室内环境下基于惯性/人体里程计信息的个人导航理论与方法研究

Aiming at the development requirement of ‘positioning and navigation key technologies’, based on the urgent demand for indoor precise Aiming at the urgent development requirement of “positioning and navigation key technologies”, based on the background of indoor precise pedestrian positioning and navigation in areas such as emergency rescue, intelligent urban construction, this project proposes a concept called personal odometry. On the basis of the concept, the research on theory and method of indoor pedestrian navigation based on inertia/personal odometry are carried out. The main research contents includes: human gait description based on minimal features; modeling personal odometry with high-accuracy; studying long-endurance integrated navigation theory and method based on inertia/personal odometry information. After four years of research, autonomous pedestrian navigation theory and method with low-cost and highly-accuracy performance in indoor environment will be developed, meanwhile, a pedestrian navigation principle prototype will be designed. The project gives full consideration to the difficulty and particularity of constructing personal odometry with human motion actions as the source of measurement information, and fully utilizes the human motion characteristics of “alternation and combination of static and dynamic” to correct the errors of inertial navigation system, as a result, the theories and technologies proposed in this project are brand-new research ideas for pedestrian navigation, and which provide strong theoretical and methodological support for solving the problems of autonomous pedestrian navigation with long-endurance, high accuracy and real-time feature in indoor environments.

项目面向我国“导航与位置服务核心技术”发展的迫切需求，以应急救援、智慧城市建设等室内环境下个人精确定位与导航为背景，提出了一种人体里程计的概念，开展室内环境下基于惯性/人体里程计信息的个人导航理论与方法研究。项目主要研究内容包括：基于最小特征的人体步态描述、高精度人体里程计建模、惯性/人体里程计组合长航时导航理论与方法，通过四年研究，形成低成本、高精度的室内环境下个人自主导航理论与方法，并研制出原理样机。项目充分考虑了以人体行进动作作为测量信息来源构建人体里程计的难点与特殊性，充分发掘人体行进过程中“一静一动、动静结合”的运动特征对惯性导航系统进行误差修正，是一种全新的个人导航研究思路，为解决室内环境下个人自主导航的长航时、高精度和实时性难题提供了有力的理论和方法支撑。

本项目面向我国“导航与位置服务核心技术”的迫切发展需求，以应急救援、智慧城市建设等室内环境下个人精确定位与导航为背景，开展基于惯性/人体里程计信息的个人导航理论与方法研究，克服了现有研究中人员定位系统的精度低、环境适应性差等不足，为低成本、高效能的行人室内环境下自主导航定位提供理论方法和技术支撑，对于满足我国军用和民用场景中单兵或行人导航定位的迫切需求，具有重要的战略意义和社会经济意义。.主要成果如下：.1. 行人导航传感器配置方案与人体步态描述。通过研究惯性信号特征与人体运动规律，确定了理想配置方案；针对常规步态建立了一种多条件零速区间判别方法；针对非常规步态设计了一种基于深度学习的步态识别方法，同时给出步态周期描述研究成果。.2. 多模式人体里程计模型构建。创新性地定义了人体里程计通用模型，以人体的行进动作作为信息源，通过惯性测量获得行进距离，能够有效适应步态和步频变化。.3. 行人航向估计姿态更新算法。提出了一种两级姿态更新方法，抑制铁磁干扰造成的解算误差；提出了一种改进互补滤波方法，提高基于MIMU姿态解算精度与鲁棒性；基于地磁信息与改进启发式航向漂移消除算法，设计了选择性航向修正方案，提升航向估计精度。.4. 惯性/人体里程计融合导航方法构建。根据传感器配置方法和人员行进步态的不同，构建了三种惯性/人体里程计融合导航方法，在惯性信息和里程计信息数据融合的基础上实现子系统间的互补提升，并引入气压测高和环境约束对惯导高度通道阻尼，实现了完整可靠的行人导航三维定位方案。通过半实物仿真和试验完成各类环境下的成果验证，本项目常规步态下导航方法终点定位精度达到0.6%，同时多步态混合下的导航定位精度达到2%。.申请发明专利8项，获授权5项；发表论文10篇，其中SCI收录7篇，EI收录2篇；培养研究生10名；获得国家技术发明二等奖一项，国家科技进步二等奖一项；积极参加CCC、CAC、ICGNC等学术会议，与国内外同行深入交流。