基於單軸陀螺儀的計步及裡程推算方法

2023-07-12 03:43:36 3

專利名稱：基於單軸陀螺儀的計步及裡程推算方法
技術領域：
本發明涉及導航和定位領域，尤其涉及面向行人定位的一種基於單軸陀螺儀的計步及裡程推算方法。
背景技術：
計步和運動裡程推算技術在生活和生產中有著重要的應用，首先它在人的日常的身體鍛鍊中可以應用作為日常鍛鍊進度監控器，人們可以根據監控器上的運動步數和運動裡程數據合理控制運動強度。另一方面運動裡程推算是GPS信號遮擋區的行動人員的定位和航跡推算中的關鍵技術之一。航跡推算是導航和定位領域的一類重要的定位方法，它主要是通過量測自身的狀態變化來計算從一個已知位置開始到當前點移動的距離和方位，從而推算出當前位置。它具有不受外界信號幹擾，環境適應性強的優點。個人運動裡程推算的應用中存在著使用環境多變、運動狀態複雜、運動建模困難等特點。現有技術中比較成熟的是計步器，其計步方法是通過檢測垂直軸的加速度脈衝的周期性變化來實現的，但它只有計步功能。若假設人運動的步長是固定的，那麼還可以作大致的運動裡程推算，但誤差比較大，因為人運動的實際步長是變化的，採用假定的固定步長會引入很大的累積誤差；另一方面如果將其運用到個人航跡推算中，還必須添加其他傳感器如陀螺儀或者羅盤等才能獲得來獲得運動方向信息，這樣使成本大大增加。

