CN110940334B - 一种人体行走测速徽章及测速方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种人体行走测速徽章，包括外壳及设于外壳内的IMU、无线定位单元和微控制器，其中，外壳呈徽章样式，供人体携带；IMU用于测量得到加速度及姿态信息；无线定位单元用于测量位置信息；微控制器用于根据IMU测量得到的加速度及姿态信息、无线定位单元测量得到的位置信息，进行数据处理，得到人体行走速度。此种结构体积小巧，便于携带，速度估计过程计算量少，收敛速度快。本发明还提供一种人体行走测速徽章及测速方法。

Description

一种人体行走测速徽章及测速方法
技术领域
本发明涉及一种用于反映人体行走速度的徽章，以及测量人体行走速度的测速方法。
背景技术
当前利用加速度、陀螺仪等惯性传感器以及地磁传感器(电子罗盘)，可以准确获取人体姿态，再通过对惯性传感器进行积分处理，即惯性导航的定位方式，可以由加速度得到速度。但由于传感器不可避免会存在各种测量误差，而积分处理使得计算结果的误差，随着时间的增加而会不断增加。
为了解决误差累积的这个问题，最常用也是最有效的方式就是引入外部无线定位信号，如RFID、UWB以及WIFI等方式，检测到行人的位置变化。当前通常使用的方法是使用卡尔曼滤波对无线定位信号和惯性传感器的数据进行融合，但此种方法主要问题是计算量大，对处理器及功耗要求都比较高，不适合于小型嵌入式设备。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种人体行走测速徽章及测速方法，其体积小巧，便于携带，速度估计过程计算量少，收敛速度快。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种人体行走测速徽章，包括外壳及设于外壳内的IMU、无线定位单元和微控制器，其中，外壳呈徽章样式，供人体携带；IMU用于测量得到加速度及姿态信息；无线定位单元用于测量位置信息；微控制器用于根据IMU测量得到的加速度及姿态信息、无线定位单元测量得到的位置信息，进行数据处理，得到人体行走速度。
上述还包括设于外壳内的wifi模块，所述wifi模块与微控制器连接，用于将微控制器得到的速度数据上传至网络。
一种基于如前所述的人体行走测速徽章的人体行走测速方法，包括如下步骤：
步骤1，利用IMU测量得到人体行走的加速度及姿态信息，微控制器根据IMU测量得到的姿态信息，得到旋转矩阵R；
步骤2，利用无线定位单元测量人体行走的位置信息；
步骤3，微控制器建立超扭曲滑模速度估计器，基于无线定位单元测量的位置信息对速度进行估计，将估计的速度作为人体行走速度。
上述步骤3中，微控制器建立超扭曲滑模速度估计器，基于无线定位单元测量的位置信息对速度进行估计的具体内容是：
设δ是无线定位单元测得的当前位置，设
Figure BDA0002244121030000021
为位置的估计，
Figure BDA0002244121030000022
为速度的估计，
Figure BDA0002244121030000023
为加速度的估计；
首先定义估计误差e1，以及由e1计算得到的滑模修正量z1、z2、z3：
Figure BDA0002244121030000024
则设计的超扭曲滑模速度估计器为：
Figure BDA0002244121030000025
其中，xw为地面坐标系的坐标，其计算公式是：
Figure BDA0002244121030000026
其中，xb为加速度向量在人体坐标系的坐标，利用IMU测得；
选择恰当的参数k1,k2,k3，使得在有限时间内
Figure BDA0002244121030000027
得到估计的速度。
采用上述方案后，本发明针对人体会出现直立、躺卧各种姿态，采用常用的欧拉角表示，在俯仰角90度时存在奇异的问题，采用了SO(3)姿态表示方式；针对缺少速度问题，以及实时解算的要求，设计了一种超扭曲(super-twisting)滑模观测器进行速度估计。本发明采用的硬件组成简单，成本低，姿态解算360度无奇异，各个姿态均能解算；速度估计相对于卡尔曼滤波计算量少、实时性高、收敛速度快。
附图说明
图1是本发明的智能徽章佩戴示意图；
图2是本发明的原理图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种人体行走测速徽章，包含外壳及设于外壳内的电路板，电路板从功能上划分，包含微机械惯性测量单元(IMU)、wifi模块、无线定位单元和微控制器，其中，外壳呈徽章样式，可用于佩戴在衣服上，便于携带；IMU用于测量得到加速度及姿态信息；无线定位单元用于测量位置信息；微控制器用于根据IMU测量得到的加速度及姿态信息、无线定位单元测量得到的位置信息，进行数据处理及算法解算，得到人体行走速度，并可将得到的速度数据通过wifi模块上传至网络，实现在室内无GPS场景中人的行走速度检测，本发明可用于室内运动的检测，尤其是对于医院病人、监狱囚犯能够自动监测剧烈跑动等异常行为并通过网络报警。
在本实施例中，IMU采用MPU-6050惯性传感器，用于实时输出SO(3)旋转矩阵数据，可免除现有技术中组合陀螺仪与加速度时间轴之差及计算复杂的问题。采用特殊正交阵(special orthogonal group，SO(3))表示的旋转矩阵
Figure BDA0002244121030000031
(下文简写为R)描述了人体坐标系相对于地面坐标系的方向，矩阵中的元素由人体坐标系中的各轴到地面坐标系上的投影组成，人体坐标系中的各轴在坐标系中的位置也可以用人体各轴向量分别到地面坐标系三个坐标轴的夹角的余弦值表示，由于坐标轴均为单位向量，因而R仅包含余弦项，故又称为方向余弦矩阵。另外，由于参考坐标系各轴都是标准正交的，所以R也是标准正交的，属于SO(3)特殊正交群，且旋转矩阵是一种唯一且非奇异的姿态表示方式。
使用旋转矩阵可将传感器测得的三维加速度向量映射到地面坐标系中。例如，设加速度向量在人体坐标系的坐标为xb，在地面坐标系的坐标为xw，从人体坐标系到地面坐标系的旋转矩阵为
Figure BDA0002244121030000041
从地面坐标系到人体坐标系的旋转矩阵为
Figure BDA0002244121030000042
则它们之间具有以下关系：
Figure BDA0002244121030000043
设δ是无线定位单元测得的当前位置，由于速度
Figure BDA0002244121030000044
未知，需要设计估计器计算得到未知速度
Figure BDA0002244121030000045
的鲁棒估计。
设
Figure BDA0002244121030000046
为位置的估计，
Figure BDA0002244121030000047
为速度的估计，
Figure BDA0002244121030000048
为加速度的估计。
下面是超扭曲滑模速度估计器设计步骤：
首先定义估计误差e1，以及由e1计算得到的滑模修正量z1、z2、z3：
Figure BDA0002244121030000049
则设计的超扭曲滑模速度估计器为：
Figure BDA00022441210300000410
选择恰当的参数k1,k2,k3，可在有限时间内使得
Figure BDA00022441210300000411
得到准确的速度估计。
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 (2)

