[发明专利]基于脚戴式惯性测量单元的室内行人导航姿态估计方法

说明书

本发明提供了一种基于脚戴式惯性测量单元的室内行人导航姿态估计方法，首先，将惯性测量单元安装于行人足部，初始化惯性测量单元在导航坐标系下的初始姿态，然后根据惯性传感器的输出判断行人是否处于静止状态，当行人处于非静止状态时，采用捷联惯导算法进行姿态更新，递推得到当前的姿态，当行人处于静止状态时，根据捷联惯导算法姿态更新方程构造动态模型、加速度计输出与重力关系构造测量模型，在四元数框架下通过卡尔曼滤波器对当前的姿态进行更新。本发明利用静止时刻加速度计的测量构造姿态估计观测量，在四元素框架下执行卡尔曼滤波器进行数据融合得到精确的姿态信息，实现了提供精确的姿态信息的技术效果。

技术领域

本发明涉及行人导航技术领域，尤其涉及一种基于脚戴式惯性测量单元的室内行人导航姿态估计方法。

背景技术

“行人导航”是指在地图的基础上，提供必要的位置、方向信息，引导行人到达既定目标。在不断丰富的智能电子设备中，行人导航已成为其一项重要功能(如智能手机中高德地图、百度地图等提供的行人导航服务)，极大地提高了人们的出行效率。

在室外，依靠全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)可以获得精确的位置信息，再结合其他方向传感器(如陀螺仪)，便可以实现精确的行人导航。然而在室内，由于建筑结构和墙体的遮挡，GNSS信号被严重衰减，不能估计有效的位置信息。因此，室内行人导航面临困难更多、需要发展专门的技术，是当前国内外定位导航领域研究的热点之一。

现有技术中，可用的室内位置估计技术大致可分为基于视觉的方法、基于无线信号的方法和基于惯性传感器的方法等。考虑到成本、功耗、运算复杂度等问题，基于脚戴式惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)的方法被广泛应用于室内行人导航位置估计。如何获取精确的方向信息的是室内行人导航的主要难点。依靠IMU内置角速度传感器测量进行方向估计是一种经济、简单的方法，但存在方向漂移问题，需要对方向估计进行不断改正，从而限制方向漂移。当前的解决方案包括零加速度更新算法、磁航向辅助算法等。

本申请发明人在实施本发明的过程中，发现现有技术的方法，至少存在如下技术问题：

零加速度更新算法依赖于所使用的姿态误差模型，仅仅在地球坐标系下有效；磁航向辅助算法需要准确的航向观测值，但由于室内地磁干扰严重，通过地磁测量得到的航向估计将存在较大误差。除此之外，这些解决方案需要在地球坐标系下进行，极大地增加了导航系统的初始化工作；并且，这些方案普遍只提供航向信息，而不能提供精确的三维方向信息(即姿态)。对于一些特殊的室内行人导航应用，比如消防人员导航，姿态信息有利于监测被导航人员的行走状态(站立、平躺、下蹲等)，从而推测其是否安全。

由此可知，现有技术中的方法存在难以提供精确的姿态信息的技术问题。

发明内容

为解决当前室内行人导航系统难以提供精确的姿态信息问题，本发明提供一种基于脚戴式IMU的室内行人导航姿态估计方法，该方法利用行人静止状态的加速度计输出构建方向观测量，然后在四元数框架下执行卡尔曼滤波器对IMU捷联算法的姿态估计进行改正。

本发明提供了基于脚戴式IMU的室内行人导航姿态估计方法，包括：

步骤S1：将惯性测量单元安装于行人足部，确定导航坐标系，对惯性测量单元的零偏误差进行在线标定，初始化惯性测量单元在导航坐标系下的初始姿态，其中，导航坐标系的Z轴与地面垂直；

步骤S2：根据惯性传感器的输出判断行人是否处于静止状态，如果行人处于非静止状态，执行步骤S3，否则执行步骤S4；

步骤S3：根据初始姿态以及三轴陀螺仪的输出，采用捷联惯导算法进行姿态更新，递推得到当前的姿态，其中，将三轴陀螺仪的测量作为传感器坐标系下惯性测量单元相对于导航坐标系的旋转角速度；