CN103267524B - 一种穿戴式的人员步态检测室内定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿戴式的人员步态检测室内定位系统及方法，包括多个姿态传感器、数据采集器、数据传输单元和数据处理单元；多个姿态传感器分别安装于使用者的腿部和腰部；数据采集器的第一输入端连接姿态传感器，数据采集器的第二输入端连接校正模块，数据传输单元和数据处理单元依次连接在数据采集器的输出端；数据采集器采集姿态传感器测量的数据，并通过数据传输单元传输给数据处理单元，数据处理单元将数据进行合成处理获得相应部位的姿态角，并根据姿态角进行步态检测，结合使用者下肢和腰部长度参数获得行走步长以及行走方向，再将行走步长和方向进行矢量累加获得使用者在室内的位置。本发明能同时实现步态检测和定位，且定位精度高。

Description

一种穿戴式的人员步态检测室内定位系统及方法

技术领域

本发明属于步态检测及室内定位技术领域，更具体地，涉及一种穿戴式的人员步态检测室内定位系统及方法。

背景技术

随着我国经济社会发展，对于人员实时步态姿势检测以及室内定位的需求也越来越多，在一些场合有些时候既需要知道人员身体姿势也需要知道人员位置。比如是像在医院里医生常常需要及时知道一些患有腿部疾病的患者或是下肢活动障碍在室内某些地方以及是否有跌倒意外等发生，防止危险发生；还有像在一些福利院，一些盲人或是视觉障碍者常常需要知道自己处在室内的某些地方，福利院管理人员需要知道室内位置以及是否有跌倒等危险情况，要知道这些，就需要同时知道人员的实时步态姿势以及室内空间位置。未来，随着社会发展，这种需求将越来越迫切。

但现有的设备一般没有把使用者姿态检测及室内定位两者功能结合起来，功能单一。现有的步态检测设备，主要是基于计算机视觉、图像处理、多传感器等实现，系统复杂，体积较大，使用环境受限制，而且基本没有同步实现室内定位。而在定位方面，主要是基于卫星定位实现，但卫星定位的定位主要是针对室外活动的，而且定位精度满足不了室内定位要求，尤其是在室内，很难接收到卫星信号，因而不能实现室内定位，目前涉及到室内定位的系统，大部分是基于无线技术实现，而无线定位要求室内环境较空旷，且需要设置参考点，精度不高。

综上所述，目前这些设备具有以下主要缺点：功能单一，没有同时实现步态检测和定位；大部分定位设备都是基于无线定位技术实现的，定位的精度不高；使用要求室内环境空旷，且除定位外功能单一；设备运行需要辅助测量设备或是参考定位点，且系统复杂、设备昂贵。因而设计出便携的集步态检测与室内定位于一体的设备将很好的解决这一问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种穿戴式的人员步态检测室内定位系统，其目的在于解决现有技术中无法同时实现步态检测和定位且精度低的技术问题。

本发明提供了一种穿戴式的人员步态检测室内定位系统，包括：多个姿态传感器、数据采集器、数据传输单元和数据处理单元；多个姿态传感器分别用于安装在使用者的腿部和腰部；数据采集器的第一输入端连接姿态传感器，数据传输单元和数据处理单元依次连接在数据采集器的输出端；使用时，数据采集器采集姿态传感器检测的地磁强度数据、角速度数据和加速度数据，并通过数据传输单元传输给数据处理单元，数据处理单元将地磁强度数据、角速度数据和加速度数据进行合成处理获得相应部位的姿态角，并根据姿态角进行步态检测，结合使用者下肢和腰部长度参数获得行走步长以及行走方向，再将行走步长和方向进行矢量累加获得使用者在室内的位置。

更进一步地，还包括校正模块，连接在所述数据采集器的第二输入端，用于输出相应位置对应的校正标签ID，数据处理单元根据该ID获得使用者当前位置并对定位结果进行校正。

更进一步地，多个姿态传感器为3个，分别安装于使用者的左、右大腿部位和腰部。

更进一步地，多个姿态传感器为5个，分别安装于使用者的左、右大腿部位、左、右小腿部位和腰部。

更进一步地，所述姿态传感器包括：三轴磁力计，用于检测地磁强度数据；三轴陀螺仪，用于检测角速度数据；以及三轴加速度计，用于检测可以检测加速度数据。

更进一步地，所述校正模块包括：校正标签和标签阅读器，所述校正标签根据需要设置在室内相应位置，数据处理单元记录所有安置的校正标签的ID号以及其在室内坐标系下的位置坐标，标签阅读器安装在腰部；使用时，一旦标签阅读器识别到某个校正标签，数据采集器将该标签的ID号传给数据处理单元，数据处理单元通过该ID号获知校正标签室内坐标位置，并与通过步长和行走方向累加得出的室内位置进行比较，如果误差较大时，对定位结果做出校正，减小定位累积误差。

