CN103954285B - 一种室内自主三维空间定位信息融合方法 - Google Patents

一种室内自主三维空间定位信息融合方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103954285B
CN103954285B CN201410198799.XA CN201410198799A CN103954285B CN 103954285 B CN103954285 B CN 103954285B CN 201410198799 A CN201410198799 A CN 201410198799A CN 103954285 B CN103954285 B CN 103954285B
Authority
CN
China
Prior art keywords
human
motion
information fusion
behavior
transient state
Prior art date
Application number
CN201410198799.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN103954285A (zh
Inventor
李擎
苏中
刘宁
范军芳
付国栋
高可
时佳斌
Original Assignee
北京信息科技大学
北京德维创盈科技有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 北京信息科技大学, 北京德维创盈科技有限公司 filed Critical 北京信息科技大学
Priority to CN201410198799.XA priority Critical patent/CN103954285B/zh
Publication of CN103954285A publication Critical patent/CN103954285A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103954285B publication Critical patent/CN103954285B/zh

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C25/00Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass
    • G01C25/005Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass initial alignment, calibration or starting-up of inertial devices

Abstract

一种室内自主三维空间定位信息融合方法,其利用人体运动零瞬态特征抑制惯性器件长时漂移,通该方法包括:过对惯性测量组合和智能信息融合的复杂环境下人体非规则运动行为的认知,判断人体行为运动状况;分析人体线运动和角运动零瞬态特征,确定多部位传感信息零瞬态判别准则;建立动态环境下融合人体非规则运动行为特征的惯性定位方程;通过确立惯性定位方程零瞬态触发修正状态和触发修正关系,求解这种非线性、时变、变采样时间的特殊系统,从而解决室内自主三维空间定位问题。

Description

一种室内自主三维空间定位信息融合方法

技术领域

[0001] 本发明涉及定位方法领域,特别是涉及一种室内自主三维空间定位信息融合方 法。

背景技术

[0002] 随着卫星导航和无线通信技术的发展,通过卫星定位、预置信标和数字地图匹配 等方法,可以方便地获取个人位置信息(PDR,Pedestriant Dead Reckoning或Personal Dead Reckoning,运动人体导航与定位)。但对于无信标环境(卫星信号差、WiFi等通信系统 因断电等原因无法使用),特别是复杂建筑物内部、火灾现场等环境下的人员导航与定位问 题,一直是国内外导航与位置服务的难题和研究热点。

[0003] 当前,灾难救援现场经常出现轰燃、热辐射、浓烟、黑暗、地形复杂等多种复杂环境 给救援工作带来极大不便,特别是消防救援现场。在目前消防装备条件下,难以对进入火灾 现场的消防员进行实时跟踪定位。后方消防救援指挥员,由于不知道消防员所处位置和火 灾现场的实际情况,很难对消防救援工作给予全面准确的指挥;消防官兵难以根据自身位 置和地形环境迅速完成阶段任务,导致自带空气和水耗尽。而一旦消防员发生危险,后方救 援人员无法判断消防员遇险时刻所处位置,只能通过搜寻呼救器声音或循迹方位灯来判断 遇险位置,致使不能及时救助遇险队员。据报道,2013年10月,北京石景山喜隆多商场火灾 中壮烈牺牲的消防员的遗言是“烟太大,迷路了”。因此,消防救援工作迫切需求一种能够确 定消防队员位置和状态的自主定位技术。此外,中国作为煤矿大国,矿山众多,大小矿难也 时有发生,而矿山矿井人员的跟踪难题却迟迟没有得到有效解决。传统惯性导航作为一种 自主式的导航与定位技术,依靠其惯性器件(加速度计、陀螺)测量的载体运动信息来连续 推算载体速度、位置和姿态,可为解决上述问题提供技术手段,但制约其在运动人体定位领 域发展的关键在于人体运动形态影响及惯性器件的长时漂移。

[0004]本发明面向消防救援现场人员定位、矿山矿井人员跟踪的迫切需求,结合室内定 位技术领域发展趋势,针对制约消防员、矿山矿井人员实时定位跟踪的关键技术瓶颈:“非 自主”(需预置节点、抗干扰能力差)、“定位难”(无法实时精确定位),提出一种室内自主三 维空间定位信息融合方法。本发明能够解决传统消防救援现场消防员定位、矿山矿井的矿 工定位等非正常环境中,人员无法自主定位的问题,克服传统借助预置节点方法的成本高、 架设难度大的缺点,同时克服传统惯性测量单元的长时漂移大的缺点。本发明将为灾害现 场、未知环境中消防人员、救灾抢险人员、矿工提供实时的导航和位置信息,以避免宝贵的 专业人员牺牲,也适用于其他无卫星信号和无室内信标等环境中的导航定位,例如,方便人 们在商场、机场、体育馆等建筑中找人、找地点、找出口,国防领域的单兵自主定位等。

