體實施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。
[0017]本算法的流程如圖1所示。
[0018] 使用三軸加速度計模值以及三軸加速度計單軸數(shù)據(jù)相位，判斷出人體運動模式及 步態(tài)。通過EKF算法融合三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁力計數(shù)據(jù)求得行人的航向。利 用氣壓計解算人體高度。空間定位模型如圖2。
[0019] 下文為多方位運動模式空間定位算法坐標推算公式的實施方式。
[0020] 當人體運動模式只有前進行走和后退行走時，二維運動模型如圖3,行人從A點前 進行走到B點，再從B點后退行走到C點。用式(1)進行坐標和位置解算。
[0021]
(1)
[0022]上式中，Lk為每一步的步長，Θ為每一步的航向，Vk為k時刻增加的高度。Sk為運動模 式標志，當前進行走時Sk=l，后退行走時Sk = -1，其他運動模式SkiCLEU)表示東向，N(k) 表不北向，H(k)表不尚度。
[0023] 當人體運動模式只有左橫向行走和右橫向行走時，二維運動模型如圖4,行人從A 點右橫向行走到B點，或行人從A點左橫向行走到C點。用式(2)進行坐標和位置解算。
[0024]
(2)
[0025]上式中，Lk為每一步的步長，Θ為每一步的航向，Vk為k時刻增加的高度。Uk為運動模 式標志，左橫向行走時Uk=-1，右橫向行走時Uk=l，其他運動模式Uk=0。
[0026] 當人體運動是原地靜止、原地旋轉(zhuǎn)、前進行走、后退行走、左橫向行走和右橫向行 走的多方位混合運動模式時，用式(3)進行坐標和位置解算。
[0027]
(3)
[0028]上式中，Lk為每一步的步長，Θ為每一步的航向，Vk為k時刻增加的高度。Sk為前、后 行走運動模式標志，Uk為左、右橫向行走運動模式標志。靜止時，Sk = 0，Uk = 0;前進行走時， Sk=l，Uk=0;后退行走時，Sk=_l，Uk=0;左橫向行走時Sk=0，Uk=-l;右橫向行走時Sk=0， Uk=l〇
【主權(quán)項】
1. 一種基于人體多方位運動模式的空間定位算法，其特征是，包括人體實際運動的5個 方位運動模式判別算法、模式切換過程空間定位算法等； 所述多方位運動模式指，人體實際運動中可能出現(xiàn)的5個方位運動，包括靜止、前進運 動、后退運動、左橫向運動和右橫向運動； 所述靜止指，站立在原地； 所述前進運動指，正向慢走、快走、慢跑和快跑； 所述后退運動指，反向慢退、快退； 所述左橫向運動指，左橫向跨步行走； 所述右橫向運動指，右橫向跨步行走； 所述模式切換過程空間定位算法包括以下運動模式切換方式的定位： 靜止、前進運動、后退運動、左橫向運動、右橫向運動。2. -種基于權(quán)利要求1人體多方位運動模式的空間定位算法，其特征是包括如下步驟： (1)對三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁力計和氣壓計進行數(shù)據(jù)采集及誤差校準和預處 理；（2)通過EKF數(shù)據(jù)融合求得行人的姿態(tài)角，得到行人每一步的航向，利用加速度數(shù)據(jù)對行 人的步態(tài)進行檢測，并在步態(tài)檢測的基礎上估計行人每一步的步長，同時使用三軸加速度 計區(qū)分靜止、前進運動、后退運動、左橫向運動，右橫向運動5類運動運動模式，氣壓計解算 人體高度；（3)將行人的航向、運動模式、步長和高度通過坐標推算公式計算得到當前行人 的位置坐標。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種人體多方位運動模式空間定位算法，屬于定位導航技術(shù)領域。首先通過MEMS傳感器采集人體運動原始信息，其次進行步長估計、航向抽樣、運動模式判別及高度解算，最后利用坐標推算公式解算人體位置的坐標對行人進行定位。便攜式手持終端里集成的低成本MEMS慣性測量單元作為本算法實現(xiàn)的硬件平臺。本算法適用于人體實際的多方位運動模式，具有很高的應用價值。
【IPC分類】G01C21/16
【公開號】CN105651281
【申請?zhí)枴?br>【發(fā)明人】劉宇, 周帆, 路永樂, 李云梅, 張欣, 黎蕾蕾
【申請人】南京諾導電子科技有限公司
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2016年3月3日