一種室內(nèi)自主三維空間定位信息融合方法
【專(zhuān)利摘要】一種室內(nèi)自主三維空間定位信息融合方法，其利用人體運(yùn)動(dòng)零瞬態(tài)特征抑制慣性器件長(zhǎng)時(shí)漂移，通該方法包括：過(guò)對(duì)慣性測(cè)量組合和智能信息融合的復(fù)雜環(huán)境下人體非規(guī)則運(yùn)動(dòng)行為的認(rèn)知，判斷人體行為運(yùn)動(dòng)狀況；分析人體線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)零瞬態(tài)特征，確定多部位傳感信息零瞬態(tài)判別準(zhǔn)則；建立動(dòng)態(tài)環(huán)境下融合人體非規(guī)則運(yùn)動(dòng)行為特征的慣性定位方程；通過(guò)確立慣性定位方程零瞬態(tài)觸發(fā)修正狀態(tài)和觸發(fā)修正關(guān)系，求解這種非線(xiàn)性、時(shí)變、變采樣時(shí)間的特殊系統(tǒng)，從而解決室內(nèi)自主三維空間定位問(wèn)題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種室內(nèi)自主三維空間定位信息融合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及定位方法領(lǐng)域，特別是涉及一種室內(nèi)自主三維空間定位信息融合方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著衛(wèi)星導(dǎo)航和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)衛(wèi)星定位、預(yù)置信標(biāo)和數(shù)字地圖匹配等方法，可以方便地獲取個(gè)人位置信息(PDR, Pedestriant Dead Reckoning或PersonalDead Reckoning,運(yùn)動(dòng)人體導(dǎo)航與定位)。但對(duì)于無(wú)信標(biāo)環(huán)境(衛(wèi)星信號(hào)差、WiFi等通信系統(tǒng)因斷電等原因無(wú)法使用)，特別是復(fù)雜建筑物內(nèi)部、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)等環(huán)境下的人員導(dǎo)航與定位問(wèn)題，一直是國(guó)內(nèi)外導(dǎo)航與位置服務(wù)的難題和研究熱點(diǎn)。
[0003]當(dāng)前，災(zāi)難救援現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn)轟燃、熱輻射、濃煙、黑暗、地形復(fù)雜等多種復(fù)雜環(huán)境給救援工作帶來(lái)極大不便，特別是消防救援現(xiàn)場(chǎng)。在目前消防裝備條件下，難以對(duì)進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的消防員進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤定位。后方消防救援指揮員，由于不知道消防員所處位置和火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，很難對(duì)消防救援工作給予全面準(zhǔn)確的指揮；消防官兵難以根據(jù)自身位置和地形環(huán)境迅速完成階段任務(wù)，導(dǎo)致自帶空氣和水耗盡。而一旦消防員發(fā)生危險(xiǎn)，后方救援人員無(wú)法判斷消防員遇險(xiǎn)時(shí)刻所處位置，只能通過(guò)搜尋呼救器聲音或循跡方位燈來(lái)判斷遇險(xiǎn)位置，致使不能及時(shí)救助遇險(xiǎn)隊(duì)員。據(jù)報(bào)道，2013年10月，北京石景山喜隆多商場(chǎng)火災(zāi)中壯烈犧牲的消防員的遺言是“煙太大，迷路了”。因此，消防救援工作迫切需求一種能夠確定消防隊(duì)員位置和狀態(tài)的自主定位技術(shù)。此外，中國(guó)作為煤礦大國(guó)，礦山眾多，大小礦難也時(shí)有發(fā)生，而礦山礦井人員的跟蹤難題卻遲遲沒(méi)有得到有效解決。傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航作為一種自主式的導(dǎo)航與定位技術(shù)，依靠其慣性器件(加速度計(jì)、陀螺)測(cè)量的載體運(yùn)動(dòng)信息來(lái)連續(xù)推算載體速度、位置和姿態(tài)，可為解決上述問(wèn)題提供技術(shù)手段，但制約其在運(yùn)動(dòng)人體定位領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵在于人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)影響及慣性器件的長(zhǎng)時(shí)漂移。
