[发明专利]一种基于人体运动模式监测的行人导航方法

说明书

技术领域

本发明属于导航定位领域，涉及到一种基于人体运动模式监测的行人导航方法。

背景技术

近年来，市场上具有行人导航功能的产品绝大多数都是依靠地图匹配GPS导航定位。然而，在高楼林立的城市、大型的地下商场、隧道、地铁或者偏远的深林中，GPS信号将会严重受限制，进而难以持续的进行行人导航定位。

基于惯性测量元件MIMU的行人导航体系在GPS信号不佳的场所被广泛应用，MIMU可以不依靠外界信息短时间内给行人提供可靠的位置、速度、姿态等导航信息，满足了很多场合人们的需要。但是，若长时间的工作，MIMU的误差随时间的增长会呈现严重的发散趋势，精度严重降低，最终，使系统丧失导航功能。

现有的研究中，将MIMU置于胫骨、腰部、头部等处，其运动的规律性可以抑制MIMU的发散。通过行人的行走规律估算出行人步长，再利用行人航位推算算法定位。这种改进使惯性导航体系的精度有一定的提高，但存在着限制行人运动状态的不足之处，行人只能以比较缓慢而规律的步伐进行行走时才可以达到比较好的定位精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于人体运动模式监测的行人导航方法，实现任意运动状态下的高精度定位，尤其是室内等弱/无卫星信号的陌生应用环境。该方法是把人体运动模式识别的思想运用到行人导航系统中的一种新型导航定位的方法。

为达到上述目的，本发明提供的技术放案具体步骤为：

1)：在行人髋关节、膝关节、踝关节处安装双轴角度传感器，实时采集髋关节的屈伸度、外展度和内收度，膝关节的屈伸度和外旋度、内旋度，踝关节的背屈度、跖屈度、外翻度和内翻度；在行人双脚脚掌和脚跟处都装上压力传感器，实时采集行人运动时双足压力大小变化；在行人身上安装磁航向传感器，测量航向角；

2)：建立以行人两侧髋关节连线中点为原点以前方为正的前后方向为X轴，以从左到右为正的横向为Y轴，以从上到下为正的纵向为Z轴的三维人体坐标系；

3)：测量行人大腿、小腿和脚掌的长度，将大腿、小腿和脚掌近似成连杆，计算行人运动时各关节在坐标系中的位置。

4)：行人的行走或跑步等的运动状态，是一个由双脚撑地转变成单脚撑地再转变成双脚撑地的循环过程。每当行人处于双脚撑地这一状态时，记为一步，并以此时双脚的坐标值计算出行人步长。

5)：根据4个压力传感器所受压力的大小变化，各关节在人体坐标系中位置的变化以及变化频率的大小可以判断出行人正处于静止、行走还是跑步等状态。根据不同的运动状态，对所求得的步长进行修正。

6)：使用步长、步数和航向角进行航迹推算推算出行人的位置信息。

本发明还可以包括：

所述步骤4)中的步长具体解算方法为：

m＝|L₂sinΩ₁sinφ₁+L₁sina₁sinγ₁-L₂sinΩ₂sinφ₂-L₁sina₂sinγ₂|+L₃。

式中，L₀为坐标原点到两侧髋骨的距离，L₁为行人大腿长度，L₂为行人小腿长度，L₃为行人脚掌长度；

α₁、β₁分别为左侧髋关节的屈伸度和外展或内收度，α₂、β₂分别为右侧髋关节的屈伸度和外展或内收度；

Ω₁、为左侧膝关节的屈伸度和外旋或内旋度，Ω₂、分别为右侧膝关节的屈伸度和外旋或内旋度。

γ₁为左侧大腿在XOY平面内的投影与Y轴的夹角，且

γ₂为右侧大腿在XOY平面内的投影与Y轴的夹角，且

φ₁为左侧小腿在XOY平面内的投影与Y轴的夹角，且

φ₂为右侧小腿在XOY平面内的投影与Y轴的夹角，且

sin为角的正弦值，cos为角的余弦值，arcos为角的反余弦值。

步骤6中航迹推算算法的具体内容为：