[发明专利]一种基于步长模型约束的单足MIMU行人导航定位方法

说明书

本发明请求保护一种基于步长模型约束的单足MIMU行人导航定位方法，该方法采用MIMU采集足部的加速度和角速度数据，首先通过零速区间检测算法，得到行走过程中的零速状态，并在此状态下进行零速修正的卡尔曼滤波过程，以此对行人的导航位置数据进行初步修正，然后根据行走过程中，足部MIMU采集的加速度数据进行步长模型的更新建立，使用新的步长模型对零速修正后的位置数据采用约束最小二乘法进行约束，然后通过卡尔曼滤波对位置数据进行二次修正，最后输出精准的导航定位信息。

技术领域

本发明属于导航定位技术领域，涉及一种基于步长模型约束的单足MIMU行人导航定位方法。

背景技术

近年来，随着个人位置信息服务行业的快速发展，行人导航定位受到众多学者的广泛关注。行人导航定位主要通过实时获取行人的位置信息，并将位置信息发送给监控单元，从而实现实时监测行人的位置变化。由于微型惯性测量单元(Micro InertialMeasurement Unit,MIMU)具有不易受周围环境设施影响、自主性强等优点，成为行人导航定位的主流研究方向。然而由于MIMU存在自身测量精度低、易发散和噪声大等缺点，在行人长距离行走过程中，导航解算误差会随时间累积的漂移问题尤为严重，为此经常采用足部安装MIMU的方式，利用零速修正(ZUPT)算法来限制MIMU累积误差。

针对行人导航定位中存在的问题，已有一些研究人员和学者利用人体运动学特征规律来修正导航定位误差：文献(李佳璇,周广涛,刘晓旭等.基于等式约束卡尔曼的双MIMU行人导航方案[J].压电与声光,2015,37(02):237-241.)提出将两个MIMU分别放置在单足的足跟与足尖的方法，利用两个MIMU的相对距离为常数建立等式约束卡尔曼滤波，虽然达到较好的定位精度，但两个MIMU的数据处理复杂。文献(任元,黄丽斌,赵立业,等.基于足部运动约束的行人导航方法[J].导航定位学报,2021,9(02):21-27.)将单个MIMU放置在足尖，建立零速修正与足部运动侧向约束组成的整个步态周期约束模型来进行定位误差修正，但运动侧向约束应用在非零速时刻，而非零速的角速度的误差比较大，使得定位误差有一定的限制。文献(JI M,XU X,LI Z,et al.A Zero-Position-Difference ZUPT Methodfor Foot-Shank-Mounted Pedestrian Inertial Navigation Systems[J].IEEE SensorsJournal,2021,21(22):25649-25658.)提出利用足部和小腿的运动特性，建立以踝关节为连接点的零位置差的约束方法，进而将足部和小腿的导航位置信息融为一体进行导航误差修正，但是不同位置的MIMU进行零位置融合过程，会将两者的误差有一定的叠加，使得长距离行走的误差依然比较大。文献(JU H,PARK C G.A pedestrian dead reckoning systemusing a foot kinematic constraint and shoe modeling for various motions[J].Sensors and Actuators A:Physical,2018,284:135-144.)将单个MIMU置于足跟内侧，利用MIMU的角速度和足部椭球模型来预测足部运动的非零速时刻，并建立速度预测更新算法来对惯性导航系统的误差累积进行限制，但是足部椭球模型的建立复杂且数据计算量大。

公开号为CN110553646A公开了基于惯性和磁航向及零速修正的行人导航方法，主要是对于是导航定位中航向误差的修正，采用了三轴加速度的向量检测零速区间，此方法会存在严重的误判和漏判，并且对于航向的修正采用磁力计的磁航向进行修正，磁航向会受到周围环境的干扰，稳定性差，难以广泛应用。

公开号为CN111024070A公开了一种基于航向自观测的惯性足绑式行人定位方法，主要是对于导航定位中航向误差的修正，在零速状态时，通过加速度的输出得到的加速度本身就存在误差，然后再计算水平姿态必然会存在误差，其定位结果依然存在一定误差，并且该申请中没有考虑到行人行走过程中步长对行人定位的影响。

发明内容