[0004]本發(fā)明面向消防救援現(xiàn)場(chǎng)人員定位、礦山礦井人員跟蹤的迫切需求，結(jié)合室內(nèi)定位【技術(shù)領(lǐng)域】發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)制約消防員、礦山礦井人員實(shí)時(shí)定位跟蹤的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸:“非自主”(需預(yù)置節(jié)點(diǎn)、抗干擾能力差)、“定位難”(無(wú)法實(shí)時(shí)精確定位)，提出一種室內(nèi)自主三維空間定位信息融合方法。本發(fā)明能夠解決傳統(tǒng)消防救援現(xiàn)場(chǎng)消防員定位、礦山礦井的礦工定位等非正常環(huán)境中，人員無(wú)法自主定位的問(wèn)題，克服傳統(tǒng)借助預(yù)置節(jié)點(diǎn)方法的成本高、架設(shè)難度大的缺點(diǎn)，同時(shí)克服傳統(tǒng)慣性測(cè)量單元的長(zhǎng)時(shí)漂移大的缺點(diǎn)。本發(fā)明將為災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)、未知環(huán)境中消防人員、救災(zāi)搶險(xiǎn)人員、礦工提供實(shí)時(shí)的導(dǎo)航和位置信息，以避免寶貴的專(zhuān)業(yè)人員犧牲，也適用于其他無(wú)衛(wèi)星信號(hào)和無(wú)室內(nèi)信標(biāo)等環(huán)境中的導(dǎo)航定位，例如，方便人們?cè)谏虉?chǎng)、機(jī)場(chǎng)、體育館等建筑中找人、找地點(diǎn)、找出口，國(guó)防領(lǐng)域的單兵自主定位等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明公開(kāi)了一種室內(nèi)自主三維空間定位信息融合方法，其目的是為了解決傳統(tǒng)消防救援現(xiàn)場(chǎng)消防員定位、礦山礦井的礦工定位等非正常環(huán)境中，人員無(wú)法自主定位的問(wèn)題，克服傳統(tǒng)借助預(yù)置節(jié)點(diǎn)方法的成本高、架設(shè)難度大的缺點(diǎn)，同時(shí)克服傳統(tǒng)慣性測(cè)量單元的長(zhǎng)時(shí)漂移大的缺點(diǎn)。
[0006]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]—種室內(nèi)自主三維空間定位信息融合方法，該方法利用人體運(yùn)動(dòng)零瞬態(tài)特征抑制慣性器件長(zhǎng)時(shí)漂移，包括以下步驟:
[0008](I)通過(guò)對(duì)慣性測(cè)量組合和智能信息融合的復(fù)雜環(huán)境下人體非規(guī)則運(yùn)動(dòng)行為的認(rèn)知，判斷人體行為運(yùn)動(dòng)狀況；
[0009](2)分析人體線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)零瞬態(tài)特征，確定多部位傳感信息零瞬態(tài)判別準(zhǔn)則；
[0010](3)建立動(dòng)態(tài)環(huán)境下融合人體非規(guī)則運(yùn)動(dòng)行為特征的慣性定位方程；
[0011](4)通過(guò)確立慣性定位方程零瞬態(tài)觸發(fā)修正狀態(tài)和觸發(fā)修正關(guān)系，求解這種非線(xiàn)性、時(shí)變、變采樣時(shí)間的特殊系統(tǒng)；最終完成室內(nèi)自主三維空間定位。
[0012]進(jìn)一步的，步驟(I)中所述人體非規(guī)則運(yùn)動(dòng)行為以消防人員現(xiàn)場(chǎng)典型運(yùn)動(dòng)為模態(tài)，用分別安裝在人體多部位的傳感器，認(rèn)知人體的非規(guī)則運(yùn)動(dòng)，并分析非規(guī)則運(yùn)動(dòng)的諸多特征，建立人體行為運(yùn)動(dòng)模型。
[0013]進(jìn)一步的，利用穿戴在人體特定部位的傳感器進(jìn)行信息測(cè)量，通過(guò)捷聯(lián)慣性定位理論結(jié)合人體行為運(yùn)動(dòng)基本特征求解人體位置。
