[发明专利]具有非视距识别功能的室内行人定位方法

权利要求书

1.一种具有非视距识别功能的室内行人定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：利用信号到达时间法对待测行人目标进行定位，得到任意时刻下待测行人的位置坐标；

步骤二：根据待测行人的位置坐标，由三角不等式定理判断待测行人的当前状态是处于视距状态还是非视距状态；若待测行人处于视距状态，则继续执行步骤一；若待测行人处于非视距状态，则执行步骤三；

步骤三：若待测行人处于非视距状态，则采用惯性测量仪和行人航位推算法联合定位的方法，推算待测行人在上一时刻到当前时刻的位移量；

步骤四：由上一时刻待测行人的位置坐标、上一时刻到当前时刻的位移量和IMU陀螺仪输出的方向信息，重新计算当前时刻下待测行人的位置坐标；

步骤五：重复以上步骤，计算得到所有时刻下的待测行人的定位信息，利用粒子滤波器对数据进行筛选，去掉异常值；

完成具有非视距识别功能的室内行人定位。

2.根据权利要求1所述的一种具有非视距识别功能的室内行人定位方法，其特征在于，步骤一具体包括以下步骤：

(101)设定任意时刻下待测行人的位置坐标为(x₀,y₀)，基站的位置坐标为(x_i,y_i)，待测行人到第i个基站的真实距离为d_i，1≤i≤n，n为基站总数，则有：

(102)采用以下公式计算得到待测行人位置坐标：

将方程组中所有的方程均减去第一个方程，得如下方程组：

将上述方程组改写为矩阵形式，则有如下形式：

Hx＝b (5)

矩阵方程的最小方差解为：

x＝(H^TH)^-1H^Tb (6)

由此，计算得到任意时刻下待测行人的位置坐标。

3.根据权利要求1所述的一种具有非视距识别功能的室内行人定位方法，其特征在于，步骤二中根据待测行人的位置坐标，由三角不等式定理判断待测行人的当前状态是处于视距状态还是非视距状态，具体包括以下步骤：

(201)由步骤一得到待测行人在当前时刻t的位置坐标(x_t,y_t)、在t-1时刻的位置坐标为(x_t-1,y_t-1)以及在t-2时刻的位置坐标为(x_t-2,y_t-2)；

(202)根据加速度测量及待测行人在t-1和t-2时刻的位置，计算待测行人从t-1时刻移动到t时刻的距离ΔS；

式中，v_t-1是t-1时刻的速度，是t-2到t-1时刻的平均速度，S_t-1,t-2是t-2到t-1时刻的移动距离，a_t-1和a_t-2分别表示t-1时刻的加速度和t-2时刻的加速度，t为当前时刻；

(203)计算待测行人在t时刻与基站(x_q,y_q)之间的距离d_t，目标在t-1时刻与基站(x_q,y_q)之间的距离d_t-1，1≤q≤n，n为基站总数，计算公式如下：

(204)由三角不等式定理得以下关系：

ΔS+d_t-d_t-1＞0 (15)

ΔS+d_t-1-d_t＞0 (16)

d_t+d_t-1-ΔS＞0 (17)

ΔS-||d_t-d_t-1||＞0 (18)

由于在实际中存在测量误差和估计误差，将式(18)改写为：

ΔS-||d_t-d_t-1||＝ΔS-||d_t+ε_i+b_i-d_t-1-Δμ_t-1||＞0 (19)

ε_i+b_i是t时刻的测量误差，Δμ_t-1是前一次位置的估计误差；

(205)若式(18)或式(19)成立，则待测行人处于视距状态；否则，待测行人处于非视距状态。

4.根据权利要求1所述的一种具有非视距识别功能的室内行人定位方法，其特征在于，步骤三具体包括以下步骤：

(301)根据待测行人运动特点，建立行人腰部运动模型；

(302)计算一个周期待测行人在行走中腰部在水平方向上的位移量S_x；

ΔY₁＝L₁(1-cosδ) (20)

ΔY₂＝L₂(1-cosδ) (21)

S_right＝2L₁sinδ (22)

S_left＝2L₂cosδ (23)

由以上式子可得：

则一个周期行走中腰部的位移量为：

S_x＝S_right+S_left (26)

在总的步数下腰部的位移量S_d为：

式中，S₀为水平方向的初始位移量，S_right和S_left分别表示待测行人在支撑脚为右脚和左脚时人体行进的位移量，将行人垂直站立时惯性测量单元IMU与脚底的距离设定为单摆摆长，其中L₁和L₂分别表示右脚和左脚单脚支撑时行进过程中倒置单摆的摆长；ΔY₁和ΔY₂分别表示支撑脚为右脚和左脚时垂直方向上的最大和最小位移量；δ表示行进过程中腿部向前迈出的最大角度，即在单腿和双腿支撑之间划分临界点地时刻，支撑腿与垂直地面之间的夹角角度；

(303)计算一个周期待测行人在行走中腰部在垂直方向上的位移量S_y；

待测行人在每次行进步态中，设定IMU输出的三轴加速度分别为a_{x_i}，a_{y_i}，a_{z_i}，三轴角速度分别为ω_{x_i}，ω_{y_i}，ω_{z_i}，其中i＝1,2,…,N，N为总的步数；行进过程中支撑腿在垂直方向上的夹角为θ_i，则有：

其中，θ₀是θ_i的初值，ΔT为IMU的采样时间间隔，利用θ_i将其转换到水平和垂直方向上，则有：

其中，a_xi和a_yi分别为行进过程中在水平和垂直方向上的加速度值，g为重力加速度；

设定待测行人最开始是静止的，即θ₀＝0，对加速度进行积分得到垂直方向上的速度：

利用“零速修正ZUPT”修正原理，得v_y0为零，通过对IMU垂直方向上的速度进行进一步积分运算，得到其在垂直方向上的位移量：

其中，S_y0为ZUPT时刻在垂直方向上的初始位移，将其设置为零；

求每一步中以ZUPT时刻为基准，实时位移S_yi的最大值和最小值，即可求得支撑脚为右脚和左脚时垂直方向上的最大和最小位移量ΔY₁和ΔY₂；通过式(27)得到一段时间内行人的总位移。