适用于步行者的定位方法技术

一种导航、制导与控制领域的适用于步行者的定位方法，本发明专利技术包括识别步行者运动状态、求取步行者实时步幅和结合航向角求取步行者所处位置的实时经纬度三部分，步行者的方位改变主要由双腿的运动实现，行走动作将带来身体有规则的振动，通过测量与分析该振动特征，并采用针对加速度采样的峰值捕获方法提取步行者的实时步频，并利用步频与步幅的关系得到步行者的实时步幅，该实时步幅作为相邻输出值间步行者行走的距离，与电磁罗盘输出的航向角相结合，并利用地球模型得到步行者所处位置的实时经纬度。在步幅估计前对ｎ个加速度输出值是否表征了步行者的行走运动做出判断，判断依据为加速度采样的能量。本发明专利技术可高识别率地判断步行者是否处于行走状态，有效提高步行者定位精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种导航
的方法，具体是一种适用于步行者的定 位方法。
技术介绍
步行者定位是位置服务的重要组成部分，目前全球定位系统(GPS)是步行者 定位的主流手段，但GPS信号会因植被、山脉和高楼的遮挡以及多路径效应而在 很多区域精度变差甚至无法输出结果。针对步行者运动特点的定位技术为实现步 行者不间断定位提供了可能。在车辆、船舶和飞行器的定位中，捷联惯性导航系 统(INS)是辅助GPS实现不间断定位的重要手段，但这并不适用于步行者，原因 如下(a)捷联惯导系统需要三个正交安装的加速度计和三轴陀螺仪，而且因其 原理是通过对加速度二次积分实现对位移的求解，所以对传感器的精度要求较 高，这使捷联惯导系统的造价和体积都不适于步行者应用；(b)捷联惯导系统的 原理性漂移大于Uw//2，对于大机动的车船和飞行器是可以忽略或补偿的，但对 于行走较慢的步行者是无法接受的。航位推测(DR)是成熟地应用于车辆、船舶定 位领域的另一种GPS辅助技术。航位推测的核心思想是实时求取运动体的航向角 和当前输出值与前一输出值间的运动距离，并结合前一输出值的位置求取当前运 动体的位置。在车船的航位推测应用中，航向角由电磁罗盘或陀螺仪测得，运动 距离由里程计测得，但对于步行者，移动主要靠双腿的行走运动实现，使用单一 传感器直接测得运动距离较为困难，在考虑成本和易实现性的前提下，需使用其 它传感器间接测得，其中，通过分析加速度计输出求取步行者行走距离的方法是 较为可行的。经对现有技术文献检索发现，中国专利申请号为200610007421.2，专利名 称为"一种基于步幅的路线指引设备和方法"，该专利自述为使用移动终端中 嵌入的导航系统，当路线被显示时，在所关注的步行者固有的步距的基础上检测 歩行者的步幅，并将从当前位置到主位置或目的地的剩余距离转换成步数，以便 为步行者提供到主位置或目的地的步数。该专利所述的方法主要用于为手持式移动终端提供自导航功能，所提出的基于步幅求取的自导航方案有一定的创新性。 但该方法具有以下缺陷(a)没有判断步行者是否处于行走状态，直接将加速度 计的原始采样作为行走距离求取的依据，这导致将步行者行走以外的动作(比如， 静止或原地不规则运动)所引起的加速度计输出振动特征误作为步幅估计的依 据，从而使行走距离求取产生误差；(b)在对步行者行走距离的求取中未使用实 时步距，而是使用了特定时间段的平均步距，增大了行走距离求取的累积误差； (C)在分析加速度计输出的振动特征时使用的是未经处理的原始采样，混入的噪 声给分析结果引入误差；(d)未测量步行者运动航向角，航位推测中所使用的航 向角通过估计得到，引起累积的方位误差。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术的不足和缺陷，提供了一种适用于步行者的定位方 法，包含了针对步行者运动特点的行走动作识别和实时步幅求取的定位方法，使 其在步行者身体除手臂外的任一部位安装加速度计，并且分析加速度计所测量的 加速度振动特征，并不限定该加速度计是单轴、双轴或三轴，也不限定该加速度 计轴的朝向，同时，在步行者腰部、肩部安装电磁罗盘，也可水平手持，用以测 量步行者运动的航向角，通过加速度计和电磁罗盘的配合工作达到较好的定位效 果。本专利技术是通过如下技术方案实现的，本专利技术包括如下具体步骤-步骤一，安装传感器，并由传感器采集数据传感器包括加速度计和电磁罗 盘，加速度计负责测量步行者加速度振动特征，用于识别步行者的运动状态和求 取步幅；电磁罗盘负责测量步行者的行走航向角，用于求取步行者所处位置的实 时经纬度。