CN102261915B - 行人惯性导航装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种行人惯性导航装置和方法。其惯性测量单元包括敏感方向互相垂直的三个加速度计和敏感轴互相垂直的三个陀螺；供电单元分别与惯性测量单元、数据采集及处理单元和显示单元电连接，惯性测量单元输出端与数据采集及处理单元输入端连接，数据采集及处理单元输出端与显示单元输入端连接；步行状态采集单元包括固定安装于行人鞋子脚跟部位的第一微动开关和固定安装于行人鞋子脚掌部位的第二微动开关，第一微动开关、第二微动开关分别与数据采集及处理单元的输入端电连接。导航时，不依赖于GPS等外部设施，而是通过利用某一步行状态时惯性测量单元的已知特性对惯性测量单元进行校正，消除惯性测量单元的误差长时间积累，以提高导航精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种行人惯性导航装置和行人惯性导航方法，更加具体地讲，涉及一种基于步行状态传感器辅助进行惯性器件校正以导航精度的行人导航的惯性测量装置和方法。
背景技术
目前GPS技术可以用于行人导航。但是，在室内等GPS信号非常微弱的场所或植被建筑遮挡卫星信号的场所，存在定位困难或精度下降的问题。
一些行人导航装置利用近距离的无线电导航，但这要求提供无线电发射装置，不适于位置环境中使用和推广。并且使用时不能遮挡无线电信号，对行人的自由行动有障碍。
目前微型惯性测量装置精度偏低，漂移误差较大，单独使用于长时间导航时具有较大的定位误差不能满足一般的导航需求，需要寻找提高导航精度的方法。
发明内容
本发明的目的在于避免上述技术中的不足之处，提供一种不依赖于GPS等外部基础设施、可独立导航的行人惯性导航装置和方法。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：该行人惯性导航装置包括用于与行人鞋跟固定连接的惯性测量单元、数据采集及处理单元、显示单元、步行状态采集单元和供电单元，惯性测量单元包括敏感方向互相垂直的三个加速度计和敏感轴互相垂直的三个陀螺；供电单元分别与惯性测量单元、数据采集及处理单元和显示单元电连接，惯性测量单元的输出端与数据采集及处理单元的输入端连接，数据采集及处理单元的输出端与显示单元的输入端连接；步行状态采集单元包括用于固定安装于行人鞋子的脚跟部位的第一微动开关和用于固定安装于行人的鞋子的脚掌部位的第二微动开关，第一微动开关、第二微动开关分别与数据采集及处理单元的输入端电连接。
本发明利用上述装置进行行人惯性导航的方法包括如下步骤：
（1）将行人惯性导航装置中的惯性测量单元与行人的鞋跟固定在一起，使得惯性测量单元的三个敏感轴中的x轴与地面和鞋的长度方向平行、y轴与地面平行且z轴与地面垂直；将步行状态采集单元的第一微动开关固定安装于行人鞋子的脚跟部位，并将将步行状态采集单元的第二微动开关固定安装于行人的鞋子的脚掌部位；
（2）在行人处于静止状态时，对行人惯性导航装置进行初始对准；
（3）惯性测量单元从行人的鞋跟处分别采集x轴、y轴和z轴上的加速度和角速度并传输到数据采集及处理单元；
（4）数据采集及处理单元将步骤（3）所获得的x轴上的加速度与预设的阈值进行比较：
若x轴上的加速度小于预设的阈值，且第一微动开关和第二微动开关均为闭合状态，则将数据采集及处理单元（2）利用捷联惯性导航算法所计算的当前速度作为从上一次执行步骤（4）到目前的积累误差，则将数据采集及处理单元中捷联惯性导航算法的计算的当前速度认为是积累误差，根据这一误差对惯性测量单元进行校正，后利用捷联惯性导航算法对步骤（2）所采集的x轴、y轴和z轴上的加速度和角速度计算行人的鞋跟的姿态信息和位移信息；
