[发明专利]下肢运动方向预测装置和方法

说明书

本发明揭示了一种下肢运动方向预测装置，包括：传感单元，用以采集下肢的姿态信号；控制单元，采用Mahony算法对下肢的运动方向进行推算，其中，控制单元包括用以对所述的姿态信号进行误差补偿的PI控制器，该PI控制器的输入参数K_p和K_i通过机器学习模型进行预测。本发明还揭示了一种下肢运动方向预测方法。本发明结合机器学习模型对PI控制器的输入参数K_p和K_i进行调节，获取个人室内定位的前进方向精确推算。

技术领域

本发明属于室内定位技术领域，具体涉及一种下肢运动方向预测装置和 方法。

背景技术

个人导航系统(Personal Navigation System，PNS)主要是指一种能够跟 踪行人实时位置以及人体运动状态的定位系统，其在公共安全、医疗健康、 智慧出行等领域具有广泛的应用前景和实用价值。个人室内前进方向推算是 指以人体下肢作为研究对象，通过测量手段获取人体运动时下肢的运动信息， 包括下肢的运动姿态、加速度、肌电信号等，通过分析上述运动信息，获取 人体不同运动模式下的前进方向，该过程是个人导航系统必不可少的测试技 术。

人体前进方向测量方法主要包括全球定位系统、视觉定位技术、无线传 感器定位技术、惯性测量技术等测量方法。

基于卫星定位的室外定位技术日趋成熟，但是在室内场景中卫星信号受 到建筑物遮挡的影响，无法满足室内场景中行人前进方向推算的需要。

基于视觉传感器的个人室内定位的前进方向推算原理是通过视觉传感 器获取目标所在环境的场景信息，采用图像处理技术将目标从图像中分割出 来，利用智能算法推算目标的位置，实现前进方向的推算。然而视觉传感器 容易受光照条件、图像分辨率和自动对焦速度的影响，采集到的视觉图像具 有不稳定性，图像处理量巨大，对图像处理技术和智能推算算法要求较高。

基于无线传感器的个人室内定位的前进方向推算原理是通过部署在检 测区域内大量的传感器节点，采用无线通信方式形成的一个多跳的自组织网 络系统，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送 给观察者。然而由于室内环境障碍物多，人群流动等大量不确定的因素；建 筑结构复杂会使信号发生反射、折射和散射现象，造成信号的衰减损失；无 线干扰源较多，容易对定位结果产生影响等，仍然存在前进方向结果稳定性 差、通信距离限制的问题。

基于惯性传感器的个人室内前进方向推算的原理是通过使用惯性传感 器感知行人在行走过程中的加速度、角速度等数据，并利用这些数据对行人 的前进方向进行推算，随着微机电系统技术的发展，采用MIMU的个人室内 相对定位系统具有独立工作、体积小、易于在人体上安装与携带、价格相对 低廉等特点，其已经成为定位和导航领域一种非常重要的技术。然而MIMU 的精度不高，在仅依靠MIMU对航向进行解算的过程中，就会出现当人体运 动模式发生改变时，在方向上会出现较大误差的问题，因此采用常规的惯性 导航方法无法满足个人室内前进方向的精度要求。

近年来，随着微惯性传感器技术和生物肌电技术的飞速发展，MIMU、 sEMG等传感器被广泛应用于运动体能研究、步态监测、人体工程学等测量 领域。因MIMU、sEMG具备体积小、重量轻、成本低等优势，将其固定于 人体下肢膝盖侧面处在人体行走时不会造成影响，因此一种改进Mahony算 法的下肢运动方向推算方法及可穿戴装置将为个人室内定位的前进方向推算 提供一条更为便捷的途径。

发明内容

本发明一实施例提供一种下肢运动方向预测装置和方法，用于解决现有技 术中稳定性差、精度不高的问题，包括：

一实施例中，一种下肢运动方向预测装置，包括：

传感单元，用以采集下肢的姿态信号；

控制单元，采用Mahony算法对下肢的运动方向进行推算，其中，