室内行人状态感知与定位跟踪系统、方法及设备、介质与流程

1.本发明涉及室内导航技术领域，具体地，涉及一种室内行人状态感知与定位跟踪系统、方法及设备、介质。


背景技术：

2.众所周知，由于室内环境复杂多样、信号干扰等众多因素导致gps/bd定位导航系统在室内是无法正常使用。然而实际生活中，人们大多数时间都是在室内进行，因此，研究室内人员状态及室内高精度定位跟踪也是目前科学家的研究热点。随着国家正在大力推进新型智慧化城市建设的提议，采用惯性传感器(imu传感器)采集的数据计算分析实现室内人员的行为识别也是模式识别领域的一个新的研究方向，对养老院老人实时状态监测，服刑人员室内监测，医院、室内消防人员救灾的协助有着广泛的应用前景。
3.经过检索，专利文献cn108444473b公开了一种行人室内轨迹定位方法，包括以下步骤，利用传感器采集载体坐标系下的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁感应强度作为数据源，所述三轴为x轴、y轴和z轴；进行计步和步态检测；计算航向角，基于主方向进行所述航向角修正：走直线时，利用启发式随机漂移消除法进行航向角修正；走曲线时，利用扩展卡尔曼滤波器进行偏移补偿，修正航向角；根据三轴加速度，建立非线性步长估计模型，计算行进过程中的步长；根据步态、行进步数、航向角以及步长，计算行人行走轨迹和位置。该现有技术虽然也利用了九轴传感器数据进行室内行人轨迹的定位，但是没有涉及并解决对所监测人员的行为状态的监测及所处高度的信息。
4.专利文献cn104634345b公开了一种自适应步长的室内轨迹追踪方法，通过设定每一步行走的初始速度与结束速度为零，判断是否处于行走状态，如果是，则采集每一步内加速度的个数，根据加速度、加速度的采样时间，计算获得第一步的步长；结合每一步的方向，将每一步进行矢量叠加，获得运动轨迹。该现有技术是通过采用自适应的机制估算行人的步长，缺点是非常明显的，计算量比较大而且实现的功能比较单一。
5.专利文献cn107976187b公开了一种融合imu和视觉传感器的室内轨迹重建方法及系统，包括：接收imu发送的实时采集数据；根据所述实时采集数据对行人的运动轨迹进行预测并优化；接收视觉传感器采集到的室内环境信息；根据所述室内环境信息与所述实时采集数据对行人的运动轨迹进行定位纠正，重建获得最终的行人的运动轨迹。该现有技术利用了imu数据进行室内轨迹重建，但是在实际的方法及实施过程中还需要预先设置行人的身高和体重比，因此不够普适化，很难得到实际应用。
6.因此，有必要研发一种低成本、低功耗、稳定性强、无需提前布置监控环境的高精度室内定位系统及方法。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种室内行人状态感知与定位跟踪系统、方法及设备、介质，实现室内行人状态的实时监测及位置定位跟踪，无需提前布置监
测环境、无需提前对所监测行人条件约束、成本低、可靠性行强，这将有望为室内定位提供一种全新的研究方向，具有深远意义。
8.根据本发明提供的一种室内行人状态感知与定位跟踪系统，包括：移动终端，移动终端设置有多台；移动终端包括惯性测量模块、传感器采集模块、通信模块、串口模块及监测应用模块；传感器采集模块采集惯性测量模块产生的实时数据后通过串口模块向监测应用模块发送实时数据；监测应用模块通过读取串口模块的实时数据并对实时数据进行解析判断得到被监测人员的状态信息及所处楼层信息；通过连接通信模块能查看实时的被监测人员的状态信息及所处楼层信息。
9.优选地，惯性测量模块会实时产生三轴加速度值、三轴陀螺仪值、三轴磁力计值以及气压计值。
10.优选地，传感器采集模块通过串行总线协议进行实时访问惯性测量模块的寄存器，通过读取寄存器的值获取惯性测量模块产生的实时数据。
11.优选地，传感器采集模块采用单片机或arm处理器。
12.根据本发明提供的一种室内行人状态感知与定位跟踪方法，包括如下步骤：
13.步骤s1：通过连接所述通信模块能查看实时的被监测人员的状态信息及所处楼层信息；
14.步骤s2：传感器采集模块采集所述惯性测量模块产生的实时数据；
15.步骤s3：传感器采集模块采集到实时数据之后通过串口模块向监测应用模块发送实时数据；