本发明采用多个姿态传感器分别对使用者的腿部和腰部的姿态数据进行采集，并根据采集数据获得相应部位的姿态角，根据姿态角进行步态检测，结合使用者下肢和腰部长度参数获得行走步长以及行走方向，再将行走步长和方向进行矢量累加获得使用者在室内的位置；能同时实现步态检测和定位，另外采用校正模块对使用者在室内的位置进行校正，消除了累积误差，使得定位精度高；且结构简单、易用、通用性较好、同时系统的便携性好，成本低廉，使用环境基本不受限制，可以更好的满足使用需求。

本发明还提供了一种穿戴式的人员步态检测室内定位方法，包括下述步骤：

S1：采集地磁强度数据、角速度数据和加速度数据；

S2：根据地磁强度数据、角速度数据和加速度数据获得相应部位的姿态角；

S3：根据大腿屈伸角来判断是否迈步，若是，则转入步骤S4，若否，则返回至步骤S1；

S4：根据姿态角以及使用者下肢及腰部长度等参数，获得行走步长及方向；

S5：根据行走步长及方向获得使用者在室内的位置。

更进一步地，姿态角包括滚转角θ，俯仰角φ，航向角ψ，

$\mathrm{\&phi;}=-\arctan (g_y/\sqrt{{g_x}^2+{g_z}^2});$ $\mathrm{\&theta;}=\left\{\begin{array}{cc}\arctan (g_x/g_z)& g_z>0\\ \mathrm{\&pi;}+\arctan (g_x/g_z)& g_x>0\mathrm{and}{g}_z<0\\ -\mathrm{\&pi;}+\arctan (g_x/g_z)& g_x<0\mathrm{and}{g}_z<0\\ \mathrm{\&pi;}/2& g_x>0\mathrm{and}{g}_z=0\\ -\mathrm{\&pi;}/2& g_x<0\mathrm{and}{g}_z=0\end{array}\right.;$

$\mathrm{\&psi;}=\left\{\begin{array}{cc}\arctan (H_y^g/H_x^g)& H_x^g>0\\ \mathrm{\&pi;}+\arctan (H_y^g/H_x^g)& H_y^g>0\mathrm{and}{H}_x^g<0\\ -\mathrm{\&pi;}+\arctan (H_y^g/H_x^g)& H_y^g<0\mathrm{and}{H}_x^g<0\\ \mathrm{\&pi;}/2& H_y^g>0\mathrm{and}{H}_x^g=0\\ -\mathrm{\&pi;}/2& H_y^g<0\mathrm{and}{H}_x^g=0\end{array}\right.;$ g_x，g_y，g_z为在传感器坐标系b下估计的重力加速度在x，y，z轴方向上的各个分量，H_x，H_y，H_z为在传感器坐标系b下估计的地磁强度在x，y，z轴方向上的各个分量。

更进一步地，屈伸角为α＝-(θ-π/2)；若α逐渐增大直至达到极大值且之后减小到0，则表示迈步。

更进一步地，步骤S4具体包括：

S41：根据姿态角以及使用者下肢及腰部长度等参数计算在基准坐标系下以腰部中心为原点的左、右踝关节的坐标；

S42：将左、右踝关节的坐标相减获得行走步长。

更进一步地，还包括：

S6：判断是否有接收到校正模块输出的校正标签ID，若是，则转入步骤S7，若否，则返回步骤S1；

S7：通过该ID获知使用者当前位置，并对由行走步长及方向定位的结果进行校正；并返回步骤S1。

本方法的优点在于在同一套系统上用一种传感器同时实现在了步态检测和室内定位两种功能，且在定位的同时，同步对系统定位进行校正，提高了定位精度。

附图说明

图1是本发明提供的穿戴式的人员步态检测室内定位系统原理框图；

图2是本发明实施例提供的穿戴式的人员步态检测室内定位系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的使用者的下肢简化模型示意图；