若x轴上的加速度大于等于预设的阈值，则直接利用捷联惯性导航算法对步骤（2）所采集的x轴、y轴和z轴上的加速度和角速度计算行人的鞋跟的姿态信息和位移信息；
（5）将步骤（4）计算得到的姿态信息和位移信息发送到显示单元并进行显示，同时返回执行步骤（3）。
相对于现有技术，本发明的优点是：
（1）本发明使用的主要传感器件为惯性测量单元，是一种惯性导航装置；惯性导航是一种自主式的导航方法，它完全依靠载体自身设备独立自主地进行导航，无需外部设备的辅助。而现在使用较多的GPS导航设备则需要接收到足够强度的卫星信号，不利于在室内或茂林等环境中使用。
（2）本发明中使用了步行状态采集单元，用于得到行人当前的步行状态。采用的惯性导航方法根据已知的步行状态，对惯性测量单元进行周期性的校正，从而消除了长期的积累误差，提高了导航精度。否则，由于惯性器件的积累误差一般会以时间平方的速度积累，导致结果误差太大，无法使用。
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图2是惯性测量单元的安装位置示意图；
图3是行人步行状态的5个阶段的示意图；
图4表示行人行走过程中，脚跟部相对于地面的速度与时间的关系，以及脚根部相对于地面的速度随着脚处于不同的阶段而周期性变化；
图5是步行状态采集单元示意图；
图6示意了本发明的安装位置；
图中：1为惯性测量单元，2为数据采集及处理单元，3为显示单元，13为步行状态采集单元，4为供电单元，5为鞋跟，6为IMU安装位置，7为鞋底，8为右脚跟触底状态，9为右脚掌放平状态，10为左脚抬起状态，11为右脚跟抬起状态，12为右脚全部抬起状态，14为步行状态采集单元安装位置，15为鞋垫、16为安装在鞋垫脚掌部位的微动开关，17为安装在鞋垫脚跟部位的微动开关，18为与微动开关连接的导线，19为导线，20为终端机。
具体实施方式
下面参照图1和图2对本发明行人惯性导航装置作进一步说明。
惯性测量单元1（简称IMU）主要由敏感方向互相垂直的三个加速度计、敏感轴互相垂直的三个陀螺、必要的控制器和输出端构成。惯性测量单元1与供电单元4电连接，并由供电单元4进行供电。惯性测量单元1的输出端与数据采集及处理单元2的输入端连接，向数据采集及处理单元2提供测量数据。惯性测量单元1与行人的鞋跟固定在一起，但不应影响步行。惯性测量单元1具有三个敏感轴x、y、z，固定时应使x轴与地面和鞋的长度方向平行、y轴与地面平行且z轴与地面垂直。由于MEMS惯性器件在体积和重量上的优势，惯性测量单元1一般选用MEMS器件，可以选用MEMSENSE公司的H3‐IMU型“高性能惯性测量单元”；H3‐IMU型“高性能惯性测量单元”采用9V供电，通信接口为RS422，重量仅为50克，安装在鞋跟部位时不影响行人行动自由。
数据采集及处理单元2的输入端与惯性测量单元1输出端连接，以使数据采集及处理单元2周期性地采集惯性测量单元1的测量数据。数据采集及处理单元2同时与供电单元4电连接，并由供电单元4进行供电。数据采集及处理单元2包括一个高性能的浮点DSP，用于运行惯性导航算法，并按照行人惯性导航的方法对采集到的测量数据进行处理后得到行人的位置、方向、速度等信息。数据采集及处理单元2可以采用TI公司的F28335型DSP，它采用SOC技术，集成了一个32位浮点高速CPU、通用串行总线接口、内部RAM和内部Flash资源；通用串行总线接口可以与惯性测量单元1进行通信，内部RAM和Flash用于存储程序和数据。
步行状态采集单元13包括第一微动开关16和第二微动开关17。第一微动开关16和第二微动开关17分别通过导线18与数据采集及处理单元2的输入端连接。微动开关受到压力时闭合，没有压力时断开。如图5所示，第一微动开关16安装于行人鞋子的鞋垫15的脚跟部位，用于接收行人脚跟的压力；第二微动开关17安装于行人鞋子的鞋垫15的脚掌部位，用于接收行人脚掌的压力。
