專利名稱：行人慣性導航裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種行人慣性導航裝置和行人慣性導航方法，更加具體地講，涉及一種基于步行狀態傳感器輔助進行慣性器件校正以導航精度的行人導航的慣性測量裝置和方法。
背景技術：
目前GPS技術可以用于行人導航。但是，在室內等GPS信號非常微弱的場所或植被建筑遮擋衛星信號的場所，存在定位困難或精度下降的問題。一些行人導航裝置利用近距離的無線電導航，但這要求提供無線電發射裝置，不適于位置環境中使用和推廣。并且使用時不能遮擋無線電信號，對行人的自由行動有障礙。目前微型慣性測量裝置精度偏低，漂移誤差較大，單獨使用于長時間導航時具有較大的定位誤差不能滿足一般的導航需求，需要尋找提高導航精度的方法。
發明內容
本發明的目的在于避免上述技術中的不足之處，提供一種不依賴于GPS等外部基礎設施、可獨立導航的行人慣性導航裝置和方法。為實現上述目的，本發明所采取的技術方案是該行人慣性導航裝置包括用于與行人鞋跟固定連接的慣性測量單元、數據采集及處理單元、顯示單元、步行狀態采集單元和供電單元，慣性測量單元包括敏感方向互相垂直的三個加速度計和敏感軸互相垂直的三個陀螺；供電單元分別與慣性測量單元、數據采集及處理單元和顯示單元電連接，慣性測量單元的輸出端與數據采集及處理單元的輸入端連接，數據采集及處理單元的輸出端與顯示單元的輸入端連接；步行狀態采集單元包括用于固定安裝于行人鞋子的腳跟部位的第一微動開關和用于固定安裝于行人的鞋子的腳掌部位的第二微動開關，第一微動開關、第二微動開關分別與數據采集及處理單元的輸入端電連接。本發明利用上述裝置進行行人慣性導航的方法包括如下步驟
(1)將行人慣性導航裝置中的慣性測量單元與行人的鞋跟固定在一起，使得慣性測量單元的三個敏感軸中的χ軸與地面和鞋的長度方向平行、y軸與地面平行且ζ軸與地面垂直；將步行狀態采集單元的第一微動開關固定安裝于行人鞋子的腳跟部位，并將將步行狀態采集單元的第二微動開關固定安裝于行人的鞋子的腳掌部位；
(2)在行人處于靜止狀態時，對行人慣性導航裝置進行初始對準；
(3)慣性測量單元從行人的鞋跟處分別采集χ軸、y軸和ζ軸上的加速度和角速度并傳輸到數據采集及處理單元；
(4)數據采集及處理單元將步驟(3)所獲得的χ軸上的加速度與預設的閾值進行比較 若χ軸上的加速度小于預設的閾值，且第一微動開關和第二微動開關均為閉合狀態，
則將數據采集及處理單元(2)利用捷聯慣性導航算法所計算的當前速度作為從上一次執行步驟(4)到目前的積累誤差，則將數據采集及處理單元中捷聯慣性導航算法的計算的當前速度認為是積累誤差，根據這一誤差對慣性測量單元進行校正，后利用捷聯慣性導航算法對步驟(2)所采集的χ軸、y軸和ζ軸上的加速度和角速度計算行人的鞋跟的姿態信息和位移信息；
若χ軸上的加速度大于等于預設的閾值，則直接利用捷聯慣性導航算法對步驟(2)所采集的χ軸、y軸和ζ軸上的加速度和角速度計算行人的鞋跟的姿態信息和位移信息；
(5)將步驟(4)計算得到的姿態信息和位移信息發送到顯示單元并進行顯示，同時返回執行步驟(3)。相對于現有技術，本發明的優點是
(1)本發明使用的主要傳感器件為慣性測量單元，是一種慣性導航裝置；慣性導航是一種自主式的導航方法，它完全依靠載體自身設備獨立自主地進行導航，無需外部設備的輔助。而現在使用較多的GPS導航設備則需要接收到足夠強度的衛星信號，不利于在室內或茂林等環境中使用。(2)本發明中使用了步行狀態采集單元，用于得到行人當前的步行狀態。采用的慣性導航方法根據已知的步行狀態，對慣性測量單元進行周期性的校正，從而消除了長期的積累誤差，提高了導航精度。否則，由于慣性器件的積累誤差一般會以時間平方的速度積累，導致結果誤差太大，無法使用。