图4为本发明实施例提供的系统整体运行示意图；(a)穿戴式系统安装图，(b)无线接收单元及数据处理单元，(c)姿态演示和定位；

图5为本发明实施例提供的系统室内坐标校正及定位效果图；(a)基准坐标到室内坐标的转换，(b)定位效果图；

图6是本发明提供的穿戴式的人员步态检测室内定位方法的实现流程图；

图7是本发明实施例提供的穿戴式的人员步态检测室内定位方法的实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的穿戴式的人员步态检测室内定位系统可以对使用者的步态进行检测和对使用者进行室内定位；可以实时检测使用者走路的步态姿势，还可以对使用者做出室内定位判断。

图1示出了该穿戴式的人员步态检测室内定位系统的原理结构框图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

穿戴式的人员步态检测室内定位系统包括：多个姿态传感器1、数据采集器2、数据传输单元3和数据处理单元5；多个姿态传感器用于分别安装于使用者的腿部和腰部；数据采集器2的第一输入端连接姿态传感器，数据采集器2的第二输入端连接校正模块，数据传输单元3和数据处理单元5依次连接在数据采集器2的输出端；使用时，数据采集器2采集姿态传感器检测的地磁强度数据、角速度数据和加速度数据，并通过数据传输单元3传输给数据处理单元，数据处理单元将地磁强度数据、角速度数据和加速度数据进行合成处理获得相应部位的姿态角并根据姿态角以及下肢给部位长度计算获得行走步长及方向，再根据行走步长和方向矢量累加获得使用者在室内的位置。

本发明将人体实时步态姿势和室内位置两者结合起来，不仅能实现对使用者的步态检测，而且还可以对使用者实现室内定位。在此系统的帮助下，使用者可以自由的在室内行走，数据采集器2实时采集安装在下肢和腰部的多个姿态传感器1，将传感器数据经数据传输单元传给数据处理单元5，可以计算出下肢各部位及腰部的空间姿态，还可以计算出使用者行走方向及步长，知道步长和行走方向就可以矢量累加推算出使用者室内位置，最后由上位机数据处理来显示使用者步态姿势以及室内位置。本发明提供的穿戴式步态检测室内定位系统，其特征有功能强、成本低、操作简单、可使用性强等。

在本发明实施例中，穿戴式的人员步态检测室内定位系统还包括校正模块4，连接在数据采集器2的第二输入端，用于输出相应位置对应的校正标签ID，数据处理单元5根据该ID获得使用者当前位置并对定位结果进行校正。校正模块4可以对系统通过步长以及方向累加得出的室内位置进行校正，提高系统的定位精度。校正模块4输出表征使用者当前位置的数据，数据采集器通过数据传输单元将该数据传输给数据处理单元，数据处理单元5根据该数据获取使用者当前位置对定位结果进行校正。

在本发明实施例中，姿态传感器1的个数可以为3个，也可以为5个，若为3个，则分别安装于使用者的左、右大腿部位和腰部；若为5个，则分别安装于使用者的左、右大腿部位、左、右小腿部位和腰部。姿态传感器为3个时，可以实现使用者室内准确定位和步态检测；当姿态传感器为5个时，检测和定位的精度会更高。

作为本发明的一个实施例，姿态传感器1包括：三轴磁力计，用于检测地磁强度数据；三轴陀螺仪，用于检测角速度数据；以及三轴加速度计，用于检测可以检测加速度数据。各个传感器获得传感器坐标系下的矢量信息。加速度计实质是一个力传感器。在静止状态下，加速度计检测的是重力加速度。在运动状态下，检测到的是重力加速度和运动加速度的合成量。磁力计检测磁场强度。陀螺仪检测的是旋转时的角速度。将上述三种数据合成得到姿态传感器的空间姿态。将多个姿态传感器分别安装在人体下肢左右大小腿和腰部多个部位，则各个姿态传感器的姿态即可代表相应部位的姿态。

在本发明实施例中，数据传输单元3可以为无线数据传输单元，包括：无线数据发送模块31和无线数据接收模块32。

在本发明实施例中，校正模块4包括：校准标签42和标签阅读器41，校正标签42用于设置于室内的基准位置，标签阅读器41用于安装在腰部；使用时，数据采集器将标签阅读器将识别到的校正标签的ID号传给数据处理单元，数据处理单元将存储的该ID号校正标签室内坐标位置与通过步长和行走方向累加得出的室内位置进行比较，如果误差较大时，对由步态定位的结果做出校正，减小定位累积误差。