发明内容

[0005] _本发明公开了 一种室内自主三维空间定位信息融合方法,其目的是为了解决传统 消防救援现场消防员定位、矿山矿井的矿工定位等非正常环境中,人员无法自主定位的问 题,克服传统借助预置节点方法的成本高、架设难度大的缺点,同时克服传统惯性测量单元 的长时漂移大的缺点。

[0006] 为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:

[0007] 一种室内自主三维空间定位信息融合方法,该方法利用人体运动零瞬态特征抑制 惯性器件长时漂移,包括以下步骤:

[0008] (1)通过对惯性测量组合和智能信息融合的复杂环境下人体非规则运动行为的认 知,判断人体行为运动状况;

[0009] ⑵分析人体线运动和角运动零瞬态特征,确定多部位传感信息零瞬态判别准则;

[0010] (3)建立动态环境下融合人体非规则运动行为特征的惯性定位方程;

[0011] (4)通过确立惯性定位方程零瞬态触发修正状态和触发修正关系,求解这种非线 性、时变、变采样时间的特殊系统;最终完成室内自主三维空间定位。

[0012] 进一步的,步骤(1)中所述人体非规则运动行为以消防人员现场典型运动为模态, 用分别安装在人体多部位的传感器,认知人体的非规则运动,并分析非规则运动的诸多特 征,建立人体行为运动模型。

[0013] 进一步的,利用穿戴在人体特定部位的传感器进行信息测量,通过捷联惯性定位 理论结合人体行为运动基本特征求解人体位置。

[0014] 进一步的,步骤⑵中,利用人体线运动和角运动速度为零的瞬间,修正顶u的陀螺 和加速度计的零偏,从而抑制定位误差。零瞬态修正时刻是非等间隔的;根据人体运动零瞬 态特性测量与认知方法,以及人体运动多部位传感信息确定的零瞬态触发修正状态和触发 修正关系,制定零瞬态判别准则,形成融合人体非规则运动行为特征的惯性自主定位方程。

[0015] 1、进一步的,步骤(3)中,对人体穿戴的多个传感器数据、确定的修正状态、根据判 定准则获得的零瞬态修正关系进行信息融合,实现非规则运动人体自主定位。根据非线性、 时变、变采样时间的特殊系统,设计适应此环境下的智能滤波器。

[0016] 与现有技术相比,本发明的有益效果是:

[0017] 1)本发明提供的一种室内自主三维空间定位信息融合方法,利用人体运动零瞬态 特征抑制惯性器件长时漂移,克服传统惯性测量单元的长时漂移大的缺点。

[0018] 2)本发明提供的一种室内自主三维空间定位信息融合方法,借助惯性测量单元完 成人员的自主定位,克服传统借助预置节点方法的成本高、架设难度大的缺点。

[0019] 3)本发明对惯性测量组合和智能信息融合的复杂环境下人体非规则运动行为的 认知,判断人体行为运动状况;分析人体线运动和角运动零瞬态特征,确定多部位传感信息 零瞬态判别准则;建立动态环境下融合人体非规则运动行为特征的惯性定位方程;通过确 立惯性定位方程零瞬态触发修正状态和触发修正关系,求解这种非线性、时变、变采样时间 的特殊系统。提高了定位精度,解决室内自主三维无盲区空间定位的关键技术问题。

附图说明

[0020] 图1为一种室内自主三维空间定位信息融合方法系统框图。

具体实施方式

[0021] 本发明公开了一种室内自主三维空间定位信息融合方法,利用人体运动零瞬态特 征抑制惯性器件长时漂移的定位方法,通过对惯性测量组合和智能信息融合的复杂环境下 人体非规则运动行为的认知,判断人体行为运动状况;分析人体线运动和角运动零瞬态特 征,确定多部位传感信息零瞬态判别准则;建立动态环境下融合人体非规则运动行为特征 的惯性定位方程;通过确立惯性定位方程零瞬态触发修正状态和触发修正关系,求解这种 非线性、时变、变采样时间的特殊系统。从而解决室内自主三维空间定位问题。

[0022]结合附图1,具体描述本发明提出的一种室内自主三维空间定位信息融合方法,其 步骤如下:

[0023] 步骤1:人体非规则运动行为的认知与建模

[0024]人体非规则运动行为模型,不同于笨拙的类人机器人模型,不同于3D动画拟人模 型,也不同于体育运动模型。因此,需要研究如何以消防场景为例,以消防人员现场典型运 动为模态,用分别安装在人体多部位的传感器,认知人体的非规则运动,并分析非规则运动 的诸多特征,建立人体行为运动模型。利用穿戴在人体特定部位的传感器(IMU、磁阻传感 器、压强计)进行信息测量,通过捷联惯性定位理论结合人体行为运动基本特征求解人体位 置。

[0025] 步骤2:建立多约束条件下融合人体非规则运动行为特征的惯性自主定位方程。 [0026]本发明提出有效抑制惯性器件长时漂移的策略是:利用人体线运动和角运动速度 为零的瞬间--本发明称之为“零瞬态”,修正IMU的陀螺和加速度计的零偏,从而抑制定位 误差。零瞬态修正时刻是非等间隔的。由于人体非规则运动下的自主定位的复杂性,要实现 这一策略,需要研究人体运动零瞬态特性测量与认知方法,研宄人体运动多部位传感信息 确定的零瞬态触发修正状态和触发修正关系,制定零瞬态判别准则,形成融合人体非规则 运动行为特征的惯性自主定位方程。

[0027] (a)基于人体运动行为的触发修正状态和触发修正关系

[0028] 发明人在前期研宄中证明,人体在典型运动走、跑、停和特殊环境下的跳跃、匍匐、 爬行、扭曲等运动情况下,存在线运动和角运动的零位状态——零瞬态,在达到此状态瞬间 时,存在基本零位触发修正状态。在此基础上研宄确定人体在不同运动状态不同安装部位 的零瞬态触发修正状态和修正关系,为系统信息融合过程提供有效观测量。

[0029] ⑹人体运动行为判定准则

[0030] 通过研宄人体运动行为判定准则,可确定人体行为运动状态,获得人体行为基本 特征,估计出零瞬态修正时刻。首先,对人体多部位的特征数据进行数理统计,建立不同运 动状态传感器不同安装部位时的特征库;其次,对特征库进行分析,建立特征提取方法;最 后,建立人体行为判定准则,确定零瞬态修正时刻。

[0031] 步骤3:自主定位智能信息融合:

[0032]对人体穿戴的多个传感器数据、确定的修正状态、根据判定准则获得的零瞬态修 正关系进行信息融合,实现非规则运动人体自主定位。系统方程具有很强非线性,同时零瞬 态修正时刻是非等间隔的。针对这类非线性、时变、变采样时间的特殊系统,设计适应此环 境下的智能滤波器。

[0033]本发明解决了传统消防救援现场消防员定位、矿山矿井的矿工定位等非正常环境 中,人员无法自主定位的问题,克服传统借助预置节点方法的成本高、架设难度大的缺点, 同时克服传统惯性测量单元的长时漂移大的缺点。

[0034]最后应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照 本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1. 一种室内自主三维空间定位信息融合方法,其特征在于,该方法利用人体运动零瞬 态特征抑制惯性器件长时漂移,包括以下步骤: (1) 人体非规则运动行为的认知与建模; (2) 建立多约束条件下融合人体非规则运动行为特征的惯性自主定位方程;(a)基于人 体运动行为的触发修正状态和触发修正关系;研宄确定人体在不同运动状态不同安装部位 的零瞬态触发修正状态和修正关系,为系统信息融合过程提供有效观测量;(b)人体运动行 为判定准则;通过研究人体运动行为判定准则,可确定人体行为运动状态,获得人体行为基 本特征,估计出零瞬态修正时刻;首先,对人体多部位的特征数据进行数理统计,建立不同 运动状态传感器不同安装部位时的特征库;其次,对特征库进行分析,建立特征提取方法; 最后,建立人体行为判定准则,确定零瞬态修正时刻;所述零瞬态修正时刻是非等间隔的; (3) 自主定位智能信息融合。
2. 根据权利要求1所述的室内自主三维空间定位信息融合方法,其特征在于:步骤(1) 中使用传感器分别穿戴在人体多部位,认知人体的非规则运动,通过分析非规则运动的特 征,建立人体行为运动模型。
3. 根据权利要求2所述的一种室内自主三维空间定位信息融合方法,其特征在于:利用 穿戴在人体特定部位的传感器进行信息测量,通过捷联惯性定位理论结合人体行为运动基 本特征求解人体位置。
4. 根据权利要求1所述的一种室内自主三维空间定位信息融合方法,其特征在于:步骤 (3)中,对人体穿戴的多个传感器数据、确定的修正状态、根据判定准则获得的零瞬态修正 关系进行信息融合,实现非规则运动人体自主定位。
5. 根据权利要求4所述的一种室内自主三维空间定位信息融合方法,其特征在于:根据 非线性、时变、变采样时间的特殊系统,设计适应此环境下的智能滤波器。
CN201410198799.XA 2014-05-13 2014-05-13 一种室内自主三维空间定位信息融合方法 CN103954285B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410198799.XA CN103954285B (zh) 2014-05-13 2014-05-13 一种室内自主三维空间定位信息融合方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410198799.XA CN103954285B (zh) 2014-05-13 2014-05-13 一种室内自主三维空间定位信息融合方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103954285A CN103954285A (zh) 2014-07-30
CN103954285B true CN103954285B (zh) 2018-06-22