圖1是本發明的系統結構圖2是慣性測量單元的安裝位置示意圖； 圖3是行人步行狀態的5個階段的示意圖4表示行人行走過程中，腳跟部相對于地面的速度與時間的關系，以及腳根部相對于地面的速度隨著腳處于不同的階段而周期性變化； 圖5是步行狀態采集單元示意圖； 圖6示意了本發明的安裝位置；
圖中1為慣性測量單元，2為數據采集及處理單元，3為顯示單元，13為步行狀態采集單元，4為供電單元，5為鞋跟，6為IMU安裝位置，7為鞋底，8為右腳跟觸底狀態，9為右腳掌放平狀態，10為左腳抬起狀態，11為右腳跟抬起狀態，12為右腳全部抬起狀態，14為步行狀態采集單元安裝位置，15為鞋墊、16為安裝在鞋墊腳掌部位的微動開關，17為安裝在鞋墊腳跟部位的微動開關，18為與微動開關連接的導線，19為導線，20為終端機。
具體實施例方式下面參照圖1和圖2對本發明行人慣性導航裝置作進一步說明。慣性測量單元1 (簡稱IMU)主要由敏感方向互相垂直的三個加速度計、敏感軸互相垂直的三個陀螺、必要的控制器和輸出端構成。慣性測量單元1與供電單元4電連接，并由供電單元4進行供電。慣性測量單元1的輸出端與數據采集及處理單元2的輸入端連接，向數據采集及處理單元2提供測量數據。慣性測量單元1與行人的鞋跟固定在一起，但不應影響步行。慣性測量單元1具有三個敏感軸X、1、ζ,固定時應使χ軸與地面和鞋的長度方向平行、y軸與地面平行且ζ軸與地面垂直。由于MEMS慣性器件在體積和重量上的優勢，慣性測量單元1 一般選用MEMS器件，可以選用MEMSENSE公司的H3 - IMU型“高性能慣性測量單元”;H3 - IMU型“高性能慣性測量單元”采用9V供電，通信接口為RS422，重量僅為50克，安裝在鞋跟部位時不影響行人行動自由。數據采集及處理單元2的輸入端與慣性測量單元1輸出端連接，以使數據采集及處理單元2周期性地采集慣性測量單元1的測量數據。數據采集及處理單元2同時與供電單元4電連接，并由供電單元4進行供電。數據采集及處理單元2包括一個高性能的浮點 DSP，用于運行慣性導航算法，并按照行人慣性導航的方法對采集到的測量數據進行處理后得到行人的位置、方向、速度等信息。數據采集及處理單元2可以采用TI公司的F28335型 DSP，它采用SOC技術，集成了一個32位浮點高速CPU、通用串行總線接口、內部RAM和內部 Flash資源；通用串行總線接口可以與慣性測量單元1進行通信，內部RAM和Flash用于存儲程序和數據。步行狀態采集單元13包括第一微動開關16和第二微動開關17。第一微動開關16 和第二微動開關17分別通過導線18與數據采集及處理單元2的輸入端連接。微動開關受到壓力時閉合，沒有壓力時斷開。如圖5所示，第一微動開關16安裝于行人鞋子的鞋墊15 的腳跟部位，用于接收行人腳跟的壓力；第二微動開關17安裝于行人鞋子的鞋墊15的腳掌部位，用于接收行人腳掌的壓力。顯示單元3用于顯示數據采集及處理單元2計算得到的行人速度和位置信息，提供人機界面。顯示單元3的輸入端與數據采集及處理單元2的輸出端連接。顯示單元3可以是一塊液晶顯示器。供電單元4通過電線對整個系統進行供電，包括蓄電池和電源管理裝置，其中蓄電池用于存儲電能，電源管理裝置為不同的用電器件提供所需的電壓。數據采集及處理單元2、顯示單元3和供電單元4可組裝成為一個終端機20。終端機20可手持，或放在背包中隨身攜帶起到便攜的作用。如圖6所示，位于行人鞋子上的慣性測量單元1和步行狀態采集單元13通過供電和通信導線19與終端機20連接。供電和通信導線19沿著行人大腿布線，不應影響步行。本發明利用上述行人慣性導航裝置導航的方法包括如下步驟