作为本发明的一个实施例，校准标签42可以有多个，每个校正标签42都有全球唯一ID号，校正标签42信标可以发射射频信号，其信号初始大概一米的识别范围，在此范围标签阅读器可以识别校正标签42的ID号。标签阅读器41可以通过无线指令设置标签42的发送信号的时间间隔以及发送功率，发送功率表征了校正标签42被识别的范围，功率越大，识别距离越远。针对一个具体的室内环境，事先建立一个室内坐标，在室内设置不定量的校正标签42，确定每个校正标签的室内坐标，将每个校正标签的ID以及室内坐标数据记录于数据处理单元5中。在室内环境中布置的校正标签越多，定位结果得到校正机会将越多，校正效果越明显。将阅读器41放置在人身上，阅读器识别到一个校正标签时候，说明标签阅读器在该校正标签识别范围内，此时采集器2将会把识别到的校正标签的ID传给数据处理单元5。数据处理单元5就会判断此时使用者根据步长和航向累加得出的室内位置是否和该校正标签的室内坐标大概一致，若相差太大将会根据信标的位置实时校正使用者的室内位置，以消除系统的累积误差。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的穿戴式的人员步态检测室内定位系统，现以5个姿态传感器为例并结合图2详述如下：

穿戴式的人员步态检测室内定位系统包括：5个姿态传感器1、数据采集器2、无线发送模块31、无线接收模块32、数据处理单元5、校正标签42和标签阅读器41；使用者下肢左右大小腿和腰部安装总共5个姿态传感器1，腰部安装数据采集器2、无线发送模块31和标签阅读器41；所有姿态传感器1和标签阅读器41都与数据采集器2相连；数据采集器2与无线发送模块31连接；无线接收模块32和数据处理单元5连接，实现数据采集器2和数据处理单元5无线数据传输；标签阅读器41可以识别校正标签42的ID号。系统数据处理单元5可以根据数据处理单元5计算出下肢各部位的空间姿态，还可以计算出使用者步长和迈步方向，进而可以完成对人员的实时步态检测以及室内定位。

其中，姿态传感器1包括三轴磁力计、三轴陀螺仪和三轴加速度计，可以检测地磁强度、角速度和加速度。各个传感器获得传感器坐标系下的矢量信息。加速度计实质是一个力传感器。在静止状态下，加速度计检测的是重力加速度。在运动状态下，检测到的是重力加速度和运动加速度的合成量。磁力计检测磁场强度。陀螺仪检测的是旋转时的角速度。将上述三种数据合成得到姿态传感器的空间姿态。将5个姿态传感器分别安装在人体下肢左右大小腿和腰部5个部位，则各个姿态传感器的姿态即可代表相应部位的姿态。

数据采集器2能收集前面5个姿态传感器1的数据，并将数据组合成数据帧。通过数据传输单元3发送给数据处理单元5。数据传输单元3包括无线发送模块31和无线接收模块32，它们分别与数据采集器2和数据处理单元5连接，可以在两者之间实现无线数据传输。

数据处理单元5视情况可定为PC机、平板电脑、高性能智能手机等。数据处理单元5将数据采集器2发送上来的传感器原始数据进行滤波处理后，根据处理后得出的数据可以确定下肢各部位的空间姿态角，进而确定使用者步态姿势。还可以判断使用者是否有迈步以及计算出使用者每次迈步的航向、步长，在基准坐标下根据步长和行走方向矢量累加确定使用者行走后的位置，再转换为根据室内环境建立的室内坐标位置，最后显示使用者步态姿势和室内位置结果。使用者步态姿势是通过电脑绘制的四个长方体模型来表现的，这四个长方体分别代表人体下肢的大小腿，根据这四个长方体模型所显示出来的空间姿势和位置即可表现人体的步态姿势。还可以加载具体使用环境的平面图，根据计算出的使用者室内位置在室内平面图上显示使用者位置。

如图3所示，为便于做数据分析，将使用者腰部及下肢简化为五个依次连接的刚体结构。

如图4所示，在(a)中，在人体下肢左右大小腿及腰部安装总共5个姿态检测传感器1，其中1号姿态传感器安装在左小腿、2号姿态传感器安装在左大腿、3号姿态传感器安装在右小腿、4号传感器安装在右大腿、5号姿态传感器安装在腰部正中间，并在腰部安装数据采集器2、无线发送模块3以及标签阅读器41。所有姿态传感器1通过导线与数据采集器2相连接，标签阅读器41与数据采集器2通过USB线相连，姿态传感器1和数据采集器2以I²C通讯协议进行通讯。数据采集器2每隔60ms采集一次所有传感器数据，依传感器顺序组合成数据帧，通过无线发送模块3向处理终端发送数据。在(b)中，无线接收模块32与数据处理单元5通过USB连接。无线接收模块32接收由无线发送模块3发送的数据，并交予数据处理单元5处理。

