基于小腿安装惯导的行人航位推算方法

发布时间:[2023-09-29] 来源:[ 旷俭 牛小骥] 点击量:[2011]

    足绑式惯导利用人体行走过程中足部周期性触地的零速修正机会获得了可靠的行人自主定位效果。为了提高其应用的方便性,我们提出了一种基于小腿安装惯导的航位推算方法。在用户正常步行和非正常步行(例如侧向)测试条件下,这种小腿安装惯导的方法能够准确地恢复用户轨迹,获得与足绑式惯导精度相当且更稳健的定位性能。


    基于穿戴式惯导的行人自主定位方法能够利用低成本器件在短时间内提供高精度的位置服务。该方案不依赖预先布设的信号基站或预先测绘的定位指纹库,是解决复杂环境下行人定位需求的主要技术手段,典型应用包括单兵作战、消防救援、特殊人群监控、厂区人员巡检等。其中,足绑式惯导利用行人足部周期性触地的规律来为足部安装的MEMS IMU提供零速修正,典型定位误差为行走总距离的0.3%~1%,是目前最可靠的穿戴式惯导定位方法。然而,足绑式惯导通常需要特制的鞋子固定惯性传感器,这对于普通大众应用很不友好。

    为了解决足绑式惯导穿戴不方便的问题,团队尝试将传感器安装在小腿骨靠近膝盖的位置(简称小腿惯导),具体方式可将IMU模块安装在护膝的小腿部分,从而使得这种高精度高可靠的穿戴式惯导方法也能被普通大众用户所接受[1]。但是,由于小腿与足部的动态差异,小腿上的IMU没有类似足部IMU的周期性触地零速,造成现有的基于足部惯导的零速检测和零速修正方法都不适用于这种小腿惯导。为此,团队面向小腿惯导,借鉴GNSS/INS组合导航算法中的杆臂补偿机制,设计了特殊的零速检测方法以及零速修正方法,巧妙地解决了该问题。主要包括:

    1)零速检测方法。考虑到脚踝部位在足部与地面接触时是静止的,此时小腿绕脚踝进行定点旋转运动(如图1所示)。基于该规律,我们通过杆臂补偿方式将小腿IMU测量值投影到脚踝部位,并利用获得的脚踝部位的加速度构造零速检测准则,从而实现精准的脚踝部位零速区间检测。

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图1:脚步周期内小腿与脚踝的相对位置关系。红色方块是小腿安装的IMU,红色圆圈是脚踝,橙色线段是两者的相对位置向量。

    2)零位移增量修正。由于小腿惯导受到小腿肌肉伸缩以及人体本身动态干扰影响,通过杆臂补偿方式在脚踝进行零速修正方法(类似足部惯导的零速修正方法),将面临定位精度明显下降的问题。为此,基于足部触地时脚踝位置变化量为零的假设,团队设计了零位移增量修正方法,通过对零速区间速度积分获得位移增量,并构造位移增量为零的观测值。该方法通过使用速度积分后的位移增量作为观测修正值,有效平均了各项干扰的影响,能够获得比零速修正更稳健的估计性能。

    本项工作总共进行了24次实验测试,包括直线轨迹、多边形轨迹以及非规则轨迹。图2~4给出了测试结果,Foot-INS为足绑式惯导,Step-Shin-INS为基于脚步模型的行人航位推算方法,ZUPT-Shin-INS为基于零速修正的小腿惯导,ZPIU-Shin-INS为团队提出的小腿惯导。从测试结果可以看到,团队提出的小腿惯导是所有基于小腿安装惯性器件的方案中定位性能最优,且能够实现与足部惯导一致的定位性能。

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图2:16 次50米直线轨迹测试中的轨迹估计结果

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图3:4次多边形轨迹测试中的轨迹估计结果

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图4:4次复杂轨迹测试中的轨迹估计结果(包括侧向行走等非正常步态)


    相较于足绑式惯导,小腿惯导能够大幅度提升安装的便利性,对普通大众用户非常友好。同时,小腿惯导不与地面硬接触,受到的动态冲击明显降低(特别是跑步状态),可使用更小量程更高精度的传感器,综合来看小腿惯导具有更好的定位性能潜力。

    展望未来,对于普通大众用户而言,当低成本、高精度、方便易用的穿戴式惯导逐渐普及时,基于穿戴式惯导的人体机能监测和疾病预警等健康应用也会水到渠成,届时将迎来一个真正的移动健康时代。


相关成果发表在IEEE Sensors Journal上,可在团队网站(i2nav.cn)的“研究成果-学术论文”列表中下载。(Link


参考文献

[1]. Kuang, J., et al., Shin-INS: A Shin-Mounted IMU-based Inertial Navigation System for Pedestrian. IEEE Sensors Journal, 2023: p. 1-1




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