(1)將行人慣性導航裝置中的慣性測量單元1與行人的鞋跟固定在一起，使得慣性測量單元1的三個敏感軸中的X軸與地面和鞋的長度方向平行、y軸與地面平行且Z軸與地面垂直；將步行狀態采集單元13的第一微動開關16固定安裝于行人鞋子的腳跟部位，并將步行狀態采集單元13的第二微動開關17固定安裝于行人的鞋子的腳掌部位。(2)在行人處于靜止狀態時，對行人慣性導航裝置進行初始對準。初始對準是指在進入導航狀態前需要獲取慣性測量單元1的初始速度和初始位置信息，并將慣性測量單元1的指向對準地理坐標系。行人靜止站立在水平地面上，并面向某一參照方向(如北方)，即可進行初始對準；此時初始速度為0，所占位置和方向即初始位置和方向，此后的導航位置和方向都是相對于初始位置和方向的。(3)慣性測量單元1從行人的鞋跟處分別采集χ軸、y軸和ζ軸上的加速度和角速度并傳輸到數據采集及處理單元2 ；
(4)數據采集及處理單元2將步驟(3)所獲得的χ軸上的加速度與預設的閾值進行比較預設的閾值可以是靜態的，如設置為0. 5m/s2;也可以是動態設定，如設置為最大加速度的5% ο若χ軸上的加速度小于預設的閾值，且第一微動開關16和第二微動開關17均為閉合狀態，則將數據采集及處理單元(2)利用捷聯慣性導航算法所計算的當前速度作為從上一次執行步驟(4)到目前為止的積累誤差，則將數據采集及處理單元2利用捷聯慣性導航算法所計算的當前速度認為是積累誤差，根據這一積累誤差對慣性測量單元1進行校正，后利用捷聯慣性導航算法對步驟(2)所采集的χ軸、y軸和ζ軸上的加速度和角速度計算行人的鞋跟的姿態信息和位移信息；
若χ軸上的加速度大于等于預設的閾值，則直接利用捷聯慣性導航算法對步驟(2)所采集的χ軸、y軸和ζ軸上的加速度和角速度計算行人的鞋跟的姿態信息和位移信息。由于本發明中慣性測量單元1與鞋跟固定在一起，屬于捷聯式。因此，可以使用目前成熟的捷聯慣性導航算法，從加速度和角速度輸入，計算出位置、方位、速度信息。實際情況下，慣性測量單元1中的陀螺具有漂移誤差，加速度計具有零位誤差。根據捷聯慣導理論，這些誤差會導致隨時間積累的系統誤差。導航的時間越長，積累的誤差越大。本發明就針對這一問題，利用行人步行時已知的信息，以跨步時間為周期，對慣性測量單元1進行校正，使得誤差積累的時間僅為跨步周期，從而降低了導航誤差。因為每一步可以分為圖3所示(以先邁右腳為例)的五個階段顯示右腳后腳跟著地，后腳跟放平后，身體重心轉移到右腳上面，左腳前抬，左腳著地并放平后右腳跟抬起，右腳登地，腳尖離地后開始并前移，本步結束。在未著地及著地過程中，右腳都在運動中，慣性測量裝置數據變化較大，但在右腳著地且左腳跨步過程中，右腳作為身體重心的支點，其位置并未發生變化，慣性測量裝置只受重力影響，加速度矢量和為當地重力，角速度為零。將當前慣性傳感單元輸出作為慣性傳感單元的漂移誤差，從測量結果中扣除。如圖4示，腳根部相對于地面的速度隨著腳處于不同的階段而周期性變化。這一特點可以用來對慣性測量裝置進行校正，消除其漂移誤差，并消除誤差的長期積累。另外，通過在鞋底前后設置的一對微動開關第一微動開關16和第二微動開關 17，可以得到腳步的步行狀態。只有在第一微動開關16和第二微動開關17全部受壓閉合時，才認為安裝步行狀態采集單元13的那只腳已經著地并放平。這樣可以消除只是從加速度閾值判斷步行狀態造成的誤判現象。(5)將步驟(4)計算得到的姿態信息和位移信息發送到顯示單元3并進行顯示，同時返回執行步驟(3)。
