CN106643705A - 基于磁‑陀螺航向梯度空间辅助的室内行人转弯辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于磁‑陀螺航向梯度空间辅助的室内行人转弯辨识方法，该方法在固定频率选择的基础上恰当的选择梯度辨识空间，构建磁航向梯度与陀螺航向梯度辨识库，通过对比辨识空间中陀螺航向梯度的变化规律以及陀螺航向梯度与磁航向梯度两者间的映射关系，实现行人转弯的精准辨识。本发明室内行人转弯辨识方法，适用于行人导航，即使是低精度的传感器，无论室内外都能够有效地辨识出行人的运动模态（直行/转弯），具有极高的工程应用和商业价值。

Description

基于磁-陀螺航向梯度空间辅助的室内行人转弯辨识方法

技术领域

本发明涉及一种室内行人转弯辨识方法，特别是涉及基于磁-陀螺航向梯度空间辅助的室内行人转弯辨识方法，属于室内行人导航技术领域。

背景技术

地磁磁场普遍存在于地球每一个角落，合理的利用地磁磁场可以有效的提高行人导航的定位精度。目前，室内行人导航是当下发展的热点，其中航向是决定导航准确性的关键因素之一，然而目前针对航向的解决方案主要是从提高传感器误差精度的角度出发，而忽略了行人本身的运动特性，同时尽管磁航向可以作为额外的航向辅助手段之一，但是由于室内存在金属建筑、电梯等诸多硬磁、软磁的干扰，磁航向这一绝对航向的准确性难以保证。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供基于磁-陀螺航向梯度空间辅助的室内行人转弯辨识方法，在固定频率选择的基础上恰当的选择梯度辨识空间，构建磁航向梯度与陀螺航向梯度辨识库，通过对比辨识空间中陀螺航向梯度的变化规律以及陀螺航向梯度与磁航向梯度两者间的映射关系，实现行人转弯的精准辨识。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于磁-陀螺航向梯度空间辅助的室内行人转弯辨识方法，包括如下步骤：

步骤1，根据陀螺传感器、磁传感器的采集频率或采集周期，确定辨识空间中陀螺航向辨识库与磁航向辨识库的大小；

步骤2，初始时刻，根据确定的陀螺航向辨识库与磁航向辨识库的大小构造辨识空间，陀螺航向辨识库、磁航向辨识库分别由各自对应的陀螺航向梯度、磁航向梯度建立；对初始时刻之后的任意当前时刻，保持陀螺航向辨识库与磁航向辨识库的大小不变，计算当前时刻的陀螺航向梯度、磁航向梯度对应的辨识值，在陀螺航向辨识库或磁航向辨识库中用后一个辨识值替换前一个辨识值，并将当前时刻的辨识值作为最后一个辨识值，完成陀螺航向辨识库与磁航向辨识库的更新，从而得到当前时刻的陀螺航向辨识库与磁航向辨识库；

步骤3，利用当前时刻的陀螺航向辨识库与磁航向辨识库判别当前时刻行人是否为转弯状态。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤1的具体过程为：

设定陀螺传感器、磁传感器的采集频率均为fHz，则它们的采集周期均为Ts，辨识空间中陀螺航向辨识库、磁航向辨识库的大小均可以表示为：

其中，ceil表示向上取整。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤2的具体过程为：

设定初始时刻构造的辨识空间S中陀螺航向辨识库S₁、磁航向辨识库S₂分别为：i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,n，表示陀螺航向辨识库中的第i个辨识值，表示磁航向辨识库中的第j个辨识值，n表示陀螺航向辨识库或磁航向辨识库的大小；

设定当前时刻为第k时刻，则当前时刻的陀螺航向梯度、磁航向梯度分别为：

deta_wibheading_k＝(wibheading_k-wibheading_k-1)/T

deta_hmrheading_k＝(hmrheading_k-hmrheading_k-1)/T

其中，deta_wibheading_k、deta_hmrheading_k分别为第k时刻的陀螺航向梯度、磁航向梯度，wibheading_k、wibheading_k-1分别为陀螺解算出的第k、k-1时刻的航向角，hmrheading_k、hmrheading_k-1分别为磁解算出的第k、k-1时刻的航向角，T为陀螺传感器或磁传感器的采集周期；

