[发明专利]一种穿戴式行人自主导航系统及其导航方法

说明书

技术领域

本发明属于行人导航技术领域，特别涉及了一种穿戴式行人自主导航系统及其导航方法。

背景技术

行人导航定位是导航领域中的一个重要的新兴分支，可实时确定并监测行人的位置与人体的运动状态，从而有效提高军事作战、抢险搜救人员的快速反应能力与任务执行效率，同时该技术也可应用于民用领域以保障行人通行的安全性，具有广阔的军事与民用应用前景。行人导航技术已成为目前导航领域中的研究热点之一。

目前较为常用的行人导航方法主要依赖于卫星导航系统(GNSS)、无线通讯等定位技术，并辅以微惯性传感器以提高行人导航系统的连续性与可靠性，但该种类的行人导航方法主要面临以下关键问题：

卫星导航系统(GNSS)虽然具有精度相对稳定的实时定位能力，但在信号条件不良的环境中无法保障其定位性能，虽然采用与惯性系统的组合方案可一定程度上提高导航系统的抗干扰能力，但在卫星信号污染严重甚至屏蔽的条件下，系统性能仍无法得到保障。

惯性导航虽然具有较强的自主性，但微惯性器件的性能相对传统惯性器件仍有一定差距，惯性器件与磁传感器还受到环境温度等不确定因素的影响，使微惯性系统无法完成较长时间的精确导航。

无线通讯与定位技术可在已知区域内提供导航定位功能，但在作战、抢险救灾等未知环境中，往往由于无法安装有效的无线传感器节点，或无线通讯信号受到障碍物阻隔或干扰，无法实现高精度定位。

为提高行人导航系统的环境适应能力，目前主要存在2种方法：1)利用人体行走中的步态静止相位进行微惯性系统的零速修正，减小定位误差随时间积累速度。2)利用航位推算(DR)方法通过步频步长以及航向的估计来推算行人的位置速度。上述的2种方法均只能应用于人体的稳态运动中(比如：匀速步行等)，无法适用于非平稳运动(多种步态形式夹杂转换等)。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种穿戴式行人自主导航系统及其导航方法，弥补单个行人导航方法的不足，基于分布式可穿戴的多点信息采集，将惯导方法和其他导航方法进行数据融合滤波，提高行人导航性能。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种穿戴式行人自主导航系统，包括5个传感器模块和1个综合处理模块，所述传感器模块和综合处理模块设置在行人身上，其中5个传感器模块分别设置在行人的头部、双臂以及双足上，每个传感器模块包括第一微控制器以及分别与之连接的惯性测量单元、磁传感器、气压传感器和第一蓝牙单元，所述惯性测量单元包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，所述综合处理模块包括第二微控制器以及分别与之连接的无线通信单元、视觉传感器、卫星接收机、第二蓝牙单元和显示单元，综合处理模块通过卫星接收机获取GNSS信号，综合处理模块通过无线通信单元与远程监控中心进行数据交互，各传感器模块与综合处理模块之间通过第一蓝牙单元和第二蓝牙单元实现数据传输；所述5个传感器模块采集多种导航信息并传送给综合处理模块，综合处理模块将接收到的多种导航信息进行融合，解算出导航结果，将导航结果显示在显示单元上，并上传给远程监控中心。

进一步地，所述综合处理模块还包括与第二微控制器相连的温度传感器，根据温度信号对其他传感器进行温度补偿。

进一步地，所述传感器模块还包括与第一微控制器相连的视觉传感器。

进一步地，所述远程监控中心预先存储了导航区域的地图信息。

基于穿戴式行人自主导航系统的导航方法，包括以下步骤：

(1)利用传感器模块中的惯性测量单元初始化系统的水平姿态角度，惯性测量单元结合磁传感器初始化系统的航向角度；

(2)通过卫星接收机获取GNSS信号，若获取的GNSS信号有效，则根据GNSS信号进行初始位置的定位；

(3)若获取的GNSS信号无效，则通过无线通信单元进行无线通信定位，所述无线通信定位包括离线训练阶段和在线定位阶段；离线训练阶段，采集导航区域各个采样点的无线定位参考信息，构造指纹数据库，将指纹数据库上传远程监控中心进行保存；在线定位阶段，通过实际采集的无线信息到指纹数据库去进行查询，寻找到最接近的参考信息，从而进行初始位置的定位；

(4)若无线通信单元无法获得有效或充足的无线信息，则启动综合处理模块中的视觉传感器，进行图像采集，将采集到的信息数据通过综合处理模块上传给远程监控中心，远程监控中心预先建立了导航区域的信息数据库，将视觉传感器采集到的信息数据与信息数据库预先保存的信息数据进行匹配，从而进行初始位置的定位；