Family

ID=51331595

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410198799.XA CN103954285B (zh) 2014-05-13 2014-05-13 一种室内自主三维空间定位信息融合方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103954285B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105043385B (zh) * 2015-06-05 2018-10-26 北京信息科技大学 一种行人自主导航定位的自适应卡尔曼滤波方法
CN105021194B (zh) * 2015-07-06 2018-06-22 北京信息科技大学 一种人体非规则运动认知式导航腰带
CN105674985B (zh) * 2016-01-28 2018-04-24 中国矿业大学 一种煤矿井下人员便携式组合定位、监测装置及其方法
CN106767790B (zh) * 2017-01-12 2019-11-08 厦门大学 人体下肢运动模型与卡尔曼滤波融合估计行人移动跟踪的方法
CN107990895A (zh) * 2017-11-08 2018-05-04 北京工商大学 一种基于穿戴式imu的建筑物楼层间行人轨迹跟踪方法及系统

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8065074B1 (en) * 2007-10-01 2011-11-22 Memsic Transducer Systems Co., Ltd. Configurable inertial navigation system with dual extended kalman filter modes
CN101907467B (zh) * 2010-08-06 2012-08-22 浙江大学 基于运动量测信息的个人定位方法及装置
CN102445200B (zh) * 2011-09-30 2014-06-04 南京理工大学 微小型个人组合导航系统及其导航定位方法
CN103776446B (zh) * 2013-10-29 2017-01-04 哈尔滨工程大学 一种基于双mems-imu的行人自主导航解算算法
CN103759730B (zh) * 2014-01-16 2016-06-29 南京师范大学 一种基于导航信息双向融合的行人与智能移动载体的协同导航系统及其导航方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于足部微惯性/地磁测量组件的个人导航方法;钱伟行等;《中国惯性技术学报》;20121031;第20卷(第5期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN103954285A (zh) 2014-07-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tian et al. A multi-mode dead reckoning system for pedestrian tracking using smartphones
CN103116360B (zh) 一种无人机避障控制方法
CN103822635B (zh) 基于视觉信息的无人机飞行中空间位置实时计算方法
US9146113B1 (en) System and method for localizing a trackee at a location and mapping the location using transitions
CN104061934B (zh) 基于惯性传感器的行人室内位置跟踪方法
Ojeda et al. Non-GPS navigation with the personal dead-reckoning system
AU2005224786B2 (en) Apparatus and method of determining 3D pedestrian motion by using projection planes
CA2653622C (en) Method and system for locating and monitoring first responders
US10424071B2 (en) Techniques for accurate pose estimation
US20150179050A1 (en) Wearable device assisting smart media application and vice versa
Beauregard Omnidirectional pedestrian navigation for first responders
WO2017211031A1 (zh) 无人机机械臂的控制方法和装置
US10179406B2 (en) Humanoid robot with collision avoidance and trajectory recovery capabilities
Gallagher et al. Indoor positioning system based on sensor fusion for the blind and visually impaired
Matsuno et al. Rescue robots and systems in Japan
CN105352504B (zh) 一种惯性导航与激光扫描融合的采煤机定位装置及方法
US20140088860A1 (en) Method, apparatus and system for mapping a course of a mobile device
JP2011528438A (ja) 位置及び経路地図生成データ取得解析システム
Loomis et al. Human navigation by path integration
CN105043385A (zh) 一种行人自主导航定位的自适应卡尔曼滤波方法
CN103968827A (zh) 一种可穿戴式人体步态检测的自主定位方法
CN103616030A (zh) 基于捷联惯导解算和零速校正的自主导航系统定位方法
US20110098921A1 (en) Navigational System Initialization System, Process, and Arrangement
CN105074381B (zh) 确定设备与行人之间的未对准的方法和装置
US8825435B2 (en) Intertial tracking system with provision for position correction

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
C06 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C10 Entry into substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant