[发明专利]基于姿态角度测量的穿戴式三维室内定位装置及方法

权利要求书

1.一种基于姿态角度测量的穿戴式三维室内定位装置，其特征在于，包括：惯性传感器、气压传感器、嵌入式处理器、通信模块、电源模块以及三维室内建筑模型显示模块，所述惯性传感器和所述气压传感器集成在穿戴设备中，同时进行信号测量，所述惯性传感器测量被测人员左右脚腕处的姿态角和加速度信号，所述惯性传感器采用HI219九轴惯性传感器，其内部包含三轴加速度传感器、三轴陀螺仪以及三轴磁力计；所述气压传感器测量人员所处位置的气压信号，所述通信模块包括MESH自组网终端和蓝牙模块，所述嵌入式处理器对姿态角、加速度及气压的信号进行信息融合处理，并将处理后的数据通过所述蓝牙模块发送至所述MESH自组网终端上，所述嵌入式处理器首先对左、右脚腕处三轴加速度信号、三轴磁力计信号和三轴角速度信号进行四元素及卡尔曼滤波预处理；首先左、右脚腕穿戴设备将各自采集到的运动数据进行四元素法确立了捷联矩阵，利用三轴陀螺仪所得到的角速度信息建立过程方程，利用三轴加速度传感器和磁力计信息建立测量方程，进而设计了一种卡尔曼滤波器来滤除传感器存在的随机噪声，并解算出了人员运动时的姿态角；左脚腕穿戴设备内部的嵌入式处理器通过蓝牙模块将预处理后得到的三轴加速度数据和三轴角度数据发送至右脚腕穿戴设备，然后与右脚腕的数据进行同步处理；所述卡尔曼滤波器描述如下：

其中的陀螺仪的噪声W(n)和磁力计测量噪声V(n)是相互独立的，它们的协方差分别是Q和R；根据陀螺仪的数据和姿态角之间关系建立过程方程，再根据加速度和磁力计信息与重力和磁场之间的关系建立测量方程；过程方程和离散化的测量方程如下：

其中，W(n)为陀螺仪的噪声，将其近似为均值为零的独立高斯白噪声，并且协方差矩阵式为非负定常值对角阵；g为重力加速度；为加速度传感器的测量值；M_x、M_y、M_z为地磁场在地理坐标上的分量；为磁力计测量值；V是离散化后的磁力计测量噪声；

所述同步处理的具体过程是：若硬件保持同步，则10个采样点均为本次中断转换结果，若出现硬件不同步，则10个采样点中将会插入前一次中断的最后一个采样点；两脚腕处采集到的气压数据对其进行高度解算，具体公式如下：

p_r＝p₀(1-H/44330)⁵²⁵⁵ (3)

其中，p₀代表标准大气压，值为1013.25mbar，H代表海拔高度，单位为m，p_r代表测得气压值，单位为mbar；

同步处理后,使用中值滤波对加速度波形进行滤波处理；使用过零检测和峰谷值检测的方法进行特征信号提取处理，其中对腿部角度特征信号提取过程如下：特征点分别为右脚落地时左腿、右腿的倾角，用该特征点的特征值与站立时的角度初始值的差值的绝对值即为右脚移动一步对应的腿倾角的角度变化量，另外两个特征点分别为左脚落地时左腿、右腿的倾角，用该特征点的特征值与站立时的角度初始值的差值的绝对值即为左脚移动一步对应的腿的角度变化量；对人运动的方向角提取是先记录人站立在初始位置时方向角的值，根据判断到一步结束时方向角的瞬时值，根据两角度的差值表示运动方向；

所述MESH自组网终端接收到数据包之后通过组网发送到MESH自组网基站，所述MESH自组网基站通过串口将数据包传输给所述三维室内建筑模型显示模块，所述三维室内建筑模型显示模块显示建筑物三维模型和人员的实时位置，所述电源模块为各传感器和所述嵌入式处理器提供电能。

2.根据权利要求1所述的基于姿态角度测量的穿戴式三维室内定位装置，其特征在于，所述嵌入式处理器采用STM32F103处理器。

3.根据权利要求1所述的基于姿态角度测量的穿戴式三维室内定位装置，其特征在于，所述气压传感器采用BMP280数字传感器。