CN113092819B - 足部加速度计动态零速校准方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种足部加速度计动态零速校准方法及系统。该方法为：采集足部加速度计的加速度、时间原始数据信息，采集足底压力计的压力、时间原始数据信息；对加速度计与压力计所采集的信息进行数据提取处理，得到当前运动区间内加速度计的零速区间与压力计的零速区间，将加速度计测得的零速区间与压力计测得的零速区间的合集区间作为对应运动区间的零速区间，该运动区间的剩余区间为动态区间；S3，分别计算当前运动区间内零速区间、动态区间的零速偏移量,对该运动区间内的零速区间、动态区间的足部加速度计输出的加速度进行校准。该方法提高了人员运动时的加速度测量精度，可用于对人员行走过程中的足部加速度计零速偏移校准。
Description
技术领域
本发明涉及惯性导航器件校准领域，具体涉及一种足部加速度计动态零速校准方法及系统。
背景技术
目前，随着微机电系统MEMS传感器的微型化发展，使得MEMS陀螺仪、加速度计、压力计等组成的惯性定位系统进一步缩小，从而基于惯性传感器的人员定位技术得到了进一步发展，惯性定位技术日益受到重视。MEMS加速度计的零速偏移误差一直存在，而安装误差校准只能对静止放置的加速度计进行校准，而当人员配戴定位终端进行测试或者实验时，需要在动态的情况下去校准零速信息。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种足部加速度计动态零速校准方法及系统。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种足部加速度计动态零速校准方法，包括以下步骤：
S1，在足部设置加速度计以及压力计，采集足部加速度计的加速度、时间原始数据信息，采集足底压力计的压力、时间原始数据信息，所述加速度计与压力计的时间信息同步；
S2，对加速度计与压力计所采集的信息进行数据提取处理，然后根据处理后的信息对人员行走时当前运动区间的足部零速信息进行检测，得到当前运动区间内加速度计的零速区间与压力计的零速区间，将加速度计测得的零速区间与压力计测得的零速区间的合集区间作为对应运动区间的零速区间，该运动区间的剩余区间为动态区间；
S3，分别计算当前运动区间内零速区间、动态区间的零速偏移量；
采用零速区间零速偏移量对该运动区间内的零速区间的足部加速度计输出的加速度进行校准；采用动态区间零速偏移量对该运动区间内的动态区间的足部加速度计输出的加速度进行校准；完成足部加速度计动态零速校准。
本方法引入非惯性器件-压力计来辅助校准惯性器件的动态零速信息，减少了零速区间内的异常突跳点，提高了加速度计的零偏稳定性。该方法提高了人员运动时的加速度测量精度，可用于对人员行走过程中的足部加速度计零速偏移校准。
本申请还提出了一种足部加速度计动态零速校准系统，包括设置于足部的加速度计和压力计，所述加速度计和压力计的信息输出端分别连接至控制单元信息输入端，所述控制单元按上述的足部加速度计动态零速校准方法对足部加速度计进行动态零速校准。该足部加速度计动态零速校准系统可以有效提高加速度计的零速稳定性与测量速度精度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是该足部加速度计动态零速校准方法的流程示意图；
图2是零速区间检测结果示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，本发明提供了一种足部加速度计动态零速校准方法，包括以下步骤：
S1，在足部设置加速度计以及压力计，采集足部加速度计的加速度、时间原始数据信息，采集足底压力计的压力、时间原始数据信息，所述加速度计与压力计的时间信息同步。
具体设置时，本实施例中，加速度计设置于足部前端，压力计设置于足底与鞋垫之间。
S2，对加速度计与压力计所采集的信息进行数据提取处理，然后根据处理后的信息对人员行走时当前运动区间的足部零速信息进行检测，得到当前运动区间内加速度计的零速区间与压力计的零速区间，将加速度计测得的零速区间与压力计测得的零速区间的合集区间作为对应运动区间的零速区间，该运动区间的剩余区间为动态区间。
对加速度计与压力计所采集的信息进行数据提取处理时，本实施例优选但不限于把加速度计与压力计作为贝叶斯估计算法的2个数据源，在一次测量结果为y时，加速度值与压力值分别发生的概率为p(acceli|y)与p(forcei|y)，对一段时间内加速度计输出的加速度值(accel1,accel2,...,acceln)与压力计输出的数据(force1,force2,...,forcen)分别利用贝叶斯估计算法得到最佳估计值ai与fi，ai与fi计算公式为：
本实施例中，当前运动区间内加速度计测得的零速区间判断方法为：
采集足部加速度计x轴的原始数据，计算加速度计的零速区间指标值
其中，
表示x轴加速度最大零速阈值，
表示x轴加速度最小零速阈值，ax为加速度计x轴输出的加速度；当Za(i)＝1时，则当前时间点处于零速区间；当加速度计的零速区间指标值Za(i)＝0时，则当前时间点不处于零速区间，i指第i个采样点。
当前运动区间内压力计测得的零速区间判断方法为：
计算压力计的零速区间指标值
其中
表示压力电阻最大零速阈值，
