CN104887237B - 一种基于人体运动模式监测的行人导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于人体运动模式监测的行人导航方法，涉及导航定位领域。在行人的髋关节、膝关节和踝关节处安装双轴角度传感器，在行人双脚脚掌和脚跟处都装上压力传感器。建立三维的人体坐标系，将大腿、小腿和脚掌近似成连杆，测量大腿、小腿和脚掌的长度。利用测得的角度信息、长度信息和足部所受压力变化信息，计算出各关节在坐标系中的位置，判断出行人的运动模式。以行人运动中处于双脚撑地这一状态时记为一步，并以此时的双脚坐标值解算出步长，利用步长、步数和航向角信息结合航迹推算算法可以进行精确的定位。

Description

一种基于人体运动模式监测的行人导航方法

技术领域

本发明属于导航定位领域，涉及到一种基于人体运动模式监测的行人导航方法。

背景技术

近年来，市场上具有行人导航功能的产品绝大多数都是依靠地图匹配GPS导航定位。然而，在高楼林立的城市、大型的地下商场、隧道、地铁或者偏远的深林中，GPS信号将会严重受限制，进而难以持续的进行行人导航定位。

基于惯性测量元件MIMU的行人导航体系在GPS信号不佳的场所被广泛应用，MIMU可以不依靠外界信息短时间内给行人提供可靠的位置、速度、姿态等导航信息，满足了很多场合人们的需要。但是，若长时间的工作，MIMU的误差随时间的增长会呈现严重的发散趋势，精度严重降低，最终，使系统丧失导航功能。

现有的研究中，将MIMU置于胫骨、腰部、头部等处，其运动的规律性可以抑制MIMU的发散。通过行人的行走规律估算出行人步长，再利用行人航位推算算法定位。这种改进使惯性导航体系的精度有一定的提高，但存在着限制行人运动状态的不足之处，行人只能以比较缓慢而规律的步伐进行行走时才可以达到比较好的定位精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于人体运动模式监测的行人导航方法，实现任意运动状态下的高精度定位，尤其是室内等弱/无卫星信号的陌生应用环境。该方法是把人体运动模式识别的思想运用到行人导航系统中的一种新型导航定位的方法。

为达到上述目的，本发明提供的技术放案具体步骤为：

1)：在行人髋关节、膝关节、踝关节处安装双轴角度传感器，实时采集髋关节的屈伸度、外展度和内收度，膝关节的屈伸度和外旋度、内旋度，踝关节的背屈度、跖屈度、外翻度和内翻度；在行人双脚脚掌和脚跟处都装上压力传感器，实时采集行人运动时双足压力大小变化；在行人身上安装磁航向传感器，测量航向角；

2)：建立以行人两侧髋关节连线中点为原点以前方为正的前后方向为X轴，以从左到右为正的横向为Y轴，以从上到下为正的纵向为Z轴的三维人体坐标系；

3)：测量行人大腿、小腿和脚掌的长度，将大腿、小腿和脚掌近似成连杆，计算行人运动时各关节在坐标系中的位置。

4)：行人的行走或跑步等的运动状态，是一个由双脚撑地转变成单脚撑地再转变成双脚撑地的循环过程。每当行人处于双脚撑地这一状态时，记为一步，并以此时双脚的坐标值计算出行人步长。

5)：根据4个压力传感器所受压力的大小变化，各关节在人体坐标系中位置的变化以及变化频率的大小可以判断出行人正处于静止、行走还是跑步等状态。根据不同的运动状态，对所求得的步长进行修正。

