[发明专利]基于人体运动学模型的行人导航系统与导航定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于人体运动学模型的行人导航系统与导航定位方法，属于生物动力学与惯性导航技术领域。

背景技术

行人导航是导航定位领域中的一个重要分支。行人导航系统可实时确定并监测个人的位置以及人体的运动状态，从而有效地提高军事作战人员、抢险搜救人员的快速反应能力，以及提供民用背景下行人实时、精确的定位信息，具有广阔的军事与民用应用前景。

基于惯性技术的行人导航技术始于上世纪九十年代，主要应用于美国等发达国家的未来士兵系统，该类技术中行人导航系统通常采用基于微惯性/地磁测量组件足部安装的系统结构，系统经无干扰磁环境中磁传感器误差标定与补偿后进行初始对准，之后导航系统进入导航工作状态，通过人体步态相位检测对导航系统进行间断性的零速修正，估计导航系统级误差以及陀螺仪与加速度计的部分漂移误差，但该方法无法有效地估计与修正航向误差，因此磁航向的精度对于行人导航系统的性能具有至关重要的作用。在上述研究中发现，人体运动中足部在常规动作中的加速度与角速度是人体躯干的3-5倍，在剧烈运动中甚至可达10倍。目前的中低精度惯性传感器件无法兼顾测量精度与量程间的矛盾，而这两个因素都是决定行人导航系统性能的重要因素，人体运动状态下的实时定位对惯性传感器量程与精度的综合性能提出了很高的要求。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种基于人体运动学模型的行人导航系统与导航定位方法，将惯性传感组件分布式地安装于人体髋部与下肢，在人体高过载运动中可有效克服测量信息超量程、冲击信号等对导航解算的影响，具有较高的实时定位性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于人体运动学模型的行人导航系统，所述行人导航系统包括惯性传感组件和微型导航计算机，所述惯性传感组件包括惯性与地磁测量单元以及惯性测量单元，其中，一组惯性与地磁测量单元安装于人体躯干髋部，多组惯性测量单元分别安装于双腿，微型导航计算机安装在人体躯干上，所述微型导航计算机与惯性传感组件之间通过电缆或无线通讯完成数据传输。

利用所述的基于人体运动学模型的行人导航系统的导航定位方法：躯干的惯性与地磁测量单元以及下肢的惯性测量单元通过确定足部零力矩点实现下肢各级杆臂效应补偿，并结合关节坐标系的肌肉骨骼间附着点坐标转换实现陀螺仪所测量的角速度的转换，从而构成足部虚拟惯性传感组件，通过该虚拟惯性传感组件完成行人导航过程。其具体步骤如下：

(一)惯性传感组件的信号采集：

同步采集各组惯性传感组件的输出信号，得到各组角速度、比力和磁场强度，并将信号传输给微型导航计算机；

(二)惯性传感组件的随机误差的实时建模与校正：

首先对零位偏置的特性进行统计分析，分别建立符合陀螺仪与加速度计的零位偏置趋势项，在陀螺仪与加速度计的信号输出端加入零位偏置趋势项校正；分别建立陀螺仪与加速度计的随机误差模型，将经过零位偏置趋势项建模与校正步骤后的陀螺仪与加速度计输出作为观测量，将陀螺仪与加速度计的理论输出估计值作为状态量，建立基于随机误差模型的卡尔曼滤波器，分别实时估计陀螺仪与加速度计的理论输出估计值；

(三)惯性传感组件的初始对准：

该步骤同步应用于每组惯性传感组件，在微型导航计算机中进行；系统启动后在静态条件下，利用步骤(二)中加速度计的理论输出估计值，在微型导航计算机中通过水平自对准得到惯性传感组件初始横滚角与俯仰角，并将磁强计的信号输出通过通讯模块传送至微型导航计算机，得到惯性传感组件的初始航向角，水平自对准的公式为：

其中，θ为俯仰角，γ为横滚角，g为重力加速度，与分别为加速度计理论输出估计值在载体坐标系中投影的x与y轴分量；

(四)人体下肢零力矩点位置的确定：

为实现下肢杆臂效应动态补偿，首先须得到人体运动中位于足底的下肢零力矩点；人体运动中支撑腿可视为动态杆臂，以下肢零力矩点为原点进行转动来实现人体质心的移动，下肢零力矩点关于下肢质心位置、各关节的角度、角速度和角加速度的表达式：

式中，q_i为连杆i与z方向的夹角，l_i、d_i分别为连杆i的长度及其质心到关节的距离，G为人体所受重力；从该公式可知，下肢零力矩点的位置由各关节的角度q_i、角速度和角加速度的函数，这些物理量均可通过安装于下肢的惯性测量单元测量与计算得到；