1.一种基于人体行走测速徽章的人体行走测速方法，所述人体行走测速徽章包括外壳及设于外壳内的IMU、无线定位单元和微控制器，其中，外壳呈徽章样式，供人体携带；IMU用于测量得到加速度及姿态信息；无线定位单元用于测量位置信息；微控制器用于根据IMU测量得到的加速度及姿态信息、无线定位单元测量得到的位置信息，进行数据处理，得到人体行走速度；其特征在于，所述人体行走测速方法包括如下步骤：
步骤1，利用IMU测量得到人体行走的加速度及姿态信息，微控制器根据IMU测量得到的姿态信息，得到旋转矩阵
Figure FDA0004086444660000011
步骤2，利用无线定位单元测量人体行走的位置信息；
步骤3，微控制器建立超扭曲滑模速度估计器，基于无线定位单元测量的位置信息对速度进行估计，将估计的速度作为人体行走速度，具体内容是：
设δ是无线定位单元测得的当前位置，设
Figure FDA0004086444660000012
为位置的估计，
Figure FDA0004086444660000013
为速度的估计，
Figure FDA0004086444660000014
为加速度的估计；
首先定义估计误差e1，以及由e1计算得到的滑模修正量z1、z2、z3：
Figure FDA0004086444660000015
则设计的超扭曲滑模速度估计器为：
Figure FDA0004086444660000016
其中，xw为地面坐标系的坐标，其计算公式是：
Figure FDA0004086444660000017
其中，xb为加速度向量在人体坐标系的坐标，利用IMU测得；
选择恰当的参数k1,k2,k3，使得在有限时间内
Figure FDA0004086444660000021
得到估计的速度。
2.如权利要求1所述的一种基于人体行走测速徽章的人体行走测速方法，其特征在于：徽章还包括设于外壳内的wifi模块，所述wifi模块与微控制器连接，用于将微控制器得到的速度数据上传至网络。
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