[发明专利]一种基于惯性定位的多功能鞋垫

说明书

技术领域

本发明涉及惯性定位技术领域，具体涉及一种基于惯性定位的多功能鞋垫。

背景技术

现阶段运用最多的主要是GPS定位，WIFI定位，基站定位等定位技术，但这些定位技术均存在较大的局限性，其盲区问题较为突出。惯性定位领域是一个全新的领域，基于惯性定位的自主定位技术作为一个定位精度更高，外界因素需求较低的定位技术，具有可靠、实时、便携的优点，有更好的市场需求。如厦门市踏踏联盟科技有限公司2015年提出的一种GPS定位鞋垫专利，其利用GPS定位具有一定的局限性，再如申请号为CN205214382U的智能定位鞋垫，其利用GPS定位，基站定位和WIFI定位的混合使用，虽优于仅用GPS信号的定位精度，然后对于三者信号皆无的极端环境下，仍旧无能为力。虽然长沙格致电子科技有限公司提出了一种惯性定位鞋垫，但是对于鞋垫的具体定位精度无从考证，并且长沙科技有限公司提出的惯性定位鞋垫无法实现人体运动信息判别功能。

现有市面上的智能鞋垫几乎是通过GPS、基站、WIFI定位以及惯性导航实现定位，但对于一些无WiFi信号、无GPS覆盖、四周无基站等极端环境，以及室内封闭环境、楼层中三维的定位，现有的智能鞋垫无能为力，且现有的定位鞋垫精度不够高。

本申请提出了一种惯性定位的多功能鞋垫。与传统的智能鞋垫相比，这种多功能鞋垫利用惯性定位技术实现定位，它克服了传统定位鞋垫无法实现室内以及无GPS、无WIFI、无基站定位的缺点。

三轴加速度计和三轴陀螺仪可实现人体行走步数的精准监控，与普通的计步软件相比，精度更高，并且能记录人体的行走轨迹，如共享至人体的出行和人体运动的加速度数据以及运动角度数据等数据信息，具有极高的商用和医用应用前景。

加速度计和陀螺仪采集的人体三轴加速度和三轴角速度可实现人体信息的判别，如运用在老人小孩的看护上，具有很大的商用价值。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种提高定位精度且可实现人体信息的判别的基于惯性定位的多功能鞋垫。本发明的技术方案如下：

一种基于惯性定位的多功能鞋垫，包括鞋垫本体，其还包括：设置在鞋垫本体内的惯性传感器模块、主控电路模块、信号传输模块、存储器、电池模块及USB模块，所述惯性传感器模块负责测得人体三个轴向的运动加速度、人体运动航向角及测量人体距海平面的高度；所述主控电路模块，用于实现定位导航、人体运动信息判别、步数记录，其上集成了陀螺仪姿态更新算法、加速度计和磁力计定姿算法、扩展卡尔曼滤波算法、航迹推算算法、人体运动信息判别算法；

所述信号传输模块负责与智能手机通过无线连接并传送数据到手机app，同时信号传输模块与主控电路模块相连，USB模块(作用是用来烧录程序和充电)可与主控电路模块进行数据传输，USB模块与电池模块相连，进行充电管理，存储器与主控电路模块直接相连，实现数据存储功能。

进一步的，所述惯性传感器模块包含三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计和气压计，所述三轴加速度计用于测量人体运动的三个轴向的加速度，三轴陀螺仪用于测量人体三个轴向的运动角速度，三轴磁力计用于测量人体运动航向角，气压计用于测量人体距海平面的高度。

进一步的，所述陀螺仪姿态更新算法采用四元素方法求陀螺仪的姿态角，得出四元素表示的坐标变换矩阵和四元素的微分方程，采用四阶龙格库塔法求解微分方程，计算四参数的更新值，求得姿态角。

进一步的，所述扩展卡尔曼滤波算法包括步骤：

初始时采集加速度计、磁力计和陀螺仪的原始数据；对原始数据进行误差补偿和卡尔曼滤波；若K<1时，则计算初始时刻加速度计和磁力计的姿态角，确定初始姿态角，根据初始姿态角计算初始四元素；若K>＝1,按照捷联惯导法计算出K时刻加速度计和磁力计的姿态角，四元素的四阶龙格库塔法计算K时刻陀螺仪的姿态角；再进行陀螺仪噪声估计，计算过程噪声协方差Q融合实现姿态角噪声估计，计算测量噪声协方差R；采用扩展卡尔曼滤波算法进行姿态融合，计算姿态角。

进一步的，所述航迹推算算法具体包括：

利用坐标转换后的加速度数据二次积分为每一步的行走位移，每步的行走位移累加即为行走总位移，利用气压计测得的高度信号通过低通滤波处理，可获得人体行走坐标的高度信息，可定位到室内楼层位置，利用航迹推算算法可得到人体具体坐标。