權利要求
1.一種行人慣性導航裝置，其特征是包括用于與行人鞋跟固定連接的慣性測量單元 (1)、數據采集及處理單元(2)、顯示單元(3)、步行狀態采集單元(13)和供電單元(4)，所述慣性測量單元(1)包括敏感方向互相垂直的三個加速度計和敏感軸互相垂直的三個陀螺； 所述供電單元(4)分別與慣性測量單元(1)、數據采集及處理單元(2)和顯示單元(3)電連接，所述慣性測量單元(1)的輸出端與數據采集及處理單元(2)的輸入端連接，數據采集及處理單元(2)的輸出端與顯示單元(3)的輸入端連接；所述步行狀態采集單元(13)包括用于固定安裝于行人鞋子的腳跟部位的第一微動開關(16)和用于固定安裝于行人的鞋子的腳掌部位的第二微動開關(17)，所述第一微動開關(16)、第二微動開關(17)分別與數據采集及處理單元(2)的輸入端電連接。
2.一種利用權利要求1的裝置進行行人慣性導航的方法其特征是包括如下步驟步驟(1)將所述行人慣性導航裝置中的慣性測量單元(1)與行人的鞋跟固定在一起，使得慣性測量單元(1)的三個敏感軸中的X軸與地面和鞋的長度方向平行、y軸與地面平行且Z軸與地面垂直；將所述步行狀態采集單元(13)的第一微動開關(16)固定安裝于行人鞋子的腳跟部位，并將將所述步行狀態采集單元(13)的第二微動開關(17)固定安裝于行人的鞋子的腳掌部位；(2)在行人處于靜止狀態時，對行人慣性導航裝置進行初始對準；(3)所述慣性測量單元(1)從行人的鞋跟處分別采集χ軸、y軸和ζ軸上的加速度和角速度并傳輸到所述數據采集及處理單元(2)；(4)所述數據采集及處理單元(2)將步驟(3)所獲得的χ軸上的加速度與預設的閾值進行比較若χ軸上的加速度小于預設的閾值，且所述第一微動開關(16)和第二微動開關(17)均為閉合狀態，則將數據采集及處理單元(2)利用捷聯慣性導航算法所計算的當前速度作為從上一次執行步驟(4)到目前的積累誤差，并根據這一積累誤差對慣性測量單元(1)進行校正，后利用捷聯慣性導航算法對步驟(2)所采集的χ軸、y軸和ζ軸上的加速度和角速度計算行人的鞋跟的姿態信息和位移信息；若χ軸上的加速度大于等于預設的閾值，則直接利用捷聯慣性導航算法對步驟(2)所采集的χ軸、y軸和ζ軸上的加速度和角速度計算行人的鞋跟的姿態信息和位移信息；(5)將步驟(4)計算得到的所述姿態信息和位移信息發送到所述顯示單元(3)并進行顯示，同時返回執行步驟(3)。
全文摘要
本發明公開一種行人慣性導航裝置和方法。其慣性測量單元包括敏感方向互相垂直的三個加速度計和敏感軸互相垂直的三個陀螺；供電單元分別與慣性測量單元、數據采集及處理單元和顯示單元電連接，慣性測量單元輸出端與數據采集及處理單元輸入端連接，數據采集及處理單元輸出端與顯示單元輸入端連接；步行狀態采集單元包括固定安裝于行人鞋子腳跟部位的第一微動開關和固定安裝于行人鞋子腳掌部位的第二微動開關，第一微動開關、第二微動開關分別與數據采集及處理單元的輸入端電連接。導航時，不依賴于GPS等外部設施，而是通過利用某一步行狀態時慣性測量單元的已知特性對慣性測量單元進行校正，消除慣性測量單元的誤差長時間積累，以提高導航精度。
文檔編號G01C21/16GK102261915SQ20111010656
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月27日 優先權日2011年4月27日
發明者劉承, 張登偉, 楊艷廣, 舒曉武 申請人:浙江大學