一種可穿戴式人體步態檢測的自主定位方法
【專利摘要】一種可穿戴式人體步態檢測的自主定位方法，包括：（1）針對人體的運動建立狀態轉移模型，并進行捷聯慣性導航系統位置、速度及姿態的解算；（2）利用人體行為檢測約束條件，并對人體靜止步態特征進行捕捉與提取；（3）根據零速、零角速度及姿態校正的方式進行姿態誤差集成；（4）利用智能濾波器進行誤差估計；（5）利用估計誤差修正人體運動的姿態和位置。該發明在面向室內定位方面，從便捷度和精準度兩個角度都提供了有力支持。
【專利說明】一種可穿戴式人體步態檢測的自主定位方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于導航定位【技術領域】，特別是涉及一種可穿戴式人體步態檢測的自主定位方法。
【背景技術】
[0002]目前，室外導航已經成為了一項比較成熟和實用的技術。該技術用于向人們在樓宇林立的城市內推薦從起點到終點的優化線路，同時會為人們提供多種不同的線路選擇。室外導航系統的成品有諸如:百度地圖，谷歌地圖等系統；這些系統經過多年的發展，技術已經比較成熟。人們也已經習慣了使用這些系統。
[0003]然而，隨著數據業務和多媒體業務的快速增加，人們對定位與導航的需求日益增大，尤其在復雜的室內環境，如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、礦井等環境中，常常需要確定移動終端或其持有者在室內的位置信息。但是受定位時間、定位精度以及復雜室內環境等條件的限制，現今的導航系統往往顯得力不從心，存在下述問題:首先，室內定位不夠精準，一般民用導航系統精度在IOm左右，相對于室內精確導航的要求還有一段距離；其次，室內經常會出現諸如墻、禁止通行路標、欄桿等障礙物，室外導航系統基本不會考慮這些細微的障礙物，因而會出現諸如穿墻、跨欄等問題，給用戶造成不好的應用體驗。
[0004]隨著智能手機的普及以及移動互聯網的發展，地圖與導航類軟件將進入一個新時代:室內導航。近幾年來，包括谷歌、微軟、蘋果、博通等科技巨頭及一些世界有名的大學，都在積極研究室內定位導航方面的相關技術。目前，專家學者提出的室內定位技術解決方案包括=A-GPS定位技術(室內GPS定位技術)、超聲波定位技術、藍牙技術、紅外線技術、射頻識別技術、超寬帶技術、無線局域網絡、光跟蹤定位和ZigBee技術，以及圖像分析、信標定位、計算機視覺定位技術等。然而，直到目前還沒有人提出一種低成本、好實現、易操作，擁有高精度、高可靠性的室內自主定位的方法，鑒于此，本發明利用零速和全姿態校正的方式，將誤差向量通過智能濾波器對MEMS慣性測量單元IMlXInertial Measurement Units,以下文字和附圖中均將MEMS IMU簡寫為IMU)的定位及姿態信息進行校準，從而完成擁有上述幾個特點的室內定位工作。
[0005]與同領域的相關申請專利進行對比，本發明的創造性及優點較為明顯。比如，申請號為:201110106566.9，專利名稱是《行人慣性導航裝置和方法》的專利，其采用的是利用安裝位于鞋子腳掌與腳跟部位的微動開關，來進行數據采集的通斷過程。此設計引入了硬件設備，從而可靠性和成本問題就隨之暴露了出來。然而本發明是采用軟件算法來作為后期校正算法的觸發開關，幾乎無需成本，并且根據多條件判定的方法，使得開關的準確性及穩定性均有了很強的保障。再比如，申請號為:201310144213.7，專利名稱是《一種穿戴式的人員步態檢測室內定位系統及方法》的專利，其校正模塊所采用的是標簽法來進行后期的相關校正，這就需要提前預知要定位的室內位置信息以及提前設立預置節點。其成本、操作復雜度以及定位所需條件要求高等問題，到最終都是需要反復考量并解決的難題。而本發明，只需用戶佩戴好含有本發明相關方法的MU，而且無需提前預知當地的地理信息以及設立節點，便可直接在陌生的環境中進行定位測試，人為所需操作的復雜度也基本降至為零。最后，再比較一個歐洲的相關專利。其申請號為:11184048.4,專利名稱是《System andmethod for wavelet-based gait classification》。此專利實現的方法是要首先建立起一個步態模型庫，然后再根據MU所測量的數據進行之后的步態匹配，接著再根據特定的步態對應特定的步長，進而得到相關的航位推算。它的局限性就在于步態模型庫建立的復雜度很高，很難建全建準，而且步態匹配度以及步長對應關系也很可能難以達到足夠高的精度，從而所推算出來的航位信息精度也會隨之受到很大的影響。而本發明，無需建立步態模型庫，這樣便首先降低了系統組建的復雜程度。而且所用的校準環節是利用各個零瞬態觸發，通過零速及全姿態校正的智能濾波器來對載體的姿態、速度以及位置進行相關的推算和校正，其精度絕對可以得到很高的保障。
