基于航向自纠正方法的行人导航算法研究

低成本MEMS惯性传感器被广泛应用于足绑式行人导航中,但由于MEMS惯性传感器零偏随时间会产生累积误差,行人真实航向角与脚部解算的航向角有差值,传统零速修正算法对航向角缺乏观测导致行人航向发散,成为行人导航的主要误差源, 行人在室内行走尤其是在室内楼道环境中,行走轨迹大多数情况下是近乎直线的。由此提出一种航向自纠正算法 (HSC),通过采集行人脚部离地阶段数据和一步航向差值,进行行人直行与行走方向判定,根据判定结果在零速时重置航向,将航向自纠正算法与零速更新算法融合,采用一款低成本惯性传感器绑于脚面进行实验,对比传统零速更新算法,该方 法可以显著提高定位精度,定位误差可以达到2％以内, 该算法的实现无需添加额外传感器,仅依靠自身信息矫正航向,具有很好的工程实用价值。     

基于脚部捷联惯性传感器的行人定位方法比较

对两种基于脚部捷联惯性传感器的行人定位方法—惯性导航系统(INS)和行人航迹推算(PDR)方法的定位精度进行比较。为行人定位算法的设计提供参考,在布置有超宽带(UWB)定位设备的空旷地带,实验者将捷联惯性测量单元(IMU)穿戴在脚部,以正常步速行走一个周长为124. 2 m的一个矩形。用INS和PDR算法分别对采集的惯性数据进行处理得到行人位置;以UWB定位的结果为参考,对两种算法的定位精度进行评价。实验结果表明:INS的平均定位精度比PDR高1 m,并且随着行走距离的增加,PDR的定位误差远高于INS,达到2 m以上。     

运动轨迹对行人导航定位误差的影响

基于零速修正的行人导航算法是采用MEMS惯性传感器实现自主导航的高精度算法之一,航向角误差是影响定位精度的最大因素。目前评价行人导航系统精度的实验轨迹并不统一,而在航向角误差存在时,相同行走距离、不同运动轨迹所产生的定位误差差异较大。针对该问题,分析了不同运动轨迹对定位误差的影响,分别推导了直线、弧形、直线往返、矩形闭合路径下定位误差的数学解析式,不同运动轨迹在理论上的定位误差存在较大差异,据此开展了对应路径的实验研究。结果表明,由解析式计算出的理论轨迹与实验解算得出的轨迹趋势相符合,验证了解析式的正确性。     

下肢外骨骼研究进展及关节运动学解算综述

随着传感融合、移动计算、智能驱动等技术的发展以及研究者对人体运动中下肢重要生物力学功能认知的逐步深化,下肢外骨骼机器人作为一种与下肢并联,能为穿戴者行走助力的可穿戴智能设备愈发受到世界各研究机构的重视。本文根据下肢外骨骼的用途和结构详细综述了近年下肢外骨骼的研究进展,并借此对下肢外骨骼的未来发展进行展望。并针对下肢外骨骼在实时运动学检测与控制上对小型传感器的迫切需求,提出一种能够用于控制下肢外骨骼的基于惯性测量单元的人体下肢关节运动学测量与解算技术,在基于惯性测量的单自由度关节角度结算上得到较好结果。     

基于MIMU的行人导航算法研究

行人导航系统（Pedestrian Navigation System,PNS）为实时确定行人当前所在位置的定位导航系统,可记录人的步行轨迹或指引人抵达预设目的地。行人导航算法是由三轴MEMS（微电子机械系统）陀螺、MEMS加速度计构成的MIMU（微型惯性测量单元）和三轴磁阻传感器组合搭建的测量装置,置于行人腰部感受其行走时的运动,首先利用加速度计输出进行步态识别,其次建立步长与步长系数、步速之间的关系,使用最小二乘法标定步长系数的方法,实现了步长计算因人的行走速度、人与人行走方式不同的自适应调节,提高了步长的计算精度,最后融合捷联航向和磁航向计算行进方向,使用航迹递推计算轨迹。经测试,此算法具有较高的定位精度。     

