基于AHRS的人体行走定位装置设计开题报告

全文总字数：4300字

1. 研究目的与意义（文献综述）

近年来，人体定位技术得到了越来越广泛的应用。目前大多数人体位置确定，都是借助全球定位系统、北斗卫星导航系统、格洛纳斯等卫星导航系统实现的。但卫星导航系统受到应用环境限制，即无法在具有较多遮挡物的位置进行定位，例如：树木茂盛的丛林、有高大建筑物遮挡的城市和室内环境等。其他常见的定位方式如基于射频识别的定位技术、基于超声波的定位技术、基于蓝牙的定位技术等，也因基础设施的布设成本和环境的复杂性在应用场景上有所局限。考虑到基于微机电（micro-electro-mechanical system，mems）技术的传感器芯片发展迅速，传感器体积不断小型化，成本逐渐降低，且测量精度满足人体定位需求。可以使用航姿参考系统（attitude and heading reference system，ahrs），对人体进行定位，且可以很大程度上克服上述定位方式的不足。

对于人体定位技术，国内外学者开展了广泛且深入的研究。国外研究人员在此领域成果颇丰。dong-ho shin等人对无线传输采用基于单向信号传播时间的距离测量技术（time of arrival，toa）进行距离计算^[1]。mao和fidan等人在往返toa算法中加入校正因子^[2]。y.t.chan提出到达时间差定位算法^[3]，具有较好的定位性能。sagawa等人提出了零速更新方法（zero-velocity updates，zupt）^[4]，研究者通过将陀螺仪和加速度计组成的系统固定到脚上，对步态参数和步长进行测量。mems传感器在此领域得到较为广泛的研究。foxlin在脚上固定mems传感器，使用zupt技术以及扩展卡尔曼滤波器^[5]，系统可以在0.3%的量级误差范围内工作。ojeda和borenstein的文章中，可以保证行走距离误差在2%以内^[6]。johan perul等人研究了对使用智能手机传感器估计行走方向建立单个惯性信号模型^[7]。yusheng wang等人首次提出了在zupt辅助行人惯性导航期间的导航误差与imu性能之间的关系，这有助于分析传感器误差的影响^[8]。yu-liang hsu等人开发了一种可穿戴的惯性行人导航系统及其相关的行人轨迹重构算法，以获取更准确的行人步行轨迹^[9]。

国内在此领域的研究起步较晚。周圆等人使用惯性传感器结合wi-fi信号，通过步态检测和方位角估计两个部分实现室内定位^[10]。袁兴中等人通过将多传感器信息进行融合，对信息融合过程中的不确定信息进行处理^[11]，从而得到最优定位结果。王金凤等人在ahrs进行人体定位的方法中，通过融合高度数据，抑制垂直方向的严重漂移，获得了较好的定位效果^[12]。贾浩男等人在捷联惯性导航原理的基础上，针对室内行人设计了相应定位算法^[13]，实现实时解算，可以保证误差在行进距离1%以内。

2. 研究的基本内容与方案

2.1设计基本内容及目标

设计基于ahrs的人体行走定位装置所需的硬件系统，并且将算法通过编程实现。使用ahrs，完成陀螺仪角度解算，编程应用零速更新算法，在标准田径场上走一圈采集ahrs数据，估算人体行走的轨迹，保证闭合误差在5%以下。

2.2技术方案及措施

2.2.1系统架构

硬件系统主要包含电源模块、微处理器模块、传感器模块和通讯模块四部分，如图1。

电源模块用来提供3.3v供电，微处理器模块完成对传感器采集到的数据进行处理和行人实时位置的解算，通过传感器模块可以获得加速度计、陀螺仪和地磁计数据，通讯模块可以将系统实时采集到的数据发送给计算机进行分析与处理。

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

[1] madgwick s o h. an efficientorientation filter for inertial and inertial/magnetic sensor arrays[d]. reportx-io and university of bristol (uk), 2010.

[2]李玉萍，基于ahrs的人体行走定位算法研究[d],武汉理工大学硕士学位论文，2017

[3] fischer c, sukumar p t, hazasm. implementing a pedestrian tracker using inertial sensors[j].