一種跟蹤腳部運(yùn)動(dòng)特征的步行者定位方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于室內(nèi)定位技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種步行者定位方法及系統(tǒng)，特別是涉及一 種跟蹤腳部運(yùn)動(dòng)特征的步行者定位方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)的快速發(fā)展，使得基于微型傳感器的步行者導(dǎo)航系統(tǒng)成 為可能。但是低成本的傳感器器件，比如三軸加速度計(jì)，三軸陀螺儀，三軸磁力計(jì)等，存在不 可避免的測量漂移，會(huì)使得步行者慣性定位算法在段時(shí)間內(nèi)跟蹤失效，因?yàn)樵紨?shù)據(jù)的誤 差經(jīng)過兩次積分使得計(jì)算的位置誤差以時(shí)間的三次方發(fā)散。但是，根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)學(xué)研究成 果，在一個(gè)人的跨步周期中，存在一個(gè)腳部運(yùn)動(dòng)禁止時(shí)間段，在腳部運(yùn)動(dòng)禁止時(shí)間段內(nèi)，我 們可以使用零速度校準(zhǔn)（ZUPT)和零角速度校準(zhǔn)（ZARU)輔助的EKF(擴(kuò)展卡爾曼濾波器） 來對誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而使得步行者慣性定位估算的誤差降低到可接受范圍。
[0003] 通過大量的文獻(xiàn)調(diào)研與實(shí)驗(yàn)論證，一個(gè)高精度的零速度檢查算法，對最終的步行 者定位的精度影響重大，尤其是對高度計(jì)算的精度影響。傳統(tǒng)的零速度檢查方法基于三軸 加速度計(jì)與三軸陀螺儀的原始數(shù)據(jù)，利用聯(lián)合閾值條件判斷方法或者基于統(tǒng)計(jì)學(xué)知識進(jìn)行 判斷。但是這些方法在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)存在零速度區(qū)間內(nèi)判斷誤差點(diǎn)和零速度區(qū)間邊緣模糊的 問題。因此，現(xiàn)有步行者定位方法計(jì)算不高效，不穩(wěn)定，零速度檢測的準(zhǔn)確性不高。
[0004] 因此，如何提供一種跟蹤腳部運(yùn)動(dòng)特征的步行者定位方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技 術(shù)中的步行者定位方法及系統(tǒng)無法滿足實(shí)時(shí)計(jì)算要求，且計(jì)算不高效，不穩(wěn)定，零速度檢測 準(zhǔn)確性不高等種種缺陷，實(shí)已成為本領(lǐng)域從業(yè)者亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種跟蹤腳部運(yùn)動(dòng)特征的 步行者定位方法及系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中步行者定位方法及系統(tǒng)無法滿足實(shí)時(shí)計(jì)算要 求，且計(jì)算不高效，不穩(wěn)定，零速度檢測準(zhǔn)確性不高的問題。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明一方面提供一種跟蹤腳部運(yùn)動(dòng)特征的步 行者定位方法，通過分別佩戴在步行者上體和腳部的定位模塊和傳感模塊執(zhí)行，其中，所述 傳感模塊包括三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、三軸磁力計(jì)，所述跟蹤腳部運(yùn)動(dòng)特征的步行者定 位方法包括：獲取由所述定位模塊提供的所述步行者的初始位置信息，及由所述傳感模塊 提供的所述步行者在每一個(gè)時(shí)刻的傳感數(shù)據(jù)；其中，所述傳感數(shù)據(jù)中包括所述步行者的初 始運(yùn)動(dòng)方向信息；根據(jù)所述傳感數(shù)據(jù)計(jì)算所述步行者第k時(shí)刻的移動(dòng)位置信息以獲取未校 準(zhǔn)的所述步行者第k時(shí)刻的移動(dòng)位置信息；所述移動(dòng)位置信息中包括位置信息計(jì)算誤差； 其中，k為大于等于1的正整數(shù)；以所述步行者雙腳中的一只腳作為參照腳，根據(jù)貝葉斯推 測算法判斷所述參照腳在第k時(shí)刻是否處于靜止?fàn)顟B(tài)；若是，繼續(xù)執(zhí)行下一步驟；若否，輸 出未校準(zhǔn)的所述步行者第k時(shí)刻的移動(dòng)位置信息；對所述位置信息計(jì)算誤差進(jìn)行估計(jì)；校 準(zhǔn)所述步行者第k時(shí)刻的移動(dòng)位置信息，輸出校準(zhǔn)后的所述步行者第k時(shí)刻的移動(dòng)位置信 肩、。
[0007] 可選地，采用慣性定位算法計(jì)算所述步行者第k時(shí)刻的移動(dòng)位置信息。
[0008] 可選地，所述采用慣性定位算法計(jì)算所述步行者第k時(shí)刻的移動(dòng)位置信息的步驟 是基于所述傳感模塊中三軸陀螺儀y軸數(shù)據(jù)，根據(jù)三軸陀螺儀y軸信號中跨步信號特征來 計(jì)算跨步周期。