16.步骤s4：监测应用模块通过读取串口模块的实时数据并对实时数据进行解析判断。
17.优选地，步骤s2中传感器采集模块通过读取惯性测量模块的寄存器的值，获取实时的三轴加速度值、三轴陀螺仪值、三轴磁力计值以及气压计值数据，并对数据进行整合打包通过串口模块发出。
18.优选地，步骤s4包括：
19.步骤s4.1：将三轴加速度值经过低通滤波器后进行三轴加速度的整合并减去重力加速度得到合加速度；
20.步骤s4.2：将气压计值转化为高度值数据，p
h
是高度为h时所对应的大气压值，单位为pa，p0为标准海拔大气压，其对应的海拔高度为0；
21.步骤s4.3：通过访问惯性测量单元模块的寄存器获取到的是载体坐标系上的数据值，在进行算法加入之前先将获取到的数据进行坐标系转换。
22.根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。
23.根据本发明提供的一种室内行人状态感知与定位跟踪设备，包括上述的室内行人状态感知与定位跟踪系统或者上述的存储有计算机程序的计算机可读存储介质。
24.优选地，还包括惯性测量器，所述惯性测量器的型号为adis16488a。
25.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
26.1、本发明通过对室内行人状态的实时监测及位置定位跟踪，首次将室内人员所处
楼层信息纳入室内人员状态检测范围内。
27.2、本发明通过在室内环境下利用获取到的惯性测量模块采集的数据推算出人员行走的步数以及步长等信息，无需提前设置所监测对象的身体特征信息，普适性强，准确率高、应用范围广。
28.3、本发明利用采集到的数据推算出人员的实时状态，包括静止、走、跑、卧等，并且能够通过通讯模块实时掌握和了解所监测的对象的状态信息。
附图说明
29.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
30.图1为本发明中室内行人状态感知与定位跟踪系统的框架图；
31.图2为本发明中室内行人运动状态感知判定流程图。
具体实施方式
32.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
33.如图1所示，本发明提供的一种室内行人状态感知与定位跟踪系统，包括：移动终端，移动终端设置有多台。
34.移动终端包括惯性测量模块、传感器采集模块、通信模块、串口模块及监测应用模块；传感器采集模块采集惯性测量模块产生的实时数据后通过串口模块向监测应用模块发送实时数据；监测应用模块通过读取串口模块的实时数据并对实时数据进行解析判断；通过连接通信模块能查看实时的被监测人员的状态信息及所处楼层信息。
35.惯性测量模块会实时产生三轴加速度值、三轴陀螺仪值、三轴磁力计值以及气压计值。传感器采集模块通过串行总线协议进行实时访问惯性测量模块的寄存器，通过读取寄存器的值获取惯性测量模块产生的实时数据。传感器采集模块采用单片机或arm处理器。
36.本发明还提供了一种室内行人状态感知与定位跟踪方法，包括如下步骤：
37.步骤s1：通过连接通信模块能查看实时的被监测人员的状态信息及所处楼层信息。惯性测量模块会实时产生三轴加速度值、三轴陀螺仪值、三轴磁力计值以及气压计值数据。
38.步骤s2：传感器采集模块采集惯性测量模块产生的实时数据；传感器采集模块通过串行总线协议进行实时访问惯性测量模块的寄存器，通过读取寄存器的值得到此时的三轴加速度值、三轴陀螺仪值、三轴磁力计值以及气压计值数据，并对数据进行整合打包通过串口模块发出；传感器采集模块为单片机或者arm处理器。
39.步骤s3：传感器采集模块采集到实时数据之后通过串口模块向监测应用模块发送实时数据；
40.步骤s4：监测应用模块通过读取所述串口模块的实时数据并对实时数据进行解析判断。具体地，如图2所示，包括如下步骤：
41.步骤s4.1：将三轴加速度值经过低通滤波器后进行三轴加速度的整合并减去重力加速度得到合加速度，以避免引入重力方向的加速度导致误差。在进行人员状态判定之前，应设置三个加速度阈值，当合加速度小于低于第一加速度阈值时则判定为静止状态，当合加速度大于第一加速度阈值小于第二加速度阈值时则判断为走状态，当合加速度大于第二加速度阈值小于第三加速度阈值时则为跑状态。