如图5所示，根据具体室内环境建立室内坐标，并将室内环境的平面地图导入数据处理单元，预先室内环境里设定好一定数量校正标签42，数量可多可少，越多定位精度越高，设置好校正标签42的发射时间和发射功率，将设置的校正标签的ID号及对应的室内坐标输入数据处理单元存储，同时输入系统基准坐标与室内坐标之间的偏角β(见图5(a))。当使用者在室内行走时，一旦安装于腰部的标签阅读器41识别到一个校正标签42，就会通过数据采集器2将识别到的校正标签ID由无线传输模块传给数据处理单元5。数据处理单元5根据收到校正标签的ID查询该标签的室内坐标，并与当前依据步长和方向累加得出定位结果对比，如果与该标签的室内坐标差别较大，将会对结果做出校正，减小定位的累积误差，最后数据处理单元显示使用者步态姿势以及室内位置。图5(b)为系统在一个具体应用的室内环境下的室内定位效果，图中黑点即表示使用者在室内地图的具体位置。

图6示出了本发明提供的一种穿戴式的人员步态检测室内定位方法，具体包括下述步骤：

S1：采集地磁强度、角速度和加速度等数据；

S2：根据地磁强度、角速度和加速度等数据获得相应部位的姿态角；

S3：根据大腿屈伸角α＝-(θ-π/2)来判断是否迈步，若是，则转入步骤S4，若否，则返回至步骤S1；

S4：根据姿态角以及使用者腿部和腰部长度等参数，获得行走步长及行走方向；

S5：根据行走步长及方向获得使用者在室内的位置；具体地可以将行走步长依据行走方向矢量累加获得使用者在室内的位置。

在本发明实施例中，基准坐标系p规定如下：x轴垂直于地面向下，z轴指向磁北方向，y轴方向依据右手定则。传感器坐标系b是依据姿态传感器而设置的。姿态传感器所检测的数据是相对于传感器坐标系而言。在基准坐标系下，重力加速度始终垂直于地面。在一定地区，地磁的方向可视为不变，磁偏角可由查表得到，磁倾角可以由加速度计测得的水平倾斜角补偿得到。可以通过姿态传感器坐标系下的重力加速度和地磁强度的矢量信息得到姿态传感器的空间姿态。但是由于运动时存在运动加速度，加速度计输出的是重力加速度和运动加速度的合成量，这里采用滤波算法滤去运动加速度产生的不利影响，估计出姿态传感器坐标系下的重力加速度和地磁强度。

在本发明实施例中，可以采用卡尔曼滤波算法，实现传感器的数据融合。状态变量S＝[g_x g_y g_z H_x H_y H_z]^T，其中g_x，g_y，g_z为在传感器坐标系b下估计的重力加速度在x，y，z轴方向上的各个分量，H_x，H_y，H_z为在传感器坐标系b下估计的地磁强度在x，y，z轴方向上的各个分量。状态方程＝A·S其中， $A=\left[\begin{array}{cccccc}0& -{\mathrm{\&omega;}}_z& {\mathrm{\&omega;}}_y& 0& 0& 0\\ {\mathrm{\&omega;}}_z& 0& -{\mathrm{\&omega;}}_x& 0& 0& 0\\ -{\mathrm{\&omega;}}_y& {\mathrm{\&omega;}}_x& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& -{\mathrm{\&omega;}}_z& {\mathrm{\&omega;}}_y\\ 0& 0& 0& {\mathrm{\&omega;}}_z& 0& -{\mathrm{\&omega;}}_x\\ 0& 0& 0& -{\mathrm{\&omega;}}_y& {\mathrm{\&omega;}}_x& 0\end{array}\right];$ 离散化后得到S(n)＝A(n)S(n-1)+W(n)，Z(n)＝S(n-1)+V(n)；其中W(n)为过程噪声协方差矩阵，V(n)传感器输出噪声协方差矩阵。Z(n)＝[a_x a_y a_z h_x h_y h_z]^T，a_x，a_y，a_z为加速度计的输出，h_x，h_y，h_z为磁力计的输出，ω_x，ω_y，ω_z为陀螺仪的输出。

