[发明专利]一种基于下肢外骨骼的室内导航步长估计系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于下肢外骨骼的室内导航步长估计系统及方法。主体包括电源模块、控制模块、采集模块、显示模块和外骨骼结构，其中电源模块为系统进行供电，控制模块负责数据处理，采集模块用于采集数据，显示模块显示测得的步长和步数。外骨骼结构由可调节长度的连杆组成。采集模块包括足底压力传感器和编码器，足底压力传感器负责采集步数，编码器结构用于求解步长。本发明将外骨骼连杆结构和编码器结合，当足部设置的足底压力传感器达到预先设定的压力值时，读取行走时各关节的编码器转角数据，利用运动学公式将步长解算出来。本发明解决了在室内导航定位中步长估计环节容易出现累积误差造成步长估计不准确的问题，可靠性和精度较高。

技术领域

本发明涉及行人室内导航步长估计领域，具体涉及一种基于下肢外骨骼的室内导航步长估计系统及方法。

背景技术

用于室内导航定位的步长估计一直以来都是一个研究热点，其主要研究目的是用于提高目前室内定位研究中的步长估计环节的精度，现有的行人步长估计都是基于航迹推断算法进行估计，即利用惯性测量单元来对每一步的步长进行估计。

传统的行人航迹推算是利用对惯性测量单元采集的加速度两次积分进而得到步长，但是通常由于惯性测量单元IMU器件测量误差很大，在很短的时间内便会发生很大的漂移，会产生巨大且不可逆的距离误差，因此在实际的室内定位中大都采用已有的步长估计模型来计算位移。但是现有的固定步长估计模型无法满足实际复杂多变的情况。现提出借由足底压力传感器进行步数检测，通过外骨骼结构采集行走时各关节的转角，借助编码器进行精确的角度测量后结合机器人运动学对步长进行精确求解计算。

发明内容

本发明的目的在于目前室内导航定位存在的步长估计精度不够，误差随着步数累计增加导致最后步长估计误差较大的问题，提供一种基于下肢外骨骼的室内导航步长估计系统及方法，能显著减少或避免步长估计累积误差。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于下肢外骨骼的室内导航步长估计系统，包括电源模块、控制模块、采集模块、显示模块和外骨骼结构，其中电源模块为系统进行供电，控制模块负责处理来自采集模块采集的数据，采集模块用于采集步数及角度数据，显示模块显示控制模块处理后得到的步长和步数，外骨骼结构由可调节长度的连杆组成。

在本发明一实施例中，采集模块包括足底压力传感器和编码器，足底压力传感器用于检测步数，编码器用于采集外骨骼结构的关节转动角度数据进而测算步长。

在本发明一实施例中，通过足底压力传感器检测步数采用峰值检测的方法，即当足底压力传感器采集到的压力信号超过所设阈值时，控制模块即认为此时步数加一，具体的：足底压力传感器与控制模块相连，当正常走路时，足底压力传感器会采集到连续的压力信号，当足底压力达到控制模块预先设定的阈值时，此时控制模块读取到数据后步数增加一步。

在本发明一实施例中，编码器采集角度数据得到步长的原理是：由于人正常行走时各关节会产生对应的转角，将外骨骼连杆结构和编码器结合，当足部设置的足底压力传感器达到预先设定的压力值时，利用控制模块读取编码器行走时各关节的转角数据，利用运动学公式将步长解算出来。

在本发明一实施例中，外骨骼结构由髋关节结构、膝关节结构、踝关节结构、大腿关节和小腿关节组成。

在本发明一实施例中，髋关节结构由髋关节结构本体以及用于将髋关节结构穿戴在人员身上的可调节长度的腰带组成；髋关节结构本体固定采集模块的第一编码器处开有编码器凹槽，第一编码器通过小过盈配合与髋关节结构进行连接；

膝关节结构包括能和人体膝盖贴合的膝盖固定支撑架、可拆卸的用于将膝关节结构固定在人体膝盖上的松紧带，其中松紧带使用双边卡扣结构与膝关节结构固定，还包括用于连接采集模块的第二编码器的第二编码器盒，第二编码器盒通过内螺纹结构与膝关节结构固定在一起，第二编码器通过小过盈配合固定在第二编码器盒子内；