显示单元3用于显示数据采集及处理单元2计算得到的行人速度和位置信息，提供人机界面。显示单元3的输入端与数据采集及处理单元2的输出端连接。显示单元3可以是一块液晶显示器。
供电单元4通过电线对整个系统进行供电，包括蓄电池和电源管理装置，其中蓄电池用于存储电能，电源管理装置为不同的用电器件提供所需的电压。
数据采集及处理单元2、显示单元3和供电单元4可组装成为一个终端机20。终端机20可手持，或放在背包中随身携带起到便携的作用。
如图6所示，位于行人鞋子上的惯性测量单元1和步行状态采集单元13通过供电和通信导线19与终端机20连接。供电和通信导线19沿着行人大腿布线，不应影响步行。
本发明利用上述行人惯性导航装置导航的方法包括如下步骤：
（1）将行人惯性导航装置中的惯性测量单元1与行人的鞋跟固定在一起，使得惯性测量单元1的三个敏感轴中的x轴与地面和鞋的长度方向平行、y轴与地面平行且z轴与地面垂直；将步行状态采集单元13的第一微动开关16固定安装于行人鞋子的脚跟部位，并将步行状态采集单元13的第二微动开关17固定安装于行人的鞋子的脚掌部位。
（2）在行人处于静止状态时，对行人惯性导航装置进行初始对准。
初始对准是指在进入导航状态前需要获取惯性测量单元1的初始速度和初始位置信息，并将惯性测量单元1的指向对准地理坐标系。行人静止站立在水平地面上，并面向某一参照方向（如北方），即可进行初始对准；此时初始速度为0，所占位置和方向即初始位置和方向，此后的导航位置和方向都是相对于初始位置和方向的。
（3）惯性测量单元1从行人的鞋跟处分别采集x轴、y轴和z轴上的加速度和角速度并传输到数据采集及处理单元2；
（4）数据采集及处理单元2将步骤（3）所获得的x轴上的加速度与预设的阈值进行比较：预设的阈值可以是静态的，如设置为0.5m/s2；也可以是动态设定，如设置为最大加速度的5%。
若x轴上的加速度小于预设的阈值，且第一微动开关16和第二微动开关17均为闭合状态，则将数据采集及处理单元（2）利用捷联惯性导航算法所计算的当前速度作为从上一次执行步骤（4）到目前为止的积累误差，则将数据采集及处理单元2利用捷联惯性导航算法所计算的当前速度认为是积累误差，根据这一积累误差对惯性测量单元1进行校正，后利用捷联惯性导航算法对步骤（2）所采集的x轴、y轴和z轴上的加速度和角速度计算行人的鞋跟的姿态信息和位移信息；
若x轴上的加速度大于等于预设的阈值，则直接利用捷联惯性导航算法对步骤（2）所采集的x轴、y轴和z轴上的加速度和角速度计算行人的鞋跟的姿态信息和位移信息。
由于本发明中惯性测量单元1与鞋跟固定在一起，属于捷联式。因此，可以使用目前成熟的捷联惯性导航算法，从加速度和角速度输入，计算出位置、方位、速度信息。
实际情况下，惯性测量单元1中的陀螺具有漂移误差，加速度计具有零位误差。根据捷联惯导理论，这些误差会导致随时间积累的系统误差。导航的时间越长，积累的误差越大。本发明就针对这一问题，利用行人步行时已知的信息，以跨步时间为周期，对惯性测量单元1进行校正，使得误差积累的时间仅为跨步周期，从而降低了导航误差。
因为每一步可以分为图3所示（以先迈右脚为例）的五个阶段：显示右脚后脚跟着地，后脚跟放平后，身体重心转移到右脚上面，左脚前抬，左脚着地并放平后右脚跟抬起，右脚登地，脚尖离地后开始并前移，本步结束。在未着地及着地过程中，右脚都在运动中，惯性测量装置数据变化较大，但在右脚着地且左脚跨步过程中，右脚作为身体重心的支点，其位置并未发生变化，惯性测量装置只受重力影响，加速度矢量和为当地重力，角速度为零。将当前惯性传感单元输出作为惯性传感单元的漂移误差，从测量结果中扣除。如图4示，脚根部相对于地面的速度随着脚处于不同的阶段而周期性变化。这一特点可以用来对惯性测量装置进行校正，消除其漂移误差，并消除误差的长期积累。