42.步骤s4.2：将气压计值转化为高度值数据，p
h
是高度为h时所对应的大气压值，单位为pa，p0为标准海拔大气压，其对应的海拔高度为0；当合加速度值大于第三加速度阈值并且上一波峰出现的时间与此时监测的波峰时间大于0.4s以及上一波峰出现的时间对应的高度值与此时监测的波峰时间对应的高度值的差值满足一定条件则为卧倒状态。
43.步骤s4.3：通过访问惯性测量单元模块的寄存器获取到的是载体坐标系上的数据值，因此在进行算法加入之前先将获取到的数据进行坐标系转换。即由载体坐标系(b系)下转换为导航坐标系(n系)，即其中为系统的状态转移矩阵，a
b
为载体坐标系，a
n
为导航坐标系，具体公式如下：
44.其中x
b
、y
b
、z
b
分别为载体坐标系下的坐标值，x
n
、y
n
、z
n
为导航坐标系下的坐标值；
[0045][0046]
其中，为航向角，θ为俯仰角，γ为横滚角。θ和γ的值为传感器获取。
[0047][0048]
其中，此处为四元数坐标变换矩阵表示，q0，q1，q2，q3为运动载体姿态四元系数。
[0049]
因此，航向角可表示为：
[0050][0051]
其中，a
max
为单步中合加速度最大值，a
min
为单步中合加速度最小值，k，μ为待定系数，l
steplength
为单步的步长。
[0052][0053]
其中，x
k
为k时刻横坐标，s
k
为k时刻的步长，θ
k
为k时刻的角度。
[0054]
通过气压值转化为高度值，并记录开始监测时刻的高度值数据，当被监测人员在进行上楼或者下楼动作时，对应高度值将发生变化，将它和最开始监测时记录的高度值进
行楼层判定算法进行楼层定位。
[0055]
本发明针对室内行人状态感知及定位跟踪实测数据进行统计如下：
[0056]
表1运动状态感知实验
[0057][0058]
表1为运动状态感知实验，选取了4位不同身高体重、男女皆有的测试人员，分别进行直线走50步、跑50步以及卧10次实验各两次。
[0059]
表2楼层定位实验数据对比
[0060][0061]
表2为楼层定位实验数据对比，测试人员从第一层楼梯处开始向上走楼梯，走到第二层的楼梯处时记录测量得到高度数据后可继续从二层楼梯处走到三层楼梯处再次记录高度数据，继续从三层楼梯处走到四层楼梯处记录高度数据；
[0062]
表3室内100米定位实验数据对比
[0063][0064]
表3为室内100米定位实验数据对比，选取了三种室内建筑，分别为：室内走廊、地下车库、大型商场等比较常见的室内环境，4位测试人员分别在三种室内环境中进行直线走动100米，软件将实时进行行人位置跟踪距离比较。
[0065]
本发明又提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。
[0066]
本发明继续提供了一种室内行人状态感知与定位跟踪设备，包括上述的室内行人状态感知与定位跟踪系统或者上述的存储有计算机程序的计算机可读存储介质。还包括惯性测量器，惯性测量器的型号为adis16488a。
[0067]
本发明中处理能够对室内人员的轨迹进行分析外还增加了室内人员的运动状态感知系统，实时的掌握了人员的所处楼层、运动姿态。本发明表现的更加全面、具体、多样化。
[0068]
本发明详细的说明了室内行人的运动姿态检测的实现方式并且还增加了室内行人楼层判定信息的功能，本发明表现的更加全面、具体。
[0069]
本发明在步长估算中采用比较经典的非线性步长估算模型，并对其进行了一定的修正，有效降低了步态检测的误差，提高了步长估算精度。
[0070]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌
入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
[0071]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
[0072]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。