[0006]綜上便是本發明的研究【背景技術】以及相較同領域研究的一些優點和創造性。可以說，在某種程度上本發明從成本、可靠性、復雜性以及精確性等角度都給予了其它相關研究所不具備或不同時具備的先進性、新穎性和創造性。
【發明內容】
[0007]本發明的主要目的在于:面向室內定位，在無衛星定位的情況下，利用設備可穿戴的特點，根據人體步態靜止特征，提取步態狀態，通過零速、零角速度、地磁和智能濾波器等手段對微慣導系統的定位信息進行修正，有效解決慣導器件的長時漂移問題，從而提高定位精度。綜合來看，本發明采用SINS+IF+ZUPT+ZARU+COMPASS算法框架，其中SINS為捷聯慣性導航系統，IF為智能濾波器，ZUPT為基于人體步態的零速修正，ZARU為基于人體步態的零角速度修正，COMPASS為地磁導航單元。
[0008]為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
一種可穿戴式人體步態檢測的自主定位方法，包括以下步驟:
步驟1，針對人體的運動建立狀態轉移模型，并進行捷聯慣性導航系統位置、速度及姿態的解算；
步驟2，利用人體行為檢測約束條件，并對人體靜止步態特征進行捕捉與提取；
步驟3，根據零速、零角速度及姿態校正的方式進行姿態誤差集成；
步驟4，利用智能濾波器進行誤差估計；
步驟5，利用估計誤差修正人體運動的姿態和位置。
[0009]進一步的，通過可穿戴于人體上的測量傳感器件測量出步驟I中所述的位置、速度及姿態；測量傳感器件包括加速度計、陀螺儀、地磁傳感器。
[0010]進一步的，所述步驟2中，利用步態檢測模塊進行靜態步態的捕捉與提取，步態檢測模塊包括三軸加速度計、三軸陀螺儀及三軸磁強計。
[0011]進一步的，所述的步驟2中對于人體靜止步態特征捕捉與提取，其檢測約束的條件為四個:(I)三軸加速度計合成的加速度幅值，其輸出量滿足靜態閾值條件；(2)加速度合成幅值的局部方差輸出量滿足靜態閾值條件；(3)三軸陀螺儀合成的角速度幅值，其輸出量滿足靜態閾值條件；(4)三軸磁強計合成的地磁幅值，其輸出量滿足靜態閾值條件；當上述四條件同時滿足時，便可判定此時為步態的絕對靜止時刻。[0012]進一步的，所述步驟3中，將檢測為靜止的時間區間內的解算速度偏差、測量角速度偏差、解算的方位和根據地磁傳感器輸出計算得到的方位一起構成觀測量，通過設計智能濾波器進行估計。
[0013]進一步的，所述的步驟4中，采用基于粒子濾波的Kalman濾波方法進行誤差估計，使每個步態靜止時刻均可對應全姿態信息，進行實時校準，提高定位精度。
[0014]由于被測載體是人，對象較為特殊，而且在定位過程中處于運動狀態；那么，建立一個合適的狀態轉移模型，對于提高后期誤差估計等相關信息解算的精度，就顯得尤為重要了 ；因而根據人體運動的特點，最終建立了針對于人體運動的狀態轉移模型。
[0015]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
(O本發明根據人體運動狀態所建立的狀態轉移模型更加適用于人體在運動過程當中的精準定位；
(2)本發明相較已有的那些無線及設立預知節點等相關的室內定位方法，其可靠性相對更高，而且無需預先知道當地的室內結構及布局，使用靈活性也較好；
(3)本發明采用多條件檢測法，所提取出的絕對靜止步態用來進行步態觸發工作，其可靠性和實時性都有了更高層次的保障及支持；所采用的零速和全姿態校正的方式更好地收集了觀測誤差向量，并通過拓展型的智能濾波器更加準確地校正了慣性器件的累計誤差，從而可以得出更好的定位結果。
[0016](4)本發明具有可穿戴的特點，使用戶操作起來更加便捷，且無需進行復雜的預先設置以及背負較大的定位裝備，真正實現了小巧便捷、靈活好用的技術效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為慣性測量單元(MU)安置腳部示意圖；