6)：使用步长、步数和航向角进行航迹推算推算出行人的位置信息。

本发明还可以包括：

所述步骤4)中的步长具体解算方法为：

m＝|L₂sinΩ₁sinφ₁+L₁sina₁sinγ₁-L₂sinΩ₂sinφ₂-L₁sina₂sinγ₂|+L₃。

式中，L₀为坐标原点到两侧髋骨的距离，L₁为行人大腿长度，L₂为行人小腿长度，L₃为行人脚掌长度；

α₁、β₁分别为左侧髋关节的屈伸度和外展或内收度，α₂、β₂分别为右侧髋关节的屈伸度和外展或内收度；

Ω₁、为左侧膝关节的屈伸度和外旋或内旋度，Ω₂、分别为右侧膝关节的屈伸度和外旋或内旋度。

γ₁为左侧大腿在XOY平面内的投影与Y轴的夹角，且

γ₂为右侧大腿在XOY平面内的投影与Y轴的夹角，且

φ₁为左侧小腿在XOY平面内的投影与Y轴的夹角，且

φ₂为右侧小腿在XOY平面内的投影与Y轴的夹角，且

sin为角的正弦值，cos为角的余弦值，arcos为角的反余弦值。

步骤6中航迹推算算法的具体内容为：

x_i＝x₀+s_iθ_i

y_i＝y₀+s_iδ_i

其中，s_i＝Σm_j，m为步长，(x₀,y₀)为行人初始坐标值，(x_i,y_i)为当前位置坐标值，θ_i、δ_i分别为X、Y方向上的航向角。

本发明对比于现有技术有如下有益效果：通过引入人体运动模式识别方法，利用人体的关节的弯曲度和大小腿及脚掌的长度可以实时监测人体的运动状态，并且可以比较准确的求出行人每步步长。通过足底的压力传感器实时采集的数据分析可以准确的记下行人所走的步数，利用航迹推算算法可求得行人所在位置，克服了原有行人导航系统对行人运动状态的限制，步长也较原有的估算值更为准确。本发明方法将人体运动状态识别应用于行人导航中，计算简单，有效的提高了行人导航系统的定位精度。

附图说明

图1是基于人体运动模式监测的行人导航方法原理图；

图2是基于人体运动模式监测的行人导航流程说明图；

图3是本发明建立的三维人体坐标系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步做详细说明。

一种基于人体运动模式监测的行人导航方法，包括如下步骤：

1)：在行人髋关节、膝关节、踝关节处安装双轴角度传感器，实时采集髋关节的屈伸度、外展度和内收度，膝关节的屈伸度和外旋度、内旋度，踝关节的背屈度、跖屈度、外翻度和内翻度；在行人双脚脚掌和脚跟处都装上压力传感器，实时采集行人运动时双足压力大小变化；在行人身上安装磁航向传感器，测量航向角；

2)：建立以行人两侧髋关节连线中点为原点与前方为正的前后方向为X轴，与从左到右为正的横向为Y轴，与从上到下为正的纵向为Z轴的三维人体坐标系；

3)：测量行人大腿、小腿和脚掌的长度，将大腿、小腿和脚掌近似成连杆，计算行人运动时各关节在坐标系中的位置。

4)：行人的行走或跑步等的运动状态，是一个由双脚撑地转变成单脚撑地再转变成双脚撑地的循环过程。每当行人处于双脚撑地这一状态时，记为一步，并以此时双脚的坐标值计算出行人步长。

5)：根据4个压力传感器所受压力的大小变化，各关节在人体坐标系中位置的变化以及变化频率的大小可以判断出行人正处于静止、行走还是跑步等状态。根据不同的运动状态，对所求得的步长进行修正。

6)：使用步长、步数和航向角进行航迹推算推算出行人的位置信息。

下面以行人行走状态为例，具体描述基于人体运动监测的行人导航方法。取髋关节连线的中点(腰部附近)为原点，建立人体三维坐标系，如图3所示。

根据人体关节活动度，可知髋关节、膝关节和踝关节都有两个方向的活动度，采用双轴角度传感器测得各关节在行走时两个方向的角度。

将人体连接髋关节和膝关节的大腿、连接膝关节和踝关节的小腿近似成连杆，测出其各自长度，结合各关节角度信息进而将行人的运动变化近似成连杆的运动。

人体的运动模式主要包括静止、行走和跑步等模式，根据步骤5，当双脚的4个压力传感器和各个双轴角度传感器输出的值基本稳定，只有小幅度变化时，可以判断此时行人为静止状态。

当各个双轴角度传感器的输出值有较大幅度变化时且左右脚的压力传感器平缓的输出的有规律的压力值时(如一脚脚跟压力先减小，脚尖压力紧接着也减小，而另一脚脚的压力平稳)，可以判断此时行人为行走状态。

当各个双轴角度传感器以较快的频率输出幅度变化很大的角度值时，并且压力传感器也快速的输出比较有规律的压力值时(如一脚脚跟压力减小，脚尖压力瞬间增大，另一脚脚跟压力增大，接着脚尖压力增大)，可以判断此时行人为跑步状态。

判断出行人的行走模式后，根据行人行走规律，行人行走时是由双脚撑地变化为单脚撑地再变化为双脚撑地的一个循环过程，因此双脚压力传感器所受的压力会随着变化。

当行人左脚离地右脚撑地时，左脚脚跟的压力先变小，随后脚尖压力也逐渐变小；右脚脚跟脚尖处压力传感器所受的压力均变大直至稳定。当左脚开始撑地时，左脚脚跟压力传感器先受到压力，随后脚尖压力传感器受到压力，且两个压力传感器所受压力均逐渐变大直至稳定；此时，右脚则开始离地，脚跟的压力先变小，随后脚尖压力也逐渐变小。

根据行走时双脚压力传感器所受压力的有规律变化，对压力传感器实时采集的数据进行分析，分辨出行人行走时单脚撑地和双脚撑地的不同时刻，每当行人双脚撑地一次时记为一步。使用压力传感器可以准确的记录行人行走时所走过的步数n。