[0014]進(jìn)一步的，步驟⑵中，利用人體線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)速度為零的瞬間，修正IMU的陀螺和加速度計(jì)的零偏，從而抑制定位誤差。零瞬態(tài)修正時(shí)刻是非等間隔的；根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)零瞬態(tài)特性測(cè)量與認(rèn)知方法，以及人體運(yùn)動(dòng)多部位傳感信息確定的零瞬態(tài)觸發(fā)修正狀態(tài)和觸發(fā)修正關(guān)系，制定零瞬態(tài)判別準(zhǔn)則，形成融合人體非規(guī)則運(yùn)動(dòng)行為特征的慣性自主定位方程。
[0015]1、進(jìn)一步的，步驟(3)中，對(duì)人體穿戴的多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)、確定的修正狀態(tài)、根據(jù)判定準(zhǔn)則獲得的零瞬態(tài)修正關(guān)系進(jìn)行信息融合，實(shí)現(xiàn)非規(guī)則運(yùn)動(dòng)人體自主定位。根據(jù)非線(xiàn)性、時(shí)變、變采樣時(shí)間的特殊系統(tǒng)，設(shè)計(jì)適應(yīng)此環(huán)境下的智能濾波器。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0017]I)本發(fā)明提供的一種室內(nèi)自主三維空間定位信息融合方法，利用人體運(yùn)動(dòng)零瞬態(tài)特征抑制慣性器件長(zhǎng)時(shí)漂移，克服傳統(tǒng)慣性測(cè)量單元的長(zhǎng)時(shí)漂移大的缺點(diǎn)。
[0018]2)本發(fā)明提供的一種室內(nèi)自主三維空間定位信息融合方法，借助慣性測(cè)量單元完成人員的自主定位，克服傳統(tǒng)借助預(yù)置節(jié)點(diǎn)方法的成本高、架設(shè)難度大的缺點(diǎn)。
[0019]3)本發(fā)明對(duì)慣性測(cè)量組合和智能信息融合的復(fù)雜環(huán)境下人體非規(guī)則運(yùn)動(dòng)行為的認(rèn)知，判斷人體行為運(yùn)動(dòng)狀況；分析人體線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)零瞬態(tài)特征，確定多部位傳感信息零瞬態(tài)判別準(zhǔn)則；建立動(dòng)態(tài)環(huán)境下融合人體非規(guī)則運(yùn)動(dòng)行為特征的慣性定位方程；通過(guò)確立慣性定位方程零瞬態(tài)觸發(fā)修正狀態(tài)和觸發(fā)修正關(guān)系，求解這種非線(xiàn)性、時(shí)變、變采樣時(shí)間的特殊系統(tǒng)。提聞了定位精度，解決室內(nèi)自主二維無(wú)盲區(qū)空間定位的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為一種室內(nèi)自主三維空間定位信息融合方法系統(tǒng)框圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明公開(kāi)了一種室內(nèi)自主三維空間定位信息融合方法，利用人體運(yùn)動(dòng)零瞬態(tài)特征抑制慣性器件長(zhǎng)時(shí)漂移的定位方法，通過(guò)對(duì)慣性測(cè)量組合和智能信息融合的復(fù)雜環(huán)境下人體非規(guī)則運(yùn)動(dòng)行為的認(rèn)知，判斷人體行為運(yùn)動(dòng)狀況；分析人體線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)零瞬態(tài)特征，確定多部位傳感信息零瞬態(tài)判別準(zhǔn)則；建立動(dòng)態(tài)環(huán)境下融合人體非規(guī)則運(yùn)動(dòng)行為特征的慣性定位方程；通過(guò)確立慣性定位方程零瞬態(tài)觸發(fā)修正狀態(tài)和觸發(fā)修正關(guān)系，求解這種非線(xiàn)性、時(shí)變、變采樣時(shí)間的特殊系統(tǒng)。從而解決室內(nèi)自主三維空間定位問(wèn)題。
[0022]結(jié)合附圖1，具體描述本發(fā)明提出的一種室內(nèi)自主三維空間定位信息融合方法，其步驟如下:
[0023]步驟1:人體非規(guī)則運(yùn)動(dòng)行為的認(rèn)知與建模