在本发明实施例中，传感器输出的信息是相对于传感器坐标系的，借助这些信息可以得到从基准坐标系到传感器坐标系的旋转变换矩阵定义 $\begin{array}{c}{C}_p^b=\mathrm{Rot}(z,-\mathrm{\&psi;})\mathrm{Rot}(x,-\mathrm{\&phi;})\mathrm{Rot}(y,-\mathrm{\&theta;})\\ =\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&psi;}& \sin \mathrm{\&psi;}& 0\\ -\sin \mathrm{\&psi;}& \cos \mathrm{\&psi;}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\&phi;}& \sin \mathrm{\&phi;}\\ 0& -\sin \mathrm{\&phi;}& \cos \mathrm{\&phi;}\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&theta;}& 0& -\sin \mathrm{\&theta;}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\&theta;}& 0& \cos \mathrm{\&theta;}\end{array}\right],\end{array}$ 以右手定则规定旋转方向，基准坐标系先绕z轴反方向旋转ψ，然后绕旋转后坐标系下的x轴反方向旋转φ，最后绕旋转后坐标系下的y轴反方向旋转θ，即为传感器坐标系。其中，姿态角包括滚转角θ，俯仰角φ，航向角ψ，

$\mathrm{\&theta;}=\left\{\begin{array}{cc}\arctan (g_x/g_z)& g_z>0\\ \mathrm{\&pi;}+\arctan (g_x/g_z)& g_x>0\mathrm{and}{g}_z<0\\ -\mathrm{\&pi;}+\arctan (g_x/g_z)& g_x<0\mathrm{and}{g}_z<0\\ \mathrm{\&pi;}/2& g_x>0\mathrm{and}{g}_z=0\\ -\mathrm{\&pi;}/2& g_x<0\mathrm{and}{g}_z=0\end{array}\right.;$ $\mathrm{\&psi;}=\left\{\begin{array}{cc}\arctan (H_y^g/H_x^g)& H_x^g>0\\ \mathrm{\&pi;}+\arctan (H_y^g/H_x^g)& H_y^g>0\mathrm{and}{H}_x^g<0\\ -\mathrm{\&pi;}+\arctan (H_y^g/H_x^g)& H_y^g<0\mathrm{and}{H}_x^g<0\\ \mathrm{\&pi;}/2& H_y^g>0\mathrm{and}{H}_x^g=0\\ -\mathrm{\&pi;}/2& H_y^g<0\mathrm{and}{H}_x^g=0\end{array}\right.;$

$\mathrm{\&phi;}=-\arctan (g_y/\sqrt{{g_x}^2+{g_z}^2});$ 其中 $\left[\begin{array}{c}{H}_x^g\\ H_y^g\\ H_z^h\end{array}\right]=\mathrm{Rot}(x,-\mathrm{\&phi;})\mathrm{Rot}(y,-\mathrm{\&theta;})\left[\begin{array}{c}{H}_x\\ H_y\\ H_z\end{array}\right];$ g_x，g_y，g_z为在传感器坐标系b下估计的重力加速度在x，y，z轴方向上的各个分量，H_x，H_y，H_z为在传感器坐标系b下估计的地磁强度在x，y，z轴方向上的各个分量。可以表示姿态传感器在基准坐标系下的姿态。将姿态传感器固定在身体上，即表征身体相应部位的姿态。在已知下肢大小腿长度和腰部宽度，通过各个部分姿态传感器的旋转变换矩阵，计算在基准坐标系下以腰部中心为原点两腿踝关节的坐标。 $X_{L3}^b=C_{\mathrm{pLL}}^b{X}_{L3}^{\mathrm{pL}2}+C_{\mathrm{pLH}}^b{X}_{L2}^{\mathrm{pL}1}+C_{\mathrm{pW}}^b{X}_{L1}^{\mathrm{pW}},$ $X_{R3}^b=C_{\mathrm{pRL}}^b{X}_{R3}^{\mathrm{pR}2}+C_{\mathrm{pRH}}^b{X}_{R2}^{\mathrm{pR}1}+C_{\mathrm{pW}}^b{X}_{R1}^{\mathrm{pW}},$ $X_{L3}^{\mathrm{pL}2}=X_{R3}^{\mathrm{pR}2}={\left[\begin{array}{ccc}-\mathrm{ll}& 0& 0\end{array}\right]}^T,$ $X_{L2}^{\mathrm{pL}1}=X_{R2}^{\mathrm{pR}1}={\left[\begin{array}{ccc}-\mathrm{tl}& 0& 0\end{array}\right]}^T,$ $X_{L1}^{\mathrm{pW}}={\left[\begin{array}{ccc}0& -\mathrm{wl}/2& 0\end{array}\right]}^T,$ $X_{R1}^{\mathrm{pW}}={\left[\begin{array}{ccc}0& \mathrm{wl}/2& 0\end{array}\right]}^T,$ 其中，分别为基准坐标系下以腰部为原点，左右腿踝关节坐标；为基准坐标系分别到左小腿、左大腿、右大腿、右小腿和腰部所在姿态传感器的传感器坐标系旋转变换矩阵；wl为腰部宽度；tl为大腿长度；ll为小腿长度。取坐标中x，y分量，即可表示两腿脚踝水平相对位置关系。

