一种压敏传感器辅助的单兵导航系统零速检测方法与流程

本发明涉及单兵导航定位系统技术领域，尤其是一种压敏传感器辅助的单兵导航系统零速检测方法。

背景技术：

基于mems-imu的单兵导航定位系统，基于经典捷联惯性方法进行导航定位解算，其误差随时间积累，因此需要利用载体(脚部)停止时惯性导航系统的速度输出作为系统速度误差的观测量，通过卡尔曼滤波对其他各项误差进行修正。传统方法通过对mimu输出角速度和加速度信息判断零速区间，误检测概率大，并且难以适应跑步、跳跃等动态。因此，有必要研究出一种准确性高、鲁棒性强的改进型零速检测方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种适应步行、跑动等多动态范围的零速检测方法，可用于以mems-imu为核心器件的单兵导航定位系统。对mems-imu的零速(静止)状态进行检测，进而通过零速修正方法提高单兵导航系统定位精度。

本发明的目的是通过以下技术手段实现的：

一种压敏传感器辅助的单兵导航系统零速检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

(一)、设定惯性检测条件；

(二)、设定压力辅助检测条件；

(三)、将惯组检测条件与压力检测条件进行“或”运算，即可得到检测结果。

而且，步骤(一)所述的具体过程为：

根据加速度计和陀螺的输出来判断零速区间，通过第i时刻加速度计输出的比力信息fi＝[fxifyifzi]^t，陀螺仪输出的角速度信息ωi＝[ωxiωyiωzi]^t进行零速检测；检测算法包括三个条件：加速度模值、比力滑动方差和角速度模值，分别记为q1、q2和q3；各条件实现方式如下：

(1)加速度模值检测

在零速阶段，行人脚部佩戴的mimu输出的合加速度值应在重力加速度附近变化，当第i时刻三轴加速度计的输出矢量与重力矢量的差值在设定的阈值范围内，即判断到该时刻符合检测条件，即当加速度模值大于等于最小阈值且小于等于最大阈值时，条件q1(i)＝1，

(2)比力滑动方差检测

比力波动程度可以通过设置一定大小的滑动窗口并求取该窗口范围内采样点的方差来实现，即当滑动窗口大小为n时比力方差小于等于给定阈值时，条件q2(i)＝1，

其中，为[i-ni+n]时间间隔内采样得到的2n+1个比力f的均值，即：

(3)角速度模值检测

与加速度幅值检测方法相似，在零速阶段，行人脚部佩戴的mimu输出的合角速度值应趋近于0，即当角速度模值小于等于给定阈值时，条件q3(i)＝1，

而且，步骤(二)所述的具体过程为：

(1)压敏传感器的固定位置

压敏传感器选择薄膜式压敏电阻，本系统将fsr固定在足底a、b、c三处，鞋垫式mimu固定在a、b、c三处对应的脚底，

(2)压力模值检测

fsr的电阻值随施加在其上的压力变化而变化，并根据电阻材料的不同存在特定的非线性关系，本文采用的fsr传感器感应面受到外界施加的压力时，电阻减小；

其中r2为滑动变阻器，u1为比较器，比较器的功能是将模拟电压信号与一个基准电压相比较，其两个输入端为模拟信号，输出则为二进制信号；滑动变阻器r5可分为两部分ra和rb，当r1与rfsr的比值大于ra和rb的比值，即：

此时比较器输出端输出低电平视为零速阶段，i＝1,2,3。

综合三个比较器的输出值得到压力检测条件：

qfsr＝q2∧(q1∨q3)(7)。

而且，在压敏传感器的固定位置中所述的a、b、c三处的具体位置及排列顺序为：a、b、c三点竖直排列，a点位于脚底的中部靠前位置，c点位于靠近脚跟位置，b点位于a、c两点之间。

