CN105547291B - 室内人员自主定位系统的自适应静止检测方法 - Google Patents

室内人员自主定位系统的自适应静止检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种室内人员自主定位系统的自适应静止检测方法，包括步骤A.检测第一步的静止区间及运动区间；步骤B.检测第S步的静止区间及运动区间，其中S≥2，所述步骤B包括步骤：B1.计算第S‑1步的运动区间内角速度的平均能量P；B2.取Th'＝Pr，若Th'＜E，则检测结果为运动，否则为静止；其中比例系数r的取值范围为(0，1)，r通过样本数据训练得到；E为第S步中采样时刻n到n+W‑1的窗口内对应采样点角速度的平均能量值。本发明能够实现多步态运动模式下静止区间的检测，检测结果较精确。

Description

室内人员自主定位系统的自适应静止检测方法
技术领域
本发明属于室内人员自主定位技术领域，特别涉及一种室内人员自主定位系统的自适应静止检测方法，具体说是一种在各种步态情况下，稳健地探测脚步在地面静止时间段的方法。
背景技术
室内人员自主定位系统由惯性测量组件和手持处理终端组成，通过测量人员运动的加速度及角速度等参数，对人员进行定位。由于其测量精度高，具有实时性，并且不需要预装任何外部的设施，自主性强，因而具有巨大的军事应用意义和广泛的民用前景。室内人员自主定位系统采用了MEMS(Micro-electromechanical Systems，微机电系统)的惯性测量单元，因而具有成本低、体积小、功耗低等优点。
MEMS包括微型加速度计和微型陀螺仪，由于受制造工艺水平的限制，微型陀螺仪在实际的应用中会产生漂移，而且漂移会随时间不断积累，导致定位误差不断增大。为抑制陀螺漂移带来的定位误差，最常用的方法是采用基于扩展卡尔曼滤波的零速修正技术，该方法的效果依赖于静止区间的检测精度。
目前常用的几种静止检测方法有加速度滑动方差检测法，加速度幅值检测法及角速度能量检测法等，这些静止检测算法与零速修正算法结合，在人员走路步态下取得了较好的修正效果。
由于现有的静止检测算法均采用固定的检测门限，因而将其应用于人员变步态行走的模式时(如走跑交替进行等)，会导致静止区间检测不准确，影响零速修正算法的效果和定位的精度。
发明内容
由于采用固定的检测门限，现有的静止检测算法应用于变步态行走模式时，静止区间检测不准确，进而影响零速修正算法的效果和定位的精度。本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种室内人员自主定位系统的自适应静止检测方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种室内人员自主定位系统的自适应静止检测方法，包括步骤A.检测第一步的静止区间及运动区间；步骤B.检测第S步的静止区间及运动区间，其中S≥2，所述步骤B包括步骤：
B1.计算第S-1步的运动区间内角速度的平均能量P；
B2.取Th'＝Pr，若Th'＜E，则检测结果为运动，否则为静止；其中比例系数r的取值范围为(0，1)，r通过样本数据训练得到；E为第S步中采样时刻n到n+W-1的窗口内对应采样点角速度的平均能量值。
由于静止区间的能量残余与步态相关，而运动区间的角速度能量可以比较直观地反映步态信息。因此可通过已有固定门限的静止检测算法检测出第一步的静止及运动区间，然后计算第S-1步的运动区间内角速度的平均能量P，并将P乘以比例系数r作为第S步静止检测的门限。
作为一种优选方式，所述步骤B1中其中k为采样点，为第k个采样点陀螺仪的输出，wk中三个元素分别表示k时刻陀螺仪三个轴向的角速度，l为第S-1步中运动区间的起点，m为第S-1步中运动区间的终点，N为第S-1步中运动区间的长度，N＝m-l+1。
作为一种优选方式，选取使静止检测误判率最低时对应的比例系数为r。
作为一种优选方式，所述步骤A包括步骤
A1.采集陀螺仪第k个采样点的输出wk中三个元素分别表示k时刻陀螺仪三个轴向的角速度，取滑动窗口长度为W，为3～9之间的奇数；
A2.求得
A3.通过训练得到固定门限Th，将Th与E比较，若Th＜E，则所检测的窗口为运动，反之为静止；
A4.窗口区间从(n,n+W-1)更新为(n+1,n+W)，计算更新后窗口角速度的平均能量并与Th比较，若Th小于更新后窗口角速度的平均能量，则更新后的窗口为运动，反之为静止；
A5.重复步骤A4，直至判定结果出现变化，即，窗口状态由静止变为运动，或者由运动变为静止；若上一个窗口判定结果为静止，而当前窗口结果为运动时，则当前窗口之前的连续出现判定结果为静止的采样时刻构成的区间为静止区间；若上一个窗口判定结果为运动，而当前窗口结果为静止时，则当前窗口之前的连续出现判定结果为运动的采样时刻构成的区间称为运动区间。
与现有技术相比，本发明能够实现多步态运动模式下静止区间的检测，检测结果较精确。
附图说明
图1为本发明一实施例处理流程示意图。
图2为应用本发明的静止检测效果图。
图3为本发明与现有采用固定门限静止检测算法的定位效果对比图。
具体实施方式
具体实施过程中，惯性测量传感器安装在鞋尖处，采样率为200Hz，实验沿着长边为31m，短边为14m，宽2.3m的L型走廊行走一圈后再跑一圈。
结合附图1，本发明包括如下步骤：
步骤1(包括步骤A1～A5)：检测第一步的静止及运动区间。
A1.采集陀螺仪第k个采样点的输出wk中三个元素分别表示k时刻陀螺仪三个轴向的角速度，其变化范围在±1200度/秒，取滑动窗口长度为W，为3～9之间的奇数；
A2.求得采样时刻n到n+W-1的窗口内对应采样点角速度的平均能量值E，
A3.通过训练得到固定门限Th，取固定门限Th＝1×105，将Th与E比较，若Th＜E，则所检测的窗口为运动，反之为静止；
A4.滑动窗向后移动一个采样点，即窗口区间从(n,n+W-1)更新为(n+1,n+W)，计算更新后窗口角速度的平均能量并与Th比较，若Th小于更新后窗口角速度的平均能量，则更新后的窗口为运动，反之为静止；
A5.重复步骤A4，直至判定结果出现变化，即，窗口状态由静止变为运动，或者由运动变为静止；若上一个窗口判定结果为静止，而当前窗口结果为运动时，则当前窗口之前的连续出现判定结果为静止的采样时刻构成的区间为静止区间；若上一个窗口判定结果为运动，而当前窗口结果为静止时，则当前窗口之前的连续出现判定结果为运动的采样时刻构成的区间称为运动区间。由此可获得第一步的静止及运动区间，如图2所示。
图2中横坐标为采样时刻，纵坐标为角速度幅度，单位为°/s。静止检测结果曲线中，幅度为200(此幅度仅为便于观察检测结果与角速度之间的关系，根据角速度的幅度曲线对其进行调幅，无具体含义)表示静止，幅度为0表示运动。从图2中可以看出，静止检测结果能较好的反映出真实情况，没有出现真实状态为静止或运动，而检测结果与其相反，即没有出现一段完整的运动或静止区间被误判点打断的情况。
步骤2：计算第一步运动区间角速度的平均能量。
利用步骤1获得的第一步的运动区间，计算运动区间内角速度的平均能量：由图2知，第一步的运动区间起点l＝2956，第一步的运动区间终点m＝3092，N＝137。
步骤3：由前一步的角速度平均能量对当前步的静止区间进行检测。
将步骤2获得的运动区间的平均能量P与比例系数r的乘积作为新的检测门限Th'对当前步进行检测，即若Th'小于E，则检测结果为运动，否则为静止；其中比例系数r的取值范围为(0，1)，r通过样本数据训练得到，选取使静止检测误判率最低时对应的比例系数为r。
步骤4：重复步骤2和步骤3的过程，逐步对静止区间进行检测。
已获得第s步的静止及运动区间(s＞1)，计算第s步运动区间内角速度的平均能量，对第s+1步进行检测。
图3为本发明与现有采用固定门限静止检测算法的定位效果对比图。图中虚线为采用现有的固定门限静止检测算法解算轨迹，实线为采用本发明算法解算轨迹。可以看出，采用了固定门限解算轨迹航向发散比较严重，而采用本发明算法的轨迹重合度明显好于固定门限解算轨迹，定位精度也更高。