所述加速度计安装在步行者身体的除手臂之外的多个部位，电磁罗盘安装在 步行者的腰部、肩部，或者由步行者水平手持；所述加速度计为单轴、双轴或三轴，其任一轴可任意朝向。目前很多的微机电系统(MEMS)芯片将加速度计和电磁罗盘集成在一起，这 可降低使用本专利技术所提供方法的步行者定位终端成本和体积。步骤二，根据加速度计的输出值识别步行者运动状态；所述识别步行者运动状态具体为第一步，截取步骤一中加速度计的W个输出值并对这些输出值进行快速傅立叶变换(FFT)，其中w的取值与加速度计的采样频率有关；第二步，求取该w个加速度输出值的能量。该能量是第一步中W个加速度计 输出值快速傅立叶变换后的各频率分量模的归一化的和；第三步，判断步行者是否处于行走运动，具体为判断该"个加速度输出值 的能量是否在最低能量阈值和最高能量阈值之间，如成立，则该w个加速度输出 值所覆盖的时间里步行者处于行走状态，该"个加速度输出值保存并用于步骤 三；如不成立，则该"个加速度输出值所覆盖的时间里步行者不处于行走状态， 丢弃该W个加速度输出值，并返回第一步的操作，其中步行者行走的最低能量阈 值和最高能量阈值，可根据步行者的运动特性进行调整。步骤三，对W个加速度输出值进行平滑处理，并捕获加速度输出值的峰值， 得到步行者实时步幅；所述得到步行者实时步幅，通过以下步骤实现第一步，使用滑动平均法对"个加速度输出值进行平滑处理，滑动平均法是指对于第/个输出值，其平滑的结果为第/-m到第Z + m个输出值的平均值，使噪 声较大的加速度输出值有效平滑，降低加速度输出值峰值捕获的误差；第二步，使用长度可变的滑动窗捕获平滑处理后的加速度输出值的峰值。该 滑动窗的长度根据加速度计的采样频率和对"个加速度输出值进行快速傅立叶 变换后幅值最大的频率分量来确定；所述捕获平滑处理后的加速度输出值的峰值，包括如下具体步骤-① 将一个靠近滑动窗头部的未包括在滑动窗中的样本移入滑动窗；② 将一个靠近滑动窗尾部的己包括在滑动窗中的样本移出该滑动窗；③ 判断该滑动窗中心处的样本是否大于其它的样本；④ 如果满足第③步的条件，则认为捕获到了一个潜在的峰值，如果不满足则 返回步骤①，继续移动该滑动窗中的样本进行峰值捕获，所捕获到的峰值仅是潜 在峰值，误捕获仍有可能发生，还需进行时间间隔校验。第三步，判断峰值捕获后的结果是否满足时间间隔的要求，具体为判断本 次与上一次所捕获到的峰值的采样时间差值是否大于最小时间间隔阈值，如成 立，则保存该差值并用于第四步，该差值为步行者当前步子的周期，该差值的倒 数为步行者实时步频F;如不成立则丢弃该次捕获结果，并返回第二步，继续对 平滑处理后的加速度输出值进行峰值捕获。其中，峰值最小时间间隔阈值通过步骤二的第一步中对"个加速度输出值进行快速傅立叶变换后幅值最大的频率分 量来确定。第四步，利用步行者的实时步频F求取实时步幅，具体如下:实时步幅^0.4375 0<"1.35 0.45F-0.17 1.35<尸<2.45 0.9325 2.45^<+oo该公式经多次实验测得，当人步频加大时，处于维持平衡的原因，步幅也将 增大，当行走速度处于常规步频范围时，步幅与步频有近似的线性关系。当步行 者步频在(1.35，2.45)区间内时，对于年龄在15 65岁，身高在150 185厘米的东方人，利用上述公式求取的步幅具有良好的精度。步骤四，根据电磁罗盘的航向角和步行者的实时步幅，求取步行者所处位置 的经纬度。所述得到步行者所处位置的经纬度，通过以下步骤实现 第一步，使用滑动平均法对步骤一中电磁罗盘测得的航向角样本进行平本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于步行者的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，安装传感器，并由传感器采集数据：传感器包括加速度计和电磁罗盘，加速度计负责测量步行者振动特征，用于识别步行者的运动状态和求取步幅；电磁罗盘负责测量步行者的行走航向角，用于求取步行者所处位置的实时经纬度；步骤二，根据加速度计的输出值识别步行者运动状态；步骤三，对加速度输出值进行平滑处理，并捕获加速度输出值的峰值，得到步行者实时步幅；步骤四，根据电磁罗盘的航向角和步行者的实时步幅，得到步行者所处位置的经纬度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙作雷，茅旭初，张克志，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]