[发明专利]行人导航中基于足底压力检测的零速修正方法

摘要

行人导航中基于足底压力检测的零速修正方法，结合运动中足底压力值、加速度值以及角速度值判定静止区间，以静止区间内的速度值作为卡尔曼滤波器的量测量，并利用卡尔曼滤波估计误差参数并修正速度、位置和姿态误差。本发明通过设定多个静止区间阈值与判定条件，提高了检测静止区间的准确性，有助于高动态下静止区间的检测，同时利用卡尔曼滤波器修正误差，提高了行人导航的定位精度。

主权项

1.一种行人导航中基于足底压力检测的零速修正方法，其特征在于：包括以下步骤：1)在人体足底的前脚掌和后脚跟安装压力传感器，实时采集运动时前脚掌与后脚跟的压力值，将微型惯性测量单元即MIMU固定在人体脚部的踝关节上方，采集运动过程中的加速度和角速度信息，同时减少人体行走状态对MIMU的影响；2)根据人体步态相位的分析，结合每个离散时刻足底压力值、加速度值、角速度值以及噪声特性设定静止区间的上、下阈值；所述步骤2)中的步态相位为行走时的支撑相位和摆动相位，由步态相位与足底受力情况内在联系的分析，可知行人处于静止区间时其支撑脚所受的力为人体总质量，根据人体体重和单位窗口内的足底平均压力值设定阈值F_V；根据理想情况下静止区间内脚部的合加速度大小为G即重力加速度，且方向垂直地面向下这一特点，设定加速度幅值的判断阈值为[G_V1,G_V2]；根据单位窗口内平均加速度幅值与噪声特性设定加速度幅值标准差的判断阈值为G_V3；根据单位窗口内角速度幅值与噪声特性设定角速度幅值的判断阈值为ω_V；3)根据足底压力变化与步态变化的内在联系，结合足底压力传感器、加速度计和陀螺仪分别设定判定脚掌全部落地即静止区间的条件，并根据这些条件所进行的与操作，最终判定出静止区间；所述步骤3)中，设定检测静止区间的4个判断条件分别为C₁、C₂、C₃和C₄；当行人处于静止区间内，脚掌完全贴地，前后掌均受到地面反作用力且支撑脚所受力为人体自重，因此，设定判断条件C₁为F₁＝f₁＞0&f₂＞0F₂＝f₁+f₂式中，f₁为前脚掌所受力，f₂为后脚跟所受力，F₁表示前脚掌与后脚跟均受力时为真，否则为假，F₂为前后掌总受力；判断条件C₂为通过加速度模值进行判定，如下式中，a_kx、a_ky、a_kz分别为加速度沿三轴方向上的分量，|a_k|为加速度模值；判断条件C₃根据加速度矢量的幅值方差进行判定是k时刻的平均加速度幅值，s为平滑窗口长度，a_j为加速度采样点，则k时刻加速度的幅值方差为式中，δ(a_k)为k时刻加速度的幅值标准差，G_V3为加速度幅值标准差的判断阈值；利用角速度幅值设定判断条件C₄，角速度幅值表示为ω_kx、ω_ky、ω_kz分别表示角速度在三轴方向上的分量，|ω_k|为角速度模值，则判断条件C₄表达式为对C₁、C₂、C₃和C₄条件进行与操作，最终的静止区间的判定条件为：C＝C₁&C₂&C₃&C₄，当四个条件都满足时，C记录为1，表示检测到静止区间，否则记录为0，表示脚部处于运动状态；4)零速修正在静止区间内触发卡尔曼滤波器，在检测出的静止区间内人体脚部的运动速度视为零，以此时MIMU所输出的速度值作为卡尔曼滤波器的量测量，利用卡尔曼滤波估计更多的误差参数，从而修正基于MIMU的惯性行人导航系统中的速度误差、位置误差和姿态误差。