则当前时刻的陀螺航向辨识库与磁航向辨识库更新公式如下：

作为本发明的一种优选方案，所述步骤3的具体过程为：

根据如下判别约束判别行人的状态：

其中，分别为陀螺航向辨识库中的最大、最小值，分别为当前时刻陀螺航向梯度、磁航向梯度对应的辨识值，θ₁、θ₂、θ₃均为判别约束条件；

当θ₁、θ₂、θ₃同时满足：θ₁<ε₁；θ₂>ε₂；θ₃<ε₃时，表示当前时刻行人为转弯状态，否则为直行状态，其中，ε₁、ε₂、ε₃均为阈值。

作为本发明的一种优选方案，所述ε₁、ε₂、ε₃的计算方法如下：

在水平状态下，将陀螺传感器、磁传感器均旋转一圈，根据实时更新的陀螺航向辨识库、磁航向辨识库获得若干组θ₁、θ₂、θ₃，对θ₁、θ₂、θ₃各自求取均值即得到ε₁、ε₂、ε₃。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明采用低精度的消费级传感器芯片，无论室内、室外，均能有效的辨识出行人转弯/直行模态，实用性较强。

2、本发明弱化了硬磁与软磁的干扰，避免了绝对磁航向误差的影响。

3、本发明传感器成本低且普及较广，算法的实用性与推广性较强。

4、本发明适用于行人导航，即使是低精度的传感器，无论室内外都能够有效地辨识出行人的运动模态(直行/转弯)，具有极高的工程应用和商业价值。

附图说明

图1是本发明基于磁-陀螺航向梯度空间辅助的室内行人转弯辨识方法的原理流程图。

图2是本发明磁航向/陀螺航向梯度空间实时更新原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明提出利用磁航向梯度与陀螺航向梯度，研究变频采集下梯度辨识空间的选取与构建，研究直线/转弯状态下梯度的映射关系，研究行人在行走过程中的运动特性，充分辨识行人直行与转弯模态。

如图1所示，为本发明基于磁-陀螺航向梯度空间辅助的室内行人转弯辨识方法的原理流程图，包括以下几个步骤：

步骤1，变频采集下辨识空间的选取

初始行人导航阶段，首先需判决梯度辨识空间大小，不同传感器的采集频率下，磁航向与陀螺航向梯度的辨识空间大小选取稍有不同。假设陀螺仪与磁传感器的采集频率为fHz，那么其采集周期为Ts，则辨识空间的选取大小为：

其中，ceil表示向上取整。

步骤2，磁航向与陀螺航向梯度辨识库建立与更新，如图2所示

利用磁航向角梯度与陀螺航向角梯度建立转弯/直行辨识库，按照式(1)得到的大小构造辨识空间S。

deta_hmrheading＝(hmrheading_k-hmrheading_k-1)/T (2)

deta_wibheading＝(wibheading_k-wibheading_k-1)/T (3)

其中，hmrheading、wibheading分别为磁解算出的航向角与陀螺解算出的航向角，k、k-1分别代表第k时刻和第k-1时刻，deta_hmrheading、deta_wibheading分别代表磁航向梯度与陀螺航向梯度。

那么辨识空间中S中的辨识库为：

其中，lg为以10为底的常用对数，i、j代表辨识空间S中的第i个、第j个辨识值，S₁与S₂分别代表陀螺航向辨识库与磁航向辨识库，其中对数可以有效放大梯度变化范围，辅助区分直行/转弯。

初始行人导航阶段，利用n+1行数据构造初始梯度空间辨识库(n行)。后续仅需考虑第k时刻的梯度空间跟新，即如式(6)、(7)所示：

即：剔除梯度空间中第一行数据，剩余数据上移一行，最后一行利用第k时刻的梯度值进行更新填补，至此，保证了梯度辨识空间的构建与实施更新。

步骤3，行人运动特性(直行/转弯)—辨识机制

行人手持载体在步行场景下，其行走路径主要包括直行与转弯，在转弯状态下，陀螺航向梯度与磁航向梯度变换较为平滑，同时两者具有较为明显的映射关系，模式判别约束如下：

其中，为陀螺航向梯度辨识空间中的最大值，为陀螺航向梯度辨识空间中的最小值，分别为辨识空间S中最后一个(即第k时刻数据)陀螺航向梯度辨识值与磁航向梯度辨识值，θ₁、θ₂、θ₃分别为判别约束条件。

当以下约束条件同时满足：

θ₁<ε₁ (11)

θ₂>ε₂ (12)

θ₃<ε₃ (13)

此时代表辨识空间S中第k时刻为转弯状态，否则为直行状态,其中ε₁、ε₂、ε₃均为通过统计学方法计算出来的阈值，计算方法为：水平状态下，传感器旋转一圈，由实时更新的辨识库获得一组θ₁、θ₂、θ₃，对各自求取均值即可。

进一步地，通过步骤3辨识出行人运动特性(直行/转弯)，在非转弯状态下，第k时刻行人航向角保持不变，即如式(14)所示：

heading_k＝heading_k-1 (14)

