一种基于人体运动模式监测的行人导航方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于导航定位领域，涉及到一种基于人体运动模式监测的行人导航方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，市场上具有行人导航功能的产品绝大多数都是依靠地图匹配GPS导航定 位。然而，在高楼林立的城市、大型的地下商场、隧道、地铁或者偏远的深林中，GPS信号将 会严重受限制，进而难以持续的进行行人导航定位。
[0003] 基于惯性测量元件MMU的行人导航体系在GPS信号不佳的场所被广泛应用，MMU 可以不依靠外界信息短时间内给行人提供可靠的位置、速度、姿态等导航信息，满足了很多 场合人们的需要。但是，若长时间的工作，MMU的误差随时间的增长会呈现严重的发散趋 势，精度严重降低，最终，使系统丧失导航功能。
[0004] 现有的研宄中，将MMU置于胫骨、腰部、头部等处，其运动的规律性可以抑制MMU 的发散。通过行人的行走规律估算出行人步长，再利用行人航位推算算法定位。这种改进 使惯性导航体系的精度有一定的提高，但存在着限制行人运动状态的不足之处，行人只能 以比较缓慢而规律的步伐进行行走时才可以达到比较好的定位精度。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于人体运动模式监测的行人 导航方法，实现任意运动状态下的高精度定位，尤其是室内等弱/无卫星信号的陌生应用 环境。该方法是把人体运动模式识别的思想运用到行人导航系统中的一种新型导航定位的 方法。
[0006] 为达到上述目的，本发明提供的技术放案具体步骤为：
[0007] 1):在行人髋关节、膝关节、踝关节处安装双轴角度传感器，实时采集髋关节的屈 伸度、外展度和内收度，膝关节的屈伸度和外旋度、内旋度，踝关节的背屈度、跖屈度、外翻 度和内翻度；在行人双脚脚掌和脚跟处都装上压力传感器，实时采集行人运动时双足压力 大小变化；在行人身上安装磁航向传感器，测量航向角；
[0008] 2):建立以行人两侧髋关节连线中点为原点以前方为正的前后方向为X轴，以从 左到右为正的横向为Y轴，以从上到下为正的纵向为Z轴的三维人体坐标系；
[0009] 3):测量行人大腿、小腿和脚掌的长度，将大腿、小腿和脚掌近似成连杆，计算行人 运动时各关节在坐标系中的位置。
[0010] 4):行人的行走或跑步等的运动状态，是一个由双脚撑地转变成单脚撑地再转变 成双脚撑地的循环过程。每当行人处于双脚撑地这一状态时，记为一步，并以此时双脚的坐 标值计算出行人步长。
[0011] 5):根据4个压力传感器所受压力的大小变化，各关节在人体坐标系中位置的变 化以及变化频率的大小可以判断出行人正处于静止、行走还是跑步等状态。根据不同的运 动状态，对所求得的步长进行修正。
[0012] 6):使用步长、步数和航向角进行航迹推算推算出行人的位置信息。
[0013] 本发明还可以包括：
[0014] 所述步骤4)中的步长具体解算方法为：
[0015] m=IL2sinD!sin!+L1Sina1Siny「L2sinD2sin^L1Sina2Siny21 +L3。
[0016] 式中，Ltl为坐标原点到两侧髋骨的距离，Li为行人大腿长度，L2为行人小腿长度， L3为行人脚掌长度；
[0017] ap^分别为左侧髋关节的屈伸度和外展或内收度，a2、02分别为右侧髋关节 的屈伸度和外展或内收度；
[0018] D1、奶为左侧膝关节的屈伸度和外旋或内旋度，Q2、分别为右侧膝关节的屈 伸度和外旋或内旋度。
[0023] sin为角的正弦值，cos为角的余弦值，arcos为角的反余弦值。
[0024] 步骤6中航迹推算算法的具体内容为：
[0025] Xi=Xo+Sj0J
[0026] Yi=y(,+Si 8 4
[0027] 其中，Si=Smj，m为步长，（Xci, 为行人初始坐标值，（Xi,yj为当前位置坐标值， 9i、S冷别为X、Y方向上的航向角。
[0028] 本发明对比于现有技术有如下有益效果：通过引入人体运动模式识别方法，利用 人体的关节的弯曲度和大小腿及脚掌的长度可以实时监测人体的运动状态，并且可以比较 准确的求出行人每步步长。通过足底的压力传感器实时采集的数据分析可以准确的记下行 人所走的步数，利用航迹推算算法可求得行人所在位置，克服了原有行人导航系统对行人 运动状态的限制，步长也较原有的估算值更为准确。本发明方法将人体运动状态识别应用 于行人导航中，计算简单，有效的提高了行人导航系统的定位精度。
【附图说明】
[0029] 图1是基于人体运动模式监测的行人导航方法原理图；
[0030]图2是基于人体运动模式监测的行人导航流程说明图；
[0031] 图3是本发明建立的三维人体坐标系。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图和具体实例对本发明做进一步做详细说明。
[0033] 一种基于人体运动模式监测的行人导航方法，包括如下步骤：
[0034] I):在行人髋关节、膝关节、踝关节处安装双轴角度传感器，实时采集髋关节的屈 伸度、外展度和内收度，膝关节的屈伸度和外旋度、内旋度，踝关节的背屈度、跖屈度、外翻 度和内翻度；在行人双脚脚掌和脚跟处都装上压力传感器，实时采集行人运动时双足压力 大小变化；在行人身上安装磁航向传感器，测量航向角；
[0035] 2):建立以行人两侧髋关节连线中点为原点与前方为正的前后方向为X轴，与从 左到右为正的横向为Y轴，与从上到下为正的纵向为Z轴的三维人体坐标系；
[0036] 3):测量行人大腿、小腿和脚掌的长度，将大腿、小腿和脚掌近似成连杆，计算行人 运动时各关节在坐标系中的位置。
[0037] 4):行人的行走或跑步等的运动状态，是一个由双脚撑地转变成单脚撑地再转变 成双脚撑地的循环过程。每当行人处于双脚撑地这一状态时，记为一步，并以此时双脚的坐 标值计算出行人步长。
[0038] 5):根据4个压力传感器所受压力的大小变化，各关节在人体坐标系中位置的变 化以及变化频率的大小可以判断出行人正处于静止、行走还是跑步等状态。根据不同的运 动状态，对所求得的步长进行修正。
[0039] 6):使用步长、步数和航向角进行航迹推算推算出行人的位置信息。
[0040] 下面以行人行走状态为例，具体描述基于人体运动监测的行人导航方法。取髋关 节连线的中点（腰部附近）为原点，建立人体三维坐标系，如图3所示。
[0041] 根据人体关节活动度，可知髋关节、膝关节和踝关节都有两个方向的活动度，采用 双轴角度传感器测得各关节在行走时两个方向的角度。
[0042] 将人体连接髋关节和