[0024]人體非規(guī)則運(yùn)動(dòng)行為模型，不同于笨拙的類(lèi)人機(jī)器人模型，不同于3D動(dòng)畫(huà)擬人模型，也不同于體育運(yùn)動(dòng)模型。因此，需要研究如何以消防場(chǎng)景為例，以消防人員現(xiàn)場(chǎng)典型運(yùn)動(dòng)為模態(tài)，用分別安裝在人體多部位的傳感器，認(rèn)知人體的非規(guī)則運(yùn)動(dòng)，并分析非規(guī)則運(yùn)動(dòng)的諸多特征，建立人體行為運(yùn)動(dòng)模型。利用穿戴在人體特定部位的傳感器(mu、磁阻傳感器、壓強(qiáng)計(jì))進(jìn)行信息測(cè)量，通過(guò)捷聯(lián)慣性定位理論結(jié)合人體行為運(yùn)動(dòng)基本特征求解人體位置。
[0025]步驟2:建立多約束條件下融合人體非規(guī)則運(yùn)動(dòng)行為特征的慣性自主定位方程。
[0026]本發(fā)明提出有效抑制慣性器件長(zhǎng)時(shí)漂移的策略是:利用人體線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)速度為零的瞬間——本發(fā)明 稱(chēng)之為“零瞬態(tài)”，修正IMU的陀螺和加速度計(jì)的零偏，從而抑制定位誤差。零瞬態(tài)修正時(shí)刻是非等間隔的。由于人體非規(guī)則運(yùn)動(dòng)下的自主定位的復(fù)雜性，要實(shí)現(xiàn)這一策略，需要研究人體運(yùn)動(dòng)零瞬態(tài)特性測(cè)量與認(rèn)知方法，研究人體運(yùn)動(dòng)多部位傳感信息確定的零瞬態(tài)觸發(fā)修正狀態(tài)和觸發(fā)修正關(guān)系，制定零瞬態(tài)判別準(zhǔn)則，形成融合人體非規(guī)則運(yùn)動(dòng)行為特征的慣性自主定位方程。
[0027](a)基于人體運(yùn)動(dòng)行為的觸發(fā)修正狀態(tài)和觸發(fā)修正關(guān)系
[0028]發(fā)明人在前期研究中證明，人體在典型運(yùn)動(dòng)走、跑、停和特殊環(huán)境下的跳躍、匍匐、爬行、扭曲等運(yùn)動(dòng)情況下，存在線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)的零位狀態(tài)一零瞬態(tài)，在達(dá)到此狀態(tài)瞬間時(shí)，存在基本零位觸發(fā)修正狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上研究確定人體在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同安裝部位的零瞬態(tài)觸發(fā)修正狀態(tài)和修正關(guān)系，為系統(tǒng)信息融合過(guò)程提供有效觀測(cè)量。
[0029](b)人體運(yùn)動(dòng)行為判定準(zhǔn)則
[0030]通過(guò)研究人體運(yùn)動(dòng)行為判定準(zhǔn)則,可確定人體行為運(yùn)動(dòng)狀態(tài),獲得人體行為基本特征，估計(jì)出零瞬態(tài)修正時(shí)刻。首先，對(duì)人體多部位的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，建立不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)傳感器不同安裝部位時(shí)的特征庫(kù)；其次，對(duì)特征庫(kù)進(jìn)行分析，建立特征提取方法?’最后，建立人體行為判定準(zhǔn)則，確定零瞬態(tài)修正時(shí)刻。
[0031]步驟3:自主定位智能信息融合:
[0032]對(duì)人體穿戴的多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)、確定的修正狀態(tài)、根據(jù)判定準(zhǔn)則獲得的零瞬態(tài)修正關(guān)系進(jìn)行信息融合，實(shí)現(xiàn)非規(guī)則運(yùn)動(dòng)人體自主定位。系統(tǒng)方程具有很強(qiáng)非線(xiàn)性，同時(shí)零瞬態(tài)修正時(shí)刻是非等間隔的。針對(duì)這類(lèi)非線(xiàn)性、時(shí)變、變采樣時(shí)間的特殊系統(tǒng)，設(shè)計(jì)適應(yīng)此環(huán)境下的智能濾波器。
[0033]本發(fā)明解決了傳統(tǒng)消防救援現(xiàn)場(chǎng)消防員定位、礦山礦井的礦工定位等非正常環(huán)境中，人員無(wú)法自主定位的問(wèn)題，克服傳統(tǒng)借助預(yù)置節(jié)點(diǎn)方法的成本高、架設(shè)難度大的缺點(diǎn)，同時(shí)克服傳統(tǒng)慣性測(cè)量單元的長(zhǎng)時(shí)漂移大的缺點(diǎn)。