發明內容
為了克服背景技術的一些精度不高，成本較高等缺點，本發明目的在於提供了一種基於單軸陀螺儀的計步及裡程推算方法，利用一個單軸陀螺儀實現了計步並計算出步頻，然後根據運動模型計算平均運動步長，得到運動步數和平均運動步長後就可以計算出運動裡程。本發明採用的技術方案的步驟如下(1)運動模型參數的標定；(2)單軸陀螺儀數據的採集；(3)根據單軸陀螺儀數據的角速度周期性進行計步；(4)利用補償算法對計步步數進行補償和修正；(5)利用運動模型根據步頻f獲得該段時間內平均步長和運動距離；(6)最後路程累加計算出運動裡程。所述步驟(1)運動模型參數的標定為人體運動時步長和步頻的關係為1 = Cfb, 其中1為步長，f為步頻，C和b為待定的模型參數；不同人的運動狀態參數是不一樣的，同一個人在走路或者跑步時的模型參數也是不一樣的，因此在使用前必須經過標定；假設走路參數為(Cw，bw)，跑步參數為(^，br)；具體標定方法如下取一段長度為L的路程，使用者分別用慢走和快走兩種方式走完距離為L這段路程，兩種方式所走的步數和用時分別為 (N1, T1)和(N2, T2)；由下式得出走路模型參數
權利要求
1.一種基於單軸陀螺儀的計步及裡程推算方法，其特徵在於該方法的步驟如下(1)運動模型參數的標定；(2)單軸陀螺儀數據的採集；(3)根據單軸陀螺儀數據的角速度周期性進行計步；(4)利用補償算法對計步步數進行補償和修正；(5)利用運動模型根據步頻f獲得該段時間內平均步長和運動距離；(6)最後路程累加計算出運動裡程。
2.根據權利要求1所述的一種基於單軸陀螺儀的計步及裡程推算方法，其特徵在於， 所述步驟(1)運動模型參數的標定為人體運動時步長和步頻的關係為1 = Cfb，其中1為步長，f為步頻，C和b為待定的模型參數；不同人的運動狀態參數是不一樣的，同一個人在走路或者跑步時的模型參數也是不一樣的，因此在使用前必須經過標定；假設走路參數為 (cw，bw)，跑步參數為(q，b》；具體標定方法如下取一段長度為L的路程，使用者分別用慢走和快走兩種方式走完距離為L這段路程，兩種方式所走的步數和用時分別為(N1, T1)和 (N2, T2)；由下式得出走路模型參數
3.根據權利要求1所述的一種基於單軸陀螺儀的計步及裡程推算方法，其特徵在於， 所述步驟( 單軸陀螺儀數據的採集為單軸陀螺儀裝置捆綁置於人的腰部正中朝前，單軸陀螺儀的軸方向豎直向上放置，並以該裝置為原點建立坐標系，沿人體豎直向上為坐標系的Z軸正方向，人的正前方為坐標系的Y軸的正方向，人的正右側且同時垂直於Y，Z軸的方向為X軸的正方向，此時單軸陀螺儀測的是人向左向右的角速度，其中向左的角速度為正，向右的角速度為負。
4.根據權利要求1所述的一種基於單軸陀螺儀的計步及裡程推算方法，其特徵在於， 所述步驟C3)根據單軸陀螺儀數據的角速度周期性進行計步為由於人體走路時是左右擺動的，所以單軸陀螺儀測得的角速度也是周期性的波形，由於人體走路每走兩步完成一次擺動周期，所以每個周期波形對應兩步；首先對單軸陀螺儀的原始數據進行帶通濾波，濾除部分高頻噪聲和毛刺，然後通過檢測波形上升沿或下降沿的個數來確定正弦波的個數Μ,則運動步數N = 2Μ。
5.根據權利要求1所述的一種基於單軸陀螺儀的計步及裡程推算方法，其特徵在於， 所述步驟(4)利用補償算法對計步步數進行補償和修正為根據單軸陀螺儀的數據計算出每個波形的時間，該時間即為該擺動周期兩步的時間；由於一般人走路的擺動頻率在一定範圍內，也即是每個擺動周期在一定範圍之內設為(Tmin，Tmax),超出這個正常範圍則認為不是正常的運動擺動周期；造成檢測非正常擺動的原因基本有兩種情況，第一種是由於噪聲和毛刺，使得把高頻噪聲的上升沿或下降沿算成了一個擺動周期，這樣使得該擺動周期小於Tmin ；另一種情況是當人急轉彎時使得角速度瞬間變大，從而產生一個幅度很大，時間很長的波形，該擺動周期大於Tmax，這樣使得一個擺動周期淹沒在其中；對於第一種情況要進行負補償，即從總擺動周期個數裡減掉該噪聲擺動；對於第二種情況補償方法如下，把該大於Tmax擺動周期t除於正常擺動周期的平均值，得一個數值m，對m進行四捨五入處理得整數M.最後的總運動擺動周期數補償為再加上(M-I)，而最後的總步數為總擺動周期個數的 2倍。
6.根據權利要求1所述的一種基於單軸陀螺儀的計步及裡程推算方法，其特徵在於， 所述步驟( 利用運動模型根據步頻f獲得該段時間內平均步長和運動距離為利用運動參數模型中步頻和步長的關係，根據步頻來求出某段短時間內的平均步長1，然後平均步長與步數相乘計算出改時間內的運動距離As ；在運動參數模型中，走路和跑步的參數是不同的，當檢測到步頻大於步驟(1)中的運動狀態頻率閥值ft時，就判定為跑步，運動模型中就採用跑步模型參數，反之則判定為走路，運動模型中採用走路模型參數。
7.根據權利要求1所述的一種基於單軸陀螺儀的計步及裡程推算方法，其特徵在於， 所述步驟(6)最後路程累加計算出運動裡程為根據以上步驟得到運動距離後，對運動距離累加得到運動裡程，根據個人需要，每段時間進行一次運動距離計算和裡程更新的方法， 首先根據該段時間的步數ΔΝ計算出該段時間的平均步長，然後再根據運動模型計算出該段時間內的平均步長為1，則該短時間的運動距離As= ΔΝ*1，最後再與上個時刻的運動裡程累加就得到當前的運動裡程，設第i_l次裡程更新時人的運動裡程為S"，則第i次裡程更新的運動裡程Si* Si = Si^Asi從而依次推算出人的運動運動裡程，如果使用者需要將運動裡程清零重新推算運動裡程，則按清零按鈕使運動裡程回歸到& = 0的狀態。
全文摘要
本發明公開了一種基於單軸陀螺儀的計步及裡程推算方法，該方法的步驟如下運動模型參數的標定；單軸陀螺儀數據的採集；根據單軸陀螺儀數據的角速度周期性進行計步；利用補償算法對計步步數進行補償和修正；利用運動模型根據步頻f獲得該段時間內平均步長和運動距離；最後路程累加計算出運動裡程。本發明基於人運動時身體會繞垂直地面軸呈現一定程度的周期性擺動的特性，利用垂直安裝的單軸陀螺儀來實現對該周期的檢測，從而獲得人體運動的步數以及步頻。並利用人體運動模型，從步頻估計出平均的步長，從而實現人的運動計步和裡程計算。本發明具有使用傳感器數目少，成本低，可靠性高，輕小方便，實用和推廣性高等特點。
文檔編號G01C22/00GK102353383SQ20111016278
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月16日 優先權日2011年6月16日
發明者項志宇, 齊保振 申請人:浙江大學