在本发明实施例中，人正常行走时，身体直立，两腿交替迈步，始终有一条腿接触地面。对于屈伸角可表示为α＝-(θ-π/2)，屈伸角是指使用者大腿与垂直方向的夹角；α逐渐增大直至达到极大值，且之后减小到0，即判断确定完成腿交换支撑过程。记录极大值时两腿踝关节的坐标，取其x，y分量相减即为行走步长。

在本发明实施例中，将行走过程中的步长根据行走方向矢量累加，即可得到人在基准坐标系下水平面的坐标(x_b，y_b)。设从室内坐标系i到基准坐标系b变换矩阵为室内坐标系和基准坐标系原点在同一位置，室内方向与磁北夹角为β，将人在基准坐标下坐标的位置转化为室内坐标系下的坐标(x_i，y_i)，则 $\left[\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\end{array}\right]=C_b^i\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ x_b\end{array}\right],$ 其中 $C_b^i=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\&beta;}& -\sin \mathrm{\&beta;}\\ \sin \mathrm{\&beta;}& \cos \mathrm{\&beta;}\end{array}\right].$

如图7所示，本发明实施例提供的一种穿戴式的人员步态检测室内定位方法，具体包括：

S1：采集地磁强度、角速度和加速度等数据；

S2：根据地磁强度、角速度和加速度等数据获得相应部位的姿态角；

S3：根据大腿屈伸角α＝-(θ-π/2)来判断是否迈步，若是，则转入步骤S4，若否，则返回至步骤S1；

S4：根据姿态角以及使用者腿部和腰部长度等参数，获得行走步长及行走方向；

S5：根据行走步长及方向获得使用者在室内的位置；具体地可以将行走步长依据行走方向矢量累加获得使用者在室内的位置。

S6：判断是否有接收到校正模块输出的校正标签ID，若是，则转入步骤S7，若否，则返回步骤S1；

S7：通过该ID获得使用者当前位置，并对由行走步长及方向定位的结果进行校正；并返回步骤S1。

前述5个步骤跟图6中一样，在此不再赘述，为了更进一步的说明本发明实施例提供的穿戴式的人员步态检测室内定位方法中的校正步骤，现结合附图详述其误差校正过程如下：

根据具体室内环境，建立一个室内坐标，采用有源RFID作为校正标签42，在室内一些位置安置校正标签42，根据室内坐标轴，即可确定每个校正标签的室内坐标，并将这些较正标签的ID号以及对应室内坐标输入并存储在数据处理单元5中。校正标签42初始只有一米左右范围的识别范围，在此范围内才能被标签阅读器41所识别，校正标签42默认每1s发送一次标签64位ID号，阅读器6与校正标签42之间通信波特率为115200，阅读器41可以通过指令无线设置标签的发送间隔和发射功率，指令用8字节64位16进制字符表示，前7字节位为指令符，后1字节为指令值，时间指令格式为：

7字节为时间指令符

1字节时间指令值

时间指令值越小发送时间越短；同样，功率指令格式为：

7字节为功率指令符

1字节功率指令值

功率指令值数值越小，发射距离越小，校正标签的识别距离也就越短，但发射功率与发射距离不是正比关系，可以根据需要确定校正标签42的发射时间和功率，要提高精度的话则可以将发射时间和功率调小一下，标签数目设置多一些。将标签阅读器安置在人员身上，当读到校正标签42的时候，说明此时人员必定到达该标签所设置的识别范围内。每次阅读器41识别到的校正标签42时，通过标签阅读器41与数据处理单元5连接USB线将识别到的校正标签的ID传给数据处理单元5，数据处理单元5此时将会根据校正标签ID对应的室内坐标与使用者根据步长以及航向累加得出的位置比较，如果误差较大，将根据该ID对应的室内坐标对系统做出校正，消除累计误差，减小误差，提高系统定位精度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种穿戴式的人员步态检测室内定位系统，其特征在于，包括：多个姿态传感器、数据采集器、数据传输单元和数据处理单元；