行人双脚撑地时，双脚在X轴方向的距离为步长，步长的数学表达式为：

m＝|L₂sinΩ₁sinφ₁+L₁sina₁sinγ₁-L₂sinΩ₂sinφ₂-L₁sina₂sinγ₂|+L₃，

式中，L₀为坐标原点到两侧髋骨的距离，L₁为行人大腿长度，L₂为行人小腿长度，L₃为行人脚掌长度；

α₁、β₁分别为左侧髋关节的屈伸度和外展(内收)度，α₂、β₂分别为右侧髋关节的屈伸度和外展(内收)

度；Ω₁、为左侧膝关节的屈伸度和外旋(内旋)度，Ω₂、分别为右侧膝关节的屈伸度和外旋(内旋)度。

γ₁为左侧大腿在XOY平面内的投影与Y轴的夹角，且

γ₂为右侧大腿在XOY平面内的投影与Y轴的夹角，且

φ₁为左侧小腿在XOY平面内的投影与Y轴的夹角，且

φ₂为右侧小腿在XOY平面内的投影与Y轴的夹角，且

sin为角的正弦值，cos为角的余弦值，arcos为角的反余弦值。

在很短的一段时间(一个采样周期)内，认为行人行走的是直线，使用行人行走时的步长m和步数n结合所测得的航向角解算出当前位置。

一个采样周期内，行人的位置坐标为：

(x_i,y_i)，其中x_i＝x₀+s_iθ_i y_i＝y₀+s_iδ_i

其中，m为步长，n为步数，(x₀,y₀)为行人初始坐标值，θ_i、δ_i分别为X、Y方向上的航向角。通过坐标的解算，就实现了行人行走时的实时导航。

最后说明的是，以上实例仅用以说明本发明的技术方案而已，并不用以限制本发明，凡在本发明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 (3)

1.一种基于人体运动模式监测的行人导航方法，其特征在于：

1)在行人髋关节、膝关节、踝关节处安装双轴角度传感器，实时采集髋关节的屈伸度、外展度和内收度，膝关节的屈伸度和外旋度、内旋度，踝关节的背屈度、跖屈度、外翻度和内翻度；在行人双脚脚掌和脚跟处都装上压力传感器，实时采集行人运动时双足压力大小变化；在行人身上安装磁航向传感器，测量航向角；

2)建立以行人两侧髋关节连线中点为原点以前方为正的前后方向为X轴，以从左到右为正的横向为Y轴，以从上到下为正的纵向为Z轴的三维人体坐标系；

3)测量行人大腿、小腿和脚掌的长度，将大腿、小腿和脚掌近似成连杆，计算行人运动时各关节在坐标系中的位置；

4)行人的行走或跑步的运动状态，是一个由双脚撑地转变成单脚撑地再转变成双脚撑地的循环过程；每当行人处于双脚撑地这一状态时，记为一步，并以此时双脚的坐标值计算出行人步长；

5)根据4个压力传感器所受压力的大小变化，各关节在人体坐标系中位置的变化以及变化频率的大小可以判断出行人正处于静止、行走还是跑步状态；根据不同的运动状态，对所求得的步长进行修正；

6)使用步长、步数和航向角进行航迹推算推算出行人的位置信息。

2.根据权利要求1中所述的基于人体运动模式监测的行人导航方法，其特征在于步骤4)中步长具体解算方法包括：

m＝|L₂sinΩ₁sinφ₁+L₁sina₁sinγ₁-L₂sinΩ₂sinφ₂-L₁sina₂sinγ₂|+L₃；

式中，L₁为行人大腿长度，L₂为行人小腿长度，L₃为行人脚掌长度；α₁、β₁分别为左侧髋关节的屈伸度和外展或内收度，α₂、β₂分别为右侧髋关节的屈伸度和外展或内收度；Ω₁、为左侧膝关节的屈伸度和外旋或内旋度，Ω₂、分别为右侧膝关节的屈伸度和外旋或内旋度；γ₁为左侧大腿在XOY平面内的投影与Y轴的夹角，且γ₂为右侧大腿在XOY平面内的投影与Y轴的夹角，且φ₁为左侧小腿在XOY平面内的投影与Y轴的夹角，且φ₂为右侧小腿在XOY平面内的投影与Y轴的夹角，且

sin为角的正弦值，cos为角的余弦值，arcos为角的反余弦值。

3.根据权利要求1中所述的基于人体运动模式监测的行人导航方法，其特征在于步骤6中航迹推算算法的具体内容包括：

x_i＝x₀+s_iθ_i，y_i＝y₀+s_iδ_i

其中，s_i＝∑m_j，m为步长，(x₀,y₀)为行人初始坐标值，(x_i,y_i)为当前位置坐标值，θ_i、δ_i分别为X、Y方向上的航向角。