Claims (3)

1.一种室内人员自主定位系统的自适应静止检测方法，包括步骤A.检测第一步的静止区间及运动区间；步骤B.检测第S步的静止区间及运动区间，其中S≥2，其特征在于，所述步骤B包括步骤：
B1.计算第S-1步的运动区间内角速度的平均能量P；
B2.取Th'＝Pr，若Th'＜E，则检测结果为运动，否则为静止；其中比例系数r的取值范围为(0，1)，r通过样本数据训练得到；E为第S步中采样时刻n到n+W-1的窗口内对应采样点角速度的平均能量值；
所述步骤A包括步骤
A1.采集陀螺仪第k个采样点的输出wk中三个元素分别表示k时刻陀螺仪三个轴向的角速度，取滑动窗口长度为W，为3～9之间的奇数；
A2.求得
A3.通过训练得到固定门限Th，将Th与E比较，若Th＜E，则所检测的窗口为运动，反之为静止；
A4.窗口区间从(n,n+W-1)更新为(n+1,n+W)，计算更新后窗口角速度的平均能量并与Th比较，若Th小于更新后窗口角速度的平均能量，则更新后的窗口为运动，反之为静止；
A5.重复步骤A4，直至判定结果出现变化，即，窗口状态由静止变为运动，或者由运动变为静止；若上一个窗口判定结果为静止，而当前窗口结果为运动时，则当前窗口之前的连续出现判定结果为静止的采样时刻构成的区间为静止区间；若上一个窗口判定结果为运动，而当前窗口结果为静止时，则当前窗口之前的连续出现判定结果为运动的采样时刻构成的区间称为运动区间。
2.如权利要求1所述的室内人员自主定位系统的自适应静止检测方法，其特征在于，所述步骤B1中其中k为采样点，为第k个采样点陀螺仪的输出，wk中三个元素分别表示k时刻陀螺仪三个轴向的角速度，l为第S-1步中运动区间的起点，m为第S-1步中运动区间的终点，N为第S-1步中运动区间的长度，N＝m-l+1。
3.如权利要求1所述的室内人员自主定位系统的自适应静止检测方法，其特征在于，选取使静止检测误判率最低时对应的比例系数为r。
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