圖2為慣性測量單元(MU)安置腰部示意圖；
圖3為慣性測量單元(IMU)安置胸部示意圖；
圖4為可穿戴式人體步態檢測的自主定位方法流程圖；
圖5為捷聯慣性導航算法流程圖；
圖6為靜止步態檢測捕捉示意圖；
圖7為人體運動步態檢測方框圖；
圖8為Cl條件下腳部合成加速度幅值檢測圖；
圖9為Cl條件下腰部合成加速度幅值檢測圖。
【具體實施方式】
[0018]本發明提供的一種可穿戴式人體步態檢測的自主定位方法的流程如圖4所示: 4-1:為MU慣性測量單元，用其測量出未經校正的位置、速度、姿態等相關信息和地磁
角度。4-1-1為加速度計:用其測量出三軸加速度的值；4-1-2為陀螺儀:用其測量出三軸角速度的值；4-1_3為地磁傳感器:用其測量出三軸的地磁角度，目的是為4-3-3中的地磁角度更新模塊服務；
4-2:為步態檢測模塊:通過4-1中的測量值，進行多條件判斷，進行靜止步態的捕捉與提取；4-3:為校正數據更新模塊。4-3-1:通過靜止步態觸發零速度更新模塊；4-3-2:通過靜止步態觸發零角速度更新模塊；4-3-3:通過靜止步態觸發地磁角度更新模塊；
4-4:通過4-3的數據更新來進行觀測誤差的集成工作；
4-5:為智能濾波器:用其進行誤差估計，將估計值以狀態誤差向量的形式傳遞給4-6模塊，與原始數據進行核算，得出精度相對較高的定位信息；
4-6:為位置、速度及姿態等定位信息的計算模塊；
具體步驟如下:
步驟I，針對人體的運動建立狀態轉移模型以及進行捷聯慣性導航系統位置和姿態的
解算；
在進行行人室內定位的過程當中，其狀態模型是非線性的，但是可以運用狀態估計的方式將其線性化。在此，本發明設立一個15維的狀態誤差向量，在其k時刻的表達式如下:
【權利要求】
1.一種可穿戴式人體步態檢測的自主定位方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟1，針對人體的運動建立狀態轉移模型，并進行捷聯慣性導航系統位置、速度及姿態的解算； 步驟2，利用人體行為檢測約束條件，并對人體靜止步態特征進行捕捉與提取； 步驟3，根據零速、零角速度及姿態校正的方式進行姿態誤差集成； 步驟4，利用智能濾波器進行誤差估計； 步驟5，利用估計誤差修正人體運動的姿態和位置。
2.根據權利要求1所述的可穿戴式人體步態檢測自主定位的設計方法，其特征在于:通過可穿戴于人體上的測量傳感器件測量出步驟I中所述的位置、速度及姿態；測量傳感器件包括加速度計、陀螺儀、地磁傳感器。
3.根據權利要求1所述的可穿戴式人體步態檢測自主定位的設計方法，其特征在于:所述步驟2中，利用步態檢測模塊進行靜態步態的捕捉與提取，步態檢測模塊包括三軸加速度計、三軸陀螺儀及三軸磁強計。
4.根據權利要求1所述的可穿戴式人體步態檢測自主定位的設計方法，其特征在于:所述的步驟2中對于人體靜止步態特征進行捕捉與提取，其檢測約束條件包括: (1)三軸加速度計合成的加速度幅值，其輸出量滿足靜態閾值條件； (2)加速度合成幅值的局部方差輸出量滿足靜態閾值條件； (3)三軸陀螺儀合成的角速度幅值，其輸出量滿足靜態閾值條件； (4)三軸磁強計合成的地磁幅值，其輸出量滿足靜態閾值條件； 當上述四條件同時滿足時，便可判定此時為步態的絕對靜止時刻。
5.根據權利要求1所述的可穿戴式人體步態檢測自主定位的設計方法，其特征在于:所述的步驟3中，將檢測為靜止的時間區間內的解算速度偏差、測量角速度偏差、解算的方位和根據地磁傳感器輸出計算得到的方位一起構成觀測量，通過設計智能濾波器進行估計。
6.根據權利要求1所述的可穿戴式人體步態檢測自主定位的設計方法，其特征在于:所述的步驟4中，采用基于粒子濾波的Kalman濾波方法進行誤差估計，使每個步態靜止時刻均可對應全姿態信息，進行實時校準，提高定位精度。
【文檔編號】G01C21/00GK103968827SQ201410141721
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月9日 優先權日:2014年4月9日
【發明者】李擎, 李超, 劉寧, 蘇中 申請人:北京信息科技大學, 北京德維創盈科技有限公司