表示压力电阻最小零速阈值，ri表示检测到压力变化时输出的电阻值；当Zr(i)＝1时，则当前时间点处于零速区间；当加速度计的零速区间指标值Zr(i)＝0时，则当前时间点不处于零速区间。
因此，足部零速区间Z(i)＝Za(i)∪Zr(i)，如图2所示。
这里一个运动区间可根据具体需要进行设定，可以是行走一步即为一个运动区间，可以是运动一段时间为一个运动区间，可以是运动一段距离为一个运动区间等。
S3，分别计算当前运动区间内零速区间、动态区间的零速偏移量；
采用零速区间零速偏移量对该运动区间内的零速区间的足部加速度计输出的加速度进行校准；采用动态区间零速偏移量对该运动区间内的动态区间的足部加速度计输出的加速度进行校准；完成足部加速度计动态零速校准。
零速更新后的加速度值的计算方法如下：
在静止状态下，加速度计x轴的输出ax会发生零位偏移，其中最大偏移值可达为0.01m/s^2，为了减小偏移，首先通过平滑滤波处理，计算出加速度零速差值。
因此，本实施例中，
对一段时间内的加速度值作平滑滤波处理，得到零速区间零速偏移量，即
N1<i≤N2。
因此，在当前运动区间内，校准后的加速度值的计算方法如下：
校准后的实时加速度值
其中
为足部加速度计x轴实时输出值，
其中，N1指当前运动区间内零速区间的起点数据序号，N2指当前运动区间内零速区间的终点数据序号，也是当前运动区间内动态区间的起点数据的序号，N3指当前运动区间内动态区间的终点数据的序号,i指第i个采样点，r指平滑滤波的滑动区间长度。
这里将下一个时间段的运动加速度初始值减去零偏差值，就得到了动态校准之后的加速度值。以此类推，就可以实现对整个动态行走过程的动态零位校准，提高加速度计的测量精度，为后面步数检测、步长估算奠定基础。
为了确保准确性，该方法还包括步骤S4，将零速校准后的加速度值输入校准程序中，分析动态零速偏移标准偏差，若偏差小于额定要求偏差值，则验证通过，动态零速校准结束；若偏差大于额定要求偏差值，则验证不通过，返回步骤S1分析修改校准模型，继续完善零偏校准方法。
本申请还提出了一种足部加速度计动态零速校准系统的实施例，该系统包括设置于足部的加速度计和压力计，所述加速度计和压力计的信息输出端分别连接至控制单元信息输入端，所述控制单元按上述的足部加速度计动态零速校准方法对足部加速度计进行动态零速校准。该系统可以有效提高加速度计的零速稳定性与测量速度精度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种足部加速度计动态零速校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在足部设置加速度计以及压力计，采集足部加速度计的加速度、时间原始数据信息，采集足底压力计的压力、时间原始数据信息，所述加速度计与压力计的时间信息同步；
S2，对加速度计与压力计所采集的信息进行数据提取处理，然后根据处理后的信息对人员行走时当前运动区间的足部零速信息进行检测，得到当前运动区间内加速度计的零速区间与压力计的零速区间，将加速度计测得的零速区间与压力计测得的零速区间的合集区间作为对应运动区间的零速区间，该运动区间的剩余区间为动态区间；
S3，分别计算当前运动区间内零速区间、动态区间的零速偏移量；
采用零速区间零速偏移量对该运动区间内的零速区间的足部加速度计输出的加速度进行校准；采用动态区间零速偏移量对该运动区间内的动态区间的足部加速度计输出的加速度进行校准；完成足部加速度计动态零速校准；
校准后的加速度值的计算方法如下：
校准后的实时加速度值
其中
为足部加速度计x轴实时输出值，
为零速差值，
其中，N1指当前运动区间内零速区间的起点数据序号，N2指当前运动区间内零速区间的终点数据序号，也是动态区间的起点数据的序号，N3指当前运动区间内动态区间的终点数据的序号,i指第i个采样点，r指平滑滤波的滑动区间长度。
2.根据权利要求1所述的足部加速度计动态零速校准方法，其特征在于，还包括步骤S4，将零速校准后的加速度输入校准程序中，分析动态零速偏移标准偏差，若偏差小于额定要求偏差值，则验证通过，动态零速校准结束；若偏差大于额定要求偏差值，则验证不通过，返回步骤S1调整加速度计以及压力计的设置位置，重新完善零偏校准。
3.根据权利要求1所述的足部加速度计动态零速校准方法，其特征在于，所述步骤S2中，
当前运动区间内加速度计测得的零速区间判断方法为：
采集足部加速度计x轴的原始数据，计算加速度计的零速区间指标值
其中，
表示x轴加速度最大零速阈值，
表示x轴加速度最小零速阈值，ax为加速度计x轴输出的加速度；当Za(i)＝1时，则当前时间点处于零速区间；当加速度计的零速区间指标值Za(i)＝0时，则当前时间点不处于零速区间，i指第i个采样点；
当前运动区间内压力计测得的零速区间判断方法为：
计算压力计的零速区间指标值
其中
表示压力电阻最大零速阈值，
表示压力电阻最小零速阈值，ri表示检测到压力变化时输出的电阻值；当Zr(i)＝1时，则当前时间点处于零速区间；当加速度计的零速区间指标值Zr(i)＝0时，则当前时间点不处于零速区间。
4.一种足部加速度计动态零速校准系统，其特征在于，包括设置于足部的加速度计和压力计，所述加速度计和压力计的信息输出端分别连接至控制单元信息输入端，所述控制单元按权利要求1-3任一项所述的足部加速度计动态零速校准方法对足部加速度计进行动态零速校准。
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