而且，步骤(三)所述的具体过程为：

综合压敏传感器辅助惯性组件进行零速区间的检测，将惯组检测条件与压力检测条件进行“或”运算：

q(i)＝qimu∨qfsr(8)。

本发明的优点和积极效果是：

本发明通过软硬件结合的方式综合利用mems-imu输出的加速度和角速度信息与足底压力信息，融合压力信息的零速检测算法适用范围更广，对于提高单兵导航定位系统的精度具有重要作用。

本发明成果设计思路巧妙，具有创新性，较好的解决了原有单兵导航定位系统零速检测方法误判率高、动态适应范围小的问题，提高了零速检测的准确性和鲁棒性，对于提高系统导航定位精度具有重要作用。

附图说明

图1是fsr安装位置示意图；

图2是fsr零速检测模块原理图。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的实施例，需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种压敏传感器辅助的单兵导航系统零速检测方法，包括以下步骤：

1、设定惯性检测条件

步行时，固定在脚部的惯性元件敏感行走过程中加速度和角速度的变化，静止时比力模值稳定在重力附近，比力模值的变化与变化的幅度相较运动时明显较小，人脚的角速度变化趋于零。由此，我们可以根据加速度计和陀螺的输出来判断零速区间。通过第i时刻加速度计输出的比力信息fi＝[fxifyifzi]^t，陀螺仪输出的角速度信息ωi＝[ωxiωyiωzi]^t进行零速检测。检测算法包括三个条件：加速度模值、比力滑动方差和角速度模值，分别记为q1、q2和q3。各条件实现方式如下：

(1)加速度模值检测，(accelerationmagnitudedetector，amd)。在零速阶段，行人脚部佩戴的mimu输出的合加速度值应在重力加速度附近变化。当第i时刻三轴加速度计的输出矢量与重力矢量的差值在设定的阈值范围内，即判断到该时刻符合检测条件。即当加速度模值大于等于最小阈值且小于等于最大阈值时，条件q1(i)＝1。

(2)比力滑动方差检测，(specificforcemovingvariancedetector，sfmvd)。零速阶段时比力波动幅度较小，而处于摆动阶段时比力波动幅度较为剧烈，因此可以利用两阶段比力波动剧烈程度不同这一特点，来判断是否处于零速阶段。比力波动程度可以通过设置一定大小的滑动窗口并求取该窗口范围内采样点的方差来实现。即当滑动窗口大小为n时比力方差小于等于给定阈值时，条件q2(i)＝1。

其中，为[i-ni+n]时间间隔内采样得到的2n+1个比力f的均值，即：

(3)角速度模值检测(angularratemagnitudedetector，armd)，与加速度幅值检测方法相似，在零速阶段，行人脚部佩戴的mimu输出的合角速度值应趋近于0，即当角速度模值小于等于给定阈值时，条件q3(i)＝1。

2、设定压力辅助检测条件

(1)压敏传感器的固定位置

压敏传感器选择薄膜式压敏电阻(forcesensitiveresistor，fsr)，本系统将fsr固定在足底a、b、c三处，鞋垫式mimu固定在a、b、c三处对应的脚底，如图1所示，a、b、c三点竖直排列，a点位于脚底的中部靠前位置，c点位于靠近脚跟位置，b点位于a、c两点之间。

(2)压力模值检测

fsr的电阻值随施加在其上的压力变化而变化，并根据电阻材料的不同存在特定的非线性关系。本文采用的fsr传感器感应面受到外界施加的压力时，电阻减小。压力检测模块原理图如图2所示。

其中r2为滑动变阻器，u1为比较器。比较器的功能是将模拟电压信号与一个基准电压相比较。其两个输入端为模拟信号，输出则为二进制信号。滑动变阻器r5可分为两部分ra和rb，当r1与rfsr的比值大于ra和rb的比值，即：

此时比较器输出端输出低电平视为零速阶段，i＝1,2,3。

综合三个比较器的输出值得到压力检测条件：

qfsr＝q2∧(q1∨q3)(7)。

3、综合压敏传感器辅助惯性组件进行零速区间的检测，将惯组检测条件与压力检测条件进行“或”运算：

q(i)＝qimu∨qfsr(8)。