多个姿态传感器分别用于安装在使用者的腿部和腰部；数据采集器的第一输入端连接姿态传感器，数据传输单元和数据处理单元依次连接在数据采集器的输出端；

使用时，数据采集器采集姿态传感器检测的地磁强度数据、角速度数据和加速度数据，并通过数据传输单元传输给数据处理单元，数据处理单元将地磁强度数据、角速度数据和加速度数据进行合成处理获得相应部位的姿态角，并根据姿态角进行步态检测，结合使用者下肢和腰部长度参数获得行走步长以及行走方向，再将行走步长和方向进行矢量累加获得使用者在室内的位置；

还包括校正模块，连接在所述数据采集器的第二输入端，用于输出相应位置对应的校正标签ID，数据处理单元根据该ID获得使用者当前位置并对定位结果进行校正。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，多个姿态传感器为3个，分别安装于使用者的左、右大腿部位和腰部。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，多个姿态传感器为5个，分别安装于使用者的左、右大腿部位，左、右小腿部位和腰部。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述校正模块包括：校准标签和标签阅读器，所述校正标签设置在室内的参考坐标点，用于对系统定位结果校准；标签阅读器用于安装在腰部。

5.一种穿戴式的人员步态检测室内定位方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：采集地磁强度数据、角速度数据和加速度数据；

S2：根据地磁强度数据、角速度数据和加速度数据获得相应部位的姿态角；

S3：根据屈伸角来判断是否迈步，若是，则转入步骤S4，若否，则返回至步骤S1；

S4：根据姿态角以及使用者腿部和腰部长度参数，获得行走步长及行走方向；

S5：根据行走步长和行走方向获得使用者在室内的位置；

姿态角包括滚转角θ，俯仰角φ，航向角ψ，

$\mathrm{\&phi;}=-\arctan (g_y/\sqrt{{g_x}^2+{g_z}^2});$ $\mathrm{\&theta;}=\left\{\begin{array}{cc}\arctan (g_x/g_z)& g_z>0\\ \mathrm{\&pi;}+\arctan (g_x/g_z)& g_x>0\mathrm{and}{g}_z<0\\ -\mathrm{\&pi;}+\arctan (g_x/g_z)& g_x<0\mathrm{and}{g}_z<0\\ \mathrm{\&pi;}/2& g_x>0\mathrm{and}{g}_z=0\\ -\mathrm{\&pi;}/2& g_x<0\mathrm{and}{g}_z=0\end{array}\right.;$ $\mathrm{\&psi;}=\left\{\begin{array}{cc}\arctan (H_y^g/H_x^g)& H_x^g>0\\ \mathrm{\&pi;}+\arctan (H_y^g/H_x^g)& H_y^g>0\mathrm{and}{H}_x^g<0\\ -\mathrm{\&pi;}+\arctan (H_y^g/H_x^g)& H_y^g<0\mathrm{and}{H}_x^g<0\\ \mathrm{\&pi;}/2& H_y^g>0\mathrm{and}{H}_x^g=0\\ -\mathrm{\&pi;}/2& H_y^g<0\mathrm{and}{H}_x^g\end{array}\right.;$ g_x,g_y,g_z为在传感器坐标系b下估计的重力加速度在x，y，z轴方向上的各个分量，H_x,H_y,H_z为在传感器坐标系b下估计的地磁强度在x，y，z轴方向上的各个分量；

所述屈伸角α＝-(θ-π/2)；θ为滚转角，若α逐渐增大直至达到极大值且之后减小到0，则表示迈步。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S4具体包括：

S41：根据姿态角以及使用者下肢及腰部长度参数计算在基准坐标系下以腰部中心为原点的左、右踝关节的坐标；

S42：将左、右踝关节的坐标相减获得行走步长及方向。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：

S6：判断是否有接收到校正模块输出的校正标签ID，若是，则转入步骤S7，若否，则返回步骤S1；

S7：通过该ID获得使用者当前位置，并对由行走步长及方向定位的结果进行校正；并返回步骤S1。