[发明专利]行人惯性导航装置和方法

说明书

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；