利用惯性传感器的人体运动空间轨迹追踪

人体运动的空间轨迹追踪是一种利用传感器技术和计算机技术来分析记录人体的运动过程的方法.为了实现人体运动轨迹的空间追踪,本文设计了一种人体可穿戴式的人体运动捕捉系统,通过佩戴在人体关节点的惯性传感器单元来获取肢体的实时姿态信息.惯性传感器由加速度传感器、角速度传感器和磁力计构成.通过微控制单元获取传感器数据,利用低通滤波和卡尔曼滤波来更新四元数,再将预处理后的数据由蓝牙模块实时发送到电脑端.本文通过对肢体运动的不同角度的实验,证明了利用惯性传感器可以追踪人体肢体、运动的空间轨迹.     

基于惯性/磁力传感器的行人3维轨迹跟踪技术

为实现行人3维轨迹跟踪,采用惯性测量单元和电子罗盘组成的导航模块,固联于步行者鞋面上,根据行人步行运动的周期特性,结合四元数法和改进的航姿参考系统算法对步行姿态角尤其是航向角进行高精度估计.在分析速度误差产生原因的基础上,提出一种新的零速度校正技术,并利用行人垂直方向的步行速度判断步行状态,对高度进行补偿,实现了对行人3维轨迹的高精度跟踪.通过直线往返行走、矩形线路行走、上下楼梯等实验,验证了本文方法的有效性和可行性,实验中2维轨迹精度在0.5 m左右,3维轨迹精度在1 m左右.     

外骨骼离线参数化上楼梯步态规划

为扩大脊椎损伤患者在外骨骼机器人辅助下的活动范围而不仅仅只是起坐、站立和行走,提出一种离线参数化上楼梯 步态规划算法,该算法基于惯性测量单元检测穿戴者运动意图,基于足底压力传感器计算整个系统的零力矩点（ZMP） 以确 保上楼梯过程的安全性。 该算法根据人体大腿、小腿长度、楼梯高度和宽度等参数规划出关节的最优空间位置轨迹, 然后通 过逆运动学求解关节角度轨迹,该算法可为不同的穿戴者生成适应于不同楼梯尺寸的步态轨迹, 最后 3 名实验者穿戴外骨骼 在楼梯高度 18cm、宽度 26cm 的楼梯上实验,外骨骼按照规划的步态轨迹帮助穿戴者多次完成上楼梯任务,规划的楼梯尺寸 与实际测量的尺寸误差在 2%以内,通过实验验证了该算法的有效性与实用性。     

基于GLRT零速检测算法的行人室内定位系统

针对微机电系统中惯性传感器漂移大、精度低导致室内行人定位精度不高的问题,本系统在惯性导航解算算法的基础上,提出基于广义似然比检验的零速检测算法.该方法是利用广义似然比检验对行人处于站立相或摆动相的概率进行估计以及进行零速更新,提高行人定位精度.基于本文提出的行人室内定位模型,搭建以惯性测量单元为核心的实验平台,评估本文算法的可行性.实验结果表明行人定位的动态误差为-1.8141 m~1.4516 m,置信度为97.61%.表明本文的行人室内定位系统满足实际定位的要求.     

利用惯性测量元件进行三维定位的系统设计

针对消防室内定位技术的需求,搭建了基于惯性测量元件的室内三维定位系统。首先,利用微机电系统(MEMS)惯性传感器获取行人运动过程中的必要参数。然后基于行人航迹推算(PDR)算法,实时计算出行人行走的步数和步长;通过气压传感器实时采集行人所处位置的高度。最后,利用无线数传模块结合服务器端处理,实现行人的室内三维定位。测试表明:系统在正常行走的情况下,可以满足行人的室内三维定位要求。