基于人体多方位运动模式的空间定位算法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及MEMS惯性传感器导航领域，特别涉及行人航迹推算及惯性导航领域中 的应用。
【背景技术】
[0002] 关于人体定位的方法研究有很多，但部分定位方法存在一定缺陷。如基于移动通 信网络的辅助GPS(A-GPS)定位在地下室等封闭空间无法正常接收卫星信号、无线局域网 (WLAN)信号很容易受到其他信号干扰，定位精度较低、射频标签(RFID)定位易受环境干扰、 红外线定位技术功耗较大且常常会受到室内墙体或物体的阻隔，实用性较低、超宽带无线 (UWB)定位此类设备的造价较高，不利于普及、超声波定位时超声波在传输过程中衰减明 显，从而影响其定位有效范围。
[0003] 惯性系统不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量，是一种自主导航系统，故隐蔽 性好且不受外界电磁干扰的影响，可全时间地工作于空中、地球表面乃至水下。惯性系统能 提供位置、速度、航向和姿态角信息，所产生的导航信息连续性好而且数据更新率高，短期 精度高，稳定性好。
[0004] 当前利用惯性传感器定位技术，对人体坐标的解算都只考虑的单一的前进行走运 动模式，不符合人体实际的多方位运动，因此，对人体实际多方位运动定位需要可靠的算法 解算人体的坐标对人体进行定位。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明所解决的技术问题是提供一种基于人体多方位运动模式的空间 定位算法。拓展了 MEMS惯性传感器自主导航应用领域。
[0006] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0007] 本发明提供的各种不同运动模式下自主导航算法的硬件平台是手持终端里集成 的MEMS惯性测量单元。
[0008] 本发明提供的各种运动模式切换时，自主定位算法的实时更新条件，包括三轴加 速度计数据模值以及三轴加速度计单轴数据相位变化情况；
[0009] 所述三轴加速度计数据模值以及三轴加速度计单轴数据相位，用于判断运动模式 切换类型;利用多方位运动模式空间定位算法坐标推算公式计算出人体位置的坐标对行人 进行定位。
[0010] 与现有技术相比，本发明的优点在于：用户在定位时不受运动模式的限制，可以自 由的多方位运动，不局限于前进行走的运动模式，对于基于MEMS惯性传感器在人体实际生 活中的导航起到极大的推动作用。
【附图说明】
[0011] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一 步的详细描述，其中：
[0012]图1为多方位运动模式空间定位算法流程。
[0013]图2为空间定位模型。
[0014]图3为前进运动、后退运动模型。
[0015] 图4为左横向运动、右横向运动模型。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0017]本算法的流程如图1所示。
[0018] 使用三轴加速度计模值以及三轴加速度计单轴数据相位，判断出人体运动模式及 步态。通过EKF算法融合三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计数据求得行人的航向。利 用气压计解算人体高度。空间定位模型如图2。
[0019] 下文为多方位运动模式空间定位算法坐标推算公式的实施方式。
[0020] 当人体运动模式只有前进行走和后退行走时，二维运动模型如图3,行人从A点前 进行走到B点，再从B点后退行走到C点。用式(1)进行坐标和位置解算。
[0021]
(1)
[0022]上式中，Lk为每一步的步长，Θ为每一步的航向，Vk为k时刻增加的高度。Sk为运动模 式标志，当前进行走时Sk=l，后退行走时Sk = -1，其他运动模式SkiCLEU)表示东向，N(k) 表不北向，H(k)表不尚度。
[0023] 当人体运动模式只有左横向行走和右横向行走时，二维运动模型如图4,行人从A 点右横向行走到B点，或行人从A点左横向行走到C点。用式(2)进行坐标和位置解算。
[0024]
(2)
[0025]上式中，Lk为每一步的步长，Θ为每一步的航向，Vk为k时刻增加的高度。Uk为运动模 式标志，左横向行走时Uk=-1，右横向行走时Uk=l，其他运动模式Uk=0。
[0026] 当人体运动是原地静止、原地旋转、前进行走、后退行走、左横向行走和右横向行 走的多方位混合运动模式时，用式(3)进行坐标和位置解算。
[0027]
(3)
[0028]上式中，Lk为每一步的步长，Θ为每一步的航向，Vk为k时刻增加的高度。Sk为前、后 行走运动模式标志，Uk为左、右横向行走运动模式标志。静止时，Sk = 0，Uk = 0;前进行走时， Sk=l，Uk=0;后退行走时，Sk=_l，Uk=0;左横向行走时Sk=0，Uk=-l;右横向行走时Sk=0， Uk=l〇
【主权项】
1. 一种基于人体多方位运动模式的空间定位算法，其特征是，包括人体实际运动的5个 方位运动模式判别算法、模式切换过程空间定位算法等； 所述多方位运动模式指，人体实际运动中可能出现的5个方位运动，包括静止、前进运 动、后退运动、左横向运动和右横向运动； 所述静止指，站立在原地； 所述前进运动指，正向慢走、快走、慢跑和快跑； 所述后退运动指，反向慢退、快退； 所述左横向运动指，左横向跨步行走； 所述右横向运动指，右横向跨步行走； 所述模式切换过程空间定位算法包括以下运动模式切换方式的定位： 静止、前进运动、后退运动、左横向运动、右横向运动。2. -种基于权利要求1人体多方位运动模式的空间定位算法，其特征是包括如下步骤： (1)对三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计和气压计进行数据采集及误差校准和预处 理；（2)通过EKF数据融合求得行人的姿态角，得到行人每一步的航向，利用加速度数据对行 人的步态进行检测，并在步态检测的基础上估计行人每一步的步长，同时使用三轴加速度 计区分静止、前进运动、后退运动、左横向运动，右横向运动5类运动运动模式，气压计解算 人体高度；（3)将行人的航向、运动模式、步长和高度通过坐标推算公式计算得到当前行人 的位置坐标。
【专利摘要】本发明公开了一种人体多方位运动模式空间定位算法，属于定位导航技术领域。首先通过MEMS传感器采集人体运动原始信息，其次进行步长估计、航向抽样、运动模式判别及高度解算，最后利用坐标推算公式解算人体位置的坐标对行人进行定位。便携式手持终端里集成的低成本MEMS惯性测量单元作为本算法实现的硬件平台。本算法适用于人体实际的多方位运动模式，具有很高的应用价值。
【IPC分类】G01C21/16
【公开号】CN105651281
【申请号】
【发明人】刘宇, 周帆, 路永乐, 李云梅, 张欣, 黎蕾蕾
【申请人】南京诺导电子科技有限公司
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年3月3日