其中heading为行人航向角，k、k-1分别代表第k时刻和第k-1时刻，在转弯状态下，行人航向角由陀螺航向角提供，即如式(15)所示：

heading_k＝wibheading_k (15)

通过基于磁航向/陀螺航向梯度空间的室内行人转弯辨识，保证了室内行人导航航向的准确性。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.基于磁-陀螺航向梯度空间辅助的室内行人转弯辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，根据陀螺传感器、磁传感器的采集频率或采集周期，确定辨识空间中陀螺航向辨识库与磁航向辨识库的大小；

步骤2，初始时刻，根据确定的陀螺航向辨识库与磁航向辨识库的大小构造辨识空间，陀螺航向辨识库、磁航向辨识库分别由各自对应的陀螺航向梯度、磁航向梯度建立；对初始时刻之后的任意当前时刻，保持陀螺航向辨识库与磁航向辨识库的大小不变，计算当前时刻的陀螺航向梯度、磁航向梯度对应的辨识值，在陀螺航向辨识库或磁航向辨识库中用后一个辨识值替换前一个辨识值，并将当前时刻的辨识值作为最后一个辨识值，完成陀螺航向辨识库与磁航向辨识库的更新，从而得到当前时刻的陀螺航向辨识库与磁航向辨识库；

步骤3，利用当前时刻的陀螺航向辨识库与磁航向辨识库判别当前时刻行人是否为转弯状态。

2.根据权利要求1所述基于磁-陀螺航向梯度空间辅助的室内行人转弯辨识方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程为：

设定陀螺传感器、磁传感器的采集频率均为fHz，则它们的采集周期均为Ts，辨识空间中陀螺航向辨识库、磁航向辨识库的大小均可以表示为：

$n=ceil\left(\frac{3}{10}f\right)=ceil\left(\frac{3}{10T}\right)$

其中，ceil表示向上取整。

3.根据权利要求1所述基于磁-陀螺航向梯度空间辅助的室内行人转弯辨识方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：

设定初始时刻构造的辨识空间S中陀螺航向辨识库S₁、磁航向辨识库S₂分别为： 表示陀螺航向辨识库中的第i个辨识值，表示磁航向辨识库中的第j个辨识值，n表示陀螺航向辨识库或磁航向辨识库的大小；

设定当前时刻为第k时刻，则当前时刻的陀螺航向梯度、磁航向梯度分别为：

deta_wibheading_k＝(wibheading_k-wibheading_k-1)/T

deta_hmrheading_k＝(hmrheading_k-hmrheading_k-1)/T

其中，deta_wibheading_k、deta_hmrheading_k分别为第k时刻的陀螺航向梯度、磁航向梯度，wibheading_k、wibheading_k-1分别为陀螺解算出的第k、k-1时刻的航向角，hmrheading_k、hmrheading_k-1分别为磁解算出的第k、k-1时刻的航向角，T为陀螺传感器或磁传感器的采集周期；

则当前时刻的陀螺航向辨识库与磁航向辨识库更新公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{1_i=}{S}_{1_{i+1}}\\ S_{2_j=}{S}_{2_{j+1}}\end{array}\right.,i,j=1,2,...,n-1;$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{1_n=}\lg \left(\right|\det a\_{\mathrm{wibheading}}_k\left|\right)\\ S_{2_n=}\lg \left(\right|\det a\_{\mathrm{hmrheading}}_k\left|\right)\end{array}\right..$

4.根据权利要求1所述基于磁-陀螺航向梯度空间辅助的室内行人转弯辨识方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：

根据如下判别约束判别行人的状态：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_1=S_{1_{max}}-S_{1_{min}}\\ {\mathrm{\&theta;}}_2=S_{1_{min}}\\ {\mathrm{\&theta;}}_3=S_{1_n}/S_{2_n}\end{array}\right.$

其中，分别为陀螺航向辨识库中的最大、最小值，分别为当前时刻陀螺航向梯度、磁航向梯度对应的辨识值，θ₁、θ₂、θ₃均为判别约束条件；

当θ₁、θ₂、θ₃同时满足：θ₁<ε₁；θ₂>ε₂；θ₃<ε₃时，表示当前时刻行人为转弯状态，否则为直行状态，其中，ε₁、ε₂、ε₃均为阈值。

5.根据权利要求4所述基于磁-陀螺航向梯度空间辅助的室内行人转弯辨识方法，其特征在于，所述ε₁、ε₂、ε₃的计算方法如下：

在水平状态下，将陀螺传感器、磁传感器均旋转一圈，根据实时更新的陀螺航向辨识库、磁航向辨识库获得若干组θ₁、θ₂、θ₃，对θ₁、θ₂、θ₃各自求取均值即得到ε₁、ε₂、ε₃。