[发明专利]基于人体运动模型辅助的穿戴式行人导航定位方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及基于人体运动模型辅助的穿戴式行人导航定位方法和设备，属于 个人移动定位技术领域。

背景技术

行人定位导航作为近些年来民用导航技术发展的主要领域之一，正逐渐被重 视和研究。近年来，个人定位设备逐步在民用化市场得到普及，而大多数民用级 便携式设备采用的是GPS卫星定位与无线通信技术相结合的定位原理，但是在大 型城市、商场、隧道、丛林和山谷等卫星导航信号易受干扰或屏蔽的应用环境中， 该类型设备的导航定位功能将受到严重影响。在某些特定行业中，如消防员在执 行救援任务时，可能出现匍匐、跳跃、跑步等多种复杂运动模态，所携带的导航 定位设备容易失效或者定位错误，而导致搜救任务失败，严重时甚至将危及使用 人员的人身安全。针对无法使用卫星定位和通信定位产品的使用环境，国外厂商 对我国技术垄断，产品价格昂贵。因此，迫切需要研究适应大型城市、商场、隧 道、丛林和山谷等复杂应用环境下的针对人体多运动模态的行人导航定位技术， 以适应相应的需求。

现有行人导航研究方向主要可分为以下两类：一是基于各类无线网络的源头 定位，然而这类方法依赖额外设备(如WIFI、蓝牙、UWB等)，定位精度受环境影 响较大，易受干扰；二是基于惯性传感器的行人导航定位，以惯性器件为核心， 具有短时高精度和高稳定性的特点，是一种完全自主的导航系统，然而该方案在 长时间下误差会累积而迅速发散。目前，国外个人定位系统主要采用了微惯性/ 卫星导航实现组合定位，其对卫星导航依赖性较强；美国在基于人体运动学辅助 的行人定位算法方面取得了较好的研究进展，已经完成了原型样机的研制，不过 尚没有向民用领域进行大规模的推广应用。国内也有多家单位和研究所针对个人 微惯性定位算法进行了研究，在系统构造以及传感器误差修正等方面开展了富有 成效的工作，但总体上的研究水平与国外还具有一定的差距，在基于人体运动学 辅助的行人定位算法研究方面尚处于起步阶段。其只能实现正常行走模态下的行 人定位导航技术，而且多采用了额外设备辅助惯导的方式，既极大增加了成本， 又约束了其适用范围，因此，迫切需要研究一种基于人体运动学建模辅助的定位 技术，基于运动学特征建立人体运动模型，实时判别人体运动模式，实现在没有 卫星导航与无线通信信号下人体多模态的自主实时移动定位。

对于单一自主的惯性导航，低成本的MEMS捷联解算高度误差较大，而且发 散速度较快，必须要经过有效的修正，才能确保高度计算精度实际可用。捷联解 算的航向误差也较大，容易发生波动，导致导航结果与实际路线不符，必须要经 过有效的修正，才能提高导航结果的精度。行人在实际运动过程中存在多种运动 模态，如快速行走、跑步、上下楼梯、跳跃等，同时，不同的人在运动过程中步 态间也存在较大差异，步态的检测与分辨困难；而现有的国内外研究主要集中在 行人的正常行走模态的辨识，对于快速行走、跑步、上下楼梯、跳跃等还鲜有提 及。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明公开了基于人体运动模型辅助的穿戴式行 人导航定位方法和设备，提供在GPS信号以及无线通讯信号失效时行人的连续导 航定位方法，该方法能够在行人正常步行，快速行走，慢跑，上下楼梯等运动模 态下实现姿态，速度和位置解算，满足复杂应用环境下行人的高精度实时导航定 位要求，其具体技术方案如下：

基于人体运动模型辅助的穿戴式行人导航定位方法，其特征在于包括以下操 作步骤:

步骤1：分析人体运动时的步态以及不同运动模态下的惯性传感器输出，所 述步态为人体运动时足部与地面的接触情况，所述不同运动模态包括步行、跑步、 上下楼梯；

步骤2：建立基于人体运动学模型辅助的零速修正判别模型，所述基于人体 运动学模型辅助的零速修正判别模型利用加速度计和陀螺仪的输出判断当前时 刻是否为足部与地面的接触时刻；

步骤3：在步骤1和2的基础上，建立基于地磁辅助捷联惯导解算航向角误 差模型，利用磁传感器输出信息计算当地磁航向角；

步骤4：在步骤1和2的基础上，建立基于气压高度计辅助捷联惯导解算高 度误差模型，利用气压计输出信息计算当地海拔高度。

所述步骤1中人体运动步态以及不同运动模态具有以下特征：

在正常行走时，行人的双脚交替运动，分为四个阶段：抬脚、跨步、落地和 支撑，两只脚交替运动，分别处于不同的时刻，因此，将传感器件固定于其中一 只脚上，对其进行运动分析，此时，人体足部不能被视为一个质点，在判断零速 时刻时，应对落地、支撑阶段作进一步的分析；