另外，通过在鞋底前后设置的一对微动开关：第一微动开关16和第二微动开关17，可以得到脚步的步行状态。只有在第一微动开关16和第二微动开关17全部受压闭合时，才认为安装步行状态采集单元13的那只脚已经着地并放平。这样可以消除只是从加速度阈值判断步行状态造成的误判现象。
（5）将步骤（4）计算得到的姿态信息和位移信息发送到显示单元3并进行显示，同时返回执行步骤（3）。
Claims (2)
1.一种行人惯性导航装置，其特征是：包括用于与行人鞋跟固定连接的惯性测量单元（1）、数据采集及处理单元（2）、显示单元（3）、步行状态采集单元（13）和供电单元（4），所述惯性测量单元（1）包括敏感方向互相垂直的三个加速度计和敏感轴互相垂直的三个陀螺，三个所述敏感轴中的x轴与地面和鞋的长度方向平行、y轴与地面平行且z轴与地面垂直；所述供电单元（4）分别与惯性测量单元（1）、数据采集及处理单元（2）和显示单元（3）电连接，所述惯性测量单元（1）的输出端与数据采集及处理单元（2）的输入端连接，数据采集及处理单元（2）的输出端与显示单元（3）的输入端连接；所述步行状态采集单元（13）包括固定安装于行人鞋子的脚跟部位的第一微动开关（16）和固定安装于行人的鞋子的脚掌部位的第二微动开关（17），所述第一微动开关（16）、第二微动开关（17）分别与数据采集及处理单元（2）的输入端电连接；其中，所述数据采集及处理单元（2）能够将惯性测量单元（1）所采集的x轴上的加速度与预设的阈值进行比较：
若x轴上的加速度小于预设的阈值，且所述第一微动开关（16）和第二微动开关（17）均为闭合状态，则数据采集及处理单元（2）将利用捷联惯性导航算法所计算的当前速度作为积累误差，并根据这一积累误差对惯性测量单元（1）进行校正，后利用捷联惯性导航算法对惯性测量单元（1）所采集的x轴、y轴和z轴上的加速度和角速度计算行人的鞋跟的姿态信息和位移信息；
若x轴上的加速度大于等于预设的阈值，则直接利用捷联惯性导航算法对惯性测量单元（1）所采集的x轴、y轴和z轴上的加速度和角速度计算行人的鞋跟的姿态信息和位移信息。
2.一种利用权利要求1的装置进行行人惯性导航的方法：其特征是包括如下步骤：
（1）将所述行人惯性导航装置中的惯性测量单元（1）与行人的鞋跟固定在一起，使得惯性测量单元（1）的三个敏感轴中的x轴与地面和鞋的长度方向平行、y轴与地面平行且z轴与地面垂直；将所述步行状态采集单元（13）的第一微动开关（16）固定安装于行人鞋子的脚跟部位，并将将所述步行状态采集单元（13）的第二微动开关（17）固定安装于行人的鞋子的脚掌部位；
（2）在行人处于静止状态时，对行人惯性导航装置进行初始对准；
（3）所述惯性测量单元（1）从行人的鞋跟处分别采集x轴、y轴和z轴上的加速度和角速度并传输到所述数据采集及处理单元（2）；
（4）所述数据采集及处理单元（2）将步骤（3）所获得的x轴上的加速度与预设的阈值进行比较：
若x轴上的加速度小于预设的阈值，且所述第一微动开关（16）和第二微动开关（17）均为闭合状态，则将数据采集及处理单元（2）利用捷联惯性导航算法所计算的当前速度作为从上一次执行步骤（4）到目前的积累误差，并根据这一积累误差对惯性测量单元（1）进行校正，后利用捷联惯性导航算法对步骤（2）所采集的x轴、y轴和z轴上的加速度和角速度计算行人的鞋跟的姿态信息和位移信息；
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