[0034]最后應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種室內(nèi)自主三維空間定位信息融合方法，其特征在于，該方法利用人體運(yùn)動(dòng)零瞬態(tài)特征抑制慣性器件長(zhǎng)時(shí)漂移，包括以下步驟: (1)通過(guò)對(duì)慣性測(cè)量組合和智能信息融合的復(fù)雜環(huán)境下人體非規(guī)則運(yùn)動(dòng)行為的認(rèn)知，判斷人體行為運(yùn)動(dòng)狀況； (2)分析人體線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)零瞬態(tài)特征，確定多部位傳感信息零瞬態(tài)判別準(zhǔn)則； (3)建立動(dòng)態(tài)環(huán)境下融合人體非規(guī)則運(yùn)動(dòng)行為特征的慣性定位方程； (4)通過(guò)確立慣性定位方程零瞬態(tài)觸發(fā)修正狀態(tài)和觸發(fā)修正關(guān)系，求解這種非線(xiàn)性、時(shí)變、變采樣時(shí)間的特殊系統(tǒng)；最終完成室內(nèi)自主三維空間定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室內(nèi)自主三維空間定位信息融合方法，其特征在于:步驟(I)中所述人體非規(guī)則運(yùn)動(dòng)行為以消防人員現(xiàn)場(chǎng)典型運(yùn)動(dòng)為模態(tài)，用分別安裝在人體多部位的傳感器，認(rèn)知人體的非規(guī)則運(yùn)動(dòng)，并分析非規(guī)則運(yùn)動(dòng)的諸多特征，建立人體行為運(yùn)動(dòng)模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的室內(nèi)自主三維空間定位信息融合方法，其特征在于:利用穿戴在人體特定部位的傳感器進(jìn)行信息測(cè)量，通過(guò)捷聯(lián)慣性定位理論結(jié)合人體行為運(yùn)動(dòng)基本特征求解人體位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室內(nèi)自主三維空間定位信息融合方法，其特征在于:步驟(2)中，利用人體線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)速度為零的瞬間，修正IMU的陀螺和加速度計(jì)的零偏，從而抑制定位誤差。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的室內(nèi)自主三維空間定位信息融合方法，其特征在于:零瞬態(tài)修正時(shí)刻是非等間隔的；根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)零瞬態(tài)特性測(cè)量與認(rèn)知方法，以及人體運(yùn)動(dòng)多部位傳感信息確定的零瞬態(tài)觸發(fā)修正狀態(tài)和觸發(fā)修正關(guān)系，制定零瞬態(tài)判別準(zhǔn)則，形成融合人體非規(guī)則運(yùn)動(dòng)行為特征的慣性自主定位方程。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室內(nèi)自主三維空間定位信息融合方法，其特征在于:步驟(3)中，對(duì)人體穿戴的多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)、確定的修正狀態(tài)、根據(jù)判定準(zhǔn)則獲得的零瞬態(tài)修正關(guān)系進(jìn)行信息融合，實(shí)現(xiàn)非規(guī)則運(yùn)動(dòng)人體自主定位。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室內(nèi)自主三維空間定位信息融合方法,其特征在于:根據(jù)非線(xiàn)性、時(shí)變、變采樣時(shí)間的特殊系統(tǒng)，設(shè)計(jì)適應(yīng)此環(huán)境下的智能濾波器。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103954285SQ201410198799
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】李擎, 蘇中, 劉寧, 范軍芳, 付國(guó)棟, 高可, 時(shí)佳斌 申請(qǐng)人:北京信息科技大學(xué), 北京德維創(chuàng)盈科技有限公司