[0009] 可選地，根據(jù)貝葉斯推測算法判斷所述參照腳在第k時(shí)刻是否處于靜止?fàn)顟B(tài)的步 驟具體包括：基于所述傳感數(shù)據(jù)計(jì)算所述步行者的跨步周期；所述跨步周期包括腳接觸階 段、腳站立階段，腳離地階段、及腳擺布階段；按照預(yù)定規(guī)則對應(yīng)查詢所述步行者在第k時(shí) 刻應(yīng)該處于跨步周期中的哪個(gè)階段，并獲取查詢結(jié)果；根據(jù)預(yù)存的陀螺儀設(shè)置閾值判斷所 述參照腳是否處于靜止?fàn)顟B(tài)，獲取第一判斷結(jié)果；若是，則所述第一判斷結(jié)果與所述查詢結(jié) 果進(jìn)行比對，判斷所述第一判斷結(jié)果是否與所述查詢結(jié)果一致，若是，則表示不存在潛在誤 差點(diǎn)；若否，則表示存在潛在誤差點(diǎn)，通過樸素貝葉斯估計(jì)所述潛在誤差點(diǎn)是否處于零速度 區(qū)間，若是，則表示所述參照腳在第k時(shí)刻處于靜止?fàn)顟B(tài)，若否，則表示所述參照腳在第k時(shí) 刻處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
[0010] 可選地，對所述位置信息計(jì)算誤差進(jìn)行估計(jì)的步驟中是基于擴(kuò)展卡爾曼濾波法對 所述位置信息計(jì)算誤差進(jìn)行估計(jì)。
[0011] 可選地，所述位置信息計(jì)算誤差包括姿態(tài)誤差，角速度偏置、位置誤差、速度誤差、 及加速度偏置。
[0012] 可選地，校準(zhǔn)所述步行者第k時(shí)刻的移動(dòng)位置信息的步驟還包括：采用姿態(tài)誤差 通過一姿態(tài)誤差矩陣對方向余弦矩陣進(jìn)行修正；采用角速度偏置對第k+Ι時(shí)刻的角速度進(jìn) 行補(bǔ)償；其中，第k+Ι時(shí)刻的角速度=第k時(shí)刻的角速度+角速度偏置；采用加速度偏置對 第k+Ι時(shí)刻的加速度進(jìn)行補(bǔ)償；其中，第k+Ι時(shí)刻的加速度=第k時(shí)刻的加速度+加速度偏 置；采用位置誤差對第k時(shí)刻的位置進(jìn)行補(bǔ)償；其中，所述第k時(shí)刻的位置=未校準(zhǔn)的所述 步行者第k時(shí)刻的移動(dòng)位置信息中的位置信息一位置誤差；采用速度誤差對第k時(shí)刻的速 度進(jìn)行補(bǔ)償；其中，所述第k時(shí)刻的速度=未校準(zhǔn)的所述步行者第k時(shí)刻的移動(dòng)位置信息中 的速度一速度誤差。
[0013] 本發(fā)明另一方面還提供一種跟蹤腳部運(yùn)動(dòng)特征的步行者定位系統(tǒng)，通過與分別佩 戴在步行者上體和腳部的定位模塊和傳感模塊執(zhí)行跟蹤步行者定位，其中，所述傳感模塊 包括三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、三軸磁力計(jì)，所述跟蹤腳部運(yùn)動(dòng)特征的步行者定位系統(tǒng)包 括：數(shù)據(jù)獲取模塊，用于獲取由所述定位模塊提供的所述步行者的初始位置信息，及由所述 傳感模塊提供的所述步行者在每一個(gè)時(shí)刻的傳感數(shù)據(jù)；其中，所述傳感數(shù)據(jù)中包括所述步 行者的初始運(yùn)動(dòng)方向信息；計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述傳感數(shù)據(jù)計(jì)算所述步行者第k時(shí)刻的 移動(dòng)位置信息以獲取未校準(zhǔn)的所述步行者第k時(shí)刻的移動(dòng)位置信息；所述移動(dòng)位置信息中 包括位置信息計(jì)算誤差；其中，k為大于等于1的正整數(shù)；判斷模塊，用于以所述步行者雙腳 中的一只腳作為參照腳，根據(jù)貝葉斯推測算法判斷所述參照腳在第k時(shí)刻是否處于靜止?fàn)?態(tài)；若是，則調(diào)用用于對所述位置信息計(jì)算誤差進(jìn)行估計(jì)的估計(jì)模塊，用于校準(zhǔn)所述步行者 第k時(shí)刻的移動(dòng)位置信息的校準(zhǔn)模塊，及用于輸出校準(zhǔn)后的所述步行者第k時(shí)刻的移動(dòng)位 置信息的第一輸出模塊；若否，調(diào)用用于輸出未校準(zhǔn)的所述步行者第k時(shí)刻的移動(dòng)位置信 息的第二輸出模塊。
[0014] 可選地，所述計(jì)算單元采用慣性定位算法計(jì)算所述步行者第k時(shí)刻的移動(dòng)位置信 肩、。
[0015] 可選地，所述判斷模塊包括：跨步周期計(jì)算單元，用于基于所述傳感數(shù)據(jù)計(jì)算所述 步行者的跨步周期；所述跨步周期包括腳接觸階段、腳站立階段，腳離地階段、及腳擺布階 段；查詢單元，用于按照預(yù)定規(guī)則對應(yīng)查詢所述步行者在第k時(shí)刻應(yīng)該處于跨步周期中的 哪個(gè)階段，并獲取查詢結(jié)果；第一判斷單元，用于根據(jù)預(yù)存的陀螺儀設(shè)置閾值判斷所述參照 腳是否處于靜止?fàn)顟B(tài)，獲取第一判斷結(jié)果；若是，則調(diào)用用于將所述第一判斷結(jié)果與所述查 詢結(jié)果進(jìn)行比對，判斷所述第一判斷結(jié)果是否與所述查詢結(jié)果一致，若是，則表示不存在潛 在誤差點(diǎn)；若否，則表示存在潛在誤差點(diǎn)，調(diào)用用于通過樸素貝葉斯估計(jì)所述潛在誤差點(diǎn)是 否處于零速度區(qū)間的第二判斷單元，若是，則表示所述參照腳在第k時(shí)刻處于靜止?fàn)顟B(tài)，調(diào) 用所述估計(jì)模塊和校準(zhǔn)模塊，若否，則表示所述參照腳在第k時(shí)