基于智能手机的惯性导航轨迹生成算法.pdf
第 4 1卷 第 5期 2 0 1 5 年 5月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Au t omat i o n V0 1 . 4 1 NO . 5 M a y 2 01 5 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 5 0 0 8 7 0 4 DOI 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 X . 2 0 1 5 . 0 5 . 0 2 1 王郑 合 . 基 于智 能手 机 的惯性 导航 轨 迹生 成算 法 [ J ] . 工矿 自动 化 , 2 0 1 5 , 4 1 5 8 7 9 0 . 基于智能手机的惯性导航轨迹生成算法 王 郑 合 昆明理 工 大学 信 息工 程 与 自动 化 学 院 ,云南 昆 明 6 5 0 5 0 0 摘要 针对传统的手机惯性导航技术存在无法精确计步和计算步长的问题 , 提 出了一种基于智能手机的 惯 性导 航轨 迹 生成 算 法 。该 算 法根 据 智能手 机 上三 轴加 速 度传 感 器捕 捉 的人 走 路 时产 生 的 三轴 加 速度 , 利 用基 于 Me a l y状 态机 的计 步 算 法计算人 所走 过 的 步 数 , 并 获得 每 一 步 的起 止 时 间戳 ; 根 据 三 轴 陀螺仪 所 获 取 的数 据及 每 一步 的起 止 时 间戳 , 结合 指 南针 读 数 , 计 算人 走过 的每 一 步所 发 生 的 方 向变化 ; 根 据 不 同步 长 的人 行 走 时所 产 生的 不 同加 速 度 , 基 于最 小二乘 法估 计人 的 步长 ; 根 据路 径起 点 的 坐标 , 结 合 步 长及 方 向 变 化 , 计 算人 走过 的每一 步相 对 于路 径起 点 的坐标 , 得 到人 的运 动轨 迹 。仿真 结 果表 明该 算 法能够 达到较 高的 惯 性 导航 精度 。 关 键 词 惯性 导航 ;导航 轨迹 ;智 能手机 ;三轴 陀螺 仪 中 图分类 号 T D6 7 / 6 5 5 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 - 0 4 3 0 0 8 5 1 网络 出版 地址 h t t p / / www. c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . TP . 2 0 1 5 0 4 3 0 . 0 8 5 1 . 0 2 1 . h t ml 收稿 日期 2 0 1 4 - 1 2 1 7 ; 修回 日期 2 0 1 5 - 0 4 1 3 ; 责任编辑 盛男 。 作者简介 王郑合 1 9 9 3 一 , 男 , 河北邢 台人 , 硕 士研究 生 , 研究方向为分布式系统和人 工智能 , E ma i l 1 5 0 6 9 9 3 3 4 6 q q . c o rn。 基 基 恒 址 幅 蝼 煤 岩 试 件 长 度 / ram 图 9 试件原始煤 岩界面及滚筒 截割轨迹对 比 4 结语 1 分 析 了采 煤机 滚筒 在 截割 过 程 中 的受 力 情 况 , 通过 分 析滚筒 的三 向受力 情 况 , 确 定振 动传 感 器 的布 置方 法 , 得 到 了不 同煤岩 试 件截 割 过程 中 z, Y , z轴 方 向的振 动 幅度 曲线 。 2 根据不 同煤 岩试 件截割 时 的振 动特性 规 律 , 构建煤岩识别 自动调高控制的模糊规则表 , 并对 P L C查 表 关键 程序 进 行 了研究 。 3 采 用基 于 振动 特性 分 析 的采 煤 机煤 岩 识 别 控制 系统 进 行相 似模 拟试 验 , 结 果表 明 , 该 系 统能 够 根据 滚筒 的振动 特 性 进 行 煤 岩 快 速 识别 , 从 而 快 速 调整 滚筒 高 度 , 最大 程度 地避 开 岩石 断层 , 并 具有 很 好 的动 态性 能 。 参 考 文 献 [1 ] [2 ] [3 ] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [ 1 O ] 季瑞 , 王 忠宾 , 关 明. 采煤机滚筒 自动调高 的液 压控制 方法[ J ] . 机床 与液压 , 2 0 1 3 , 4 1 4 1 0 0 1 0 1 . 洪 云 , 胡 绍 忠. 采 煤 机滚 筒 智 能 调高 控 制 系 统研 究 [ J ] . 煤炭技术 , 2 0 1 4 , 3 3 3 1 1 5 1 1 7 . 郝清玉 , 朱元忠 , 陈健. 基于 图像小波变换 的煤 岩界面 识别[ J ] . 工 矿 自动化 , 2 0 1 5 , 4 1 2 5 O 一 5 3 . 田子建 , 彭霞 , 苏波 . 基于机器视觉 的煤岩界 面识别研 究E J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 3 , 3 9 5 4 9 5 2 . 任芳 , 杨兆建 , 熊诗 波. 国内外煤 岩界 面识别 技术研究 动态综述 [ J ] . 煤 , 2 0 0 1 , l O 4 5 4 5 5 . 赵学雷 . 基于多传感器信 息融合 的载荷及煤岩判定 与 识别 技术研究 [ D] . 北京 中国矿业大 学 北京 , 2 011 . 王增才. 综采放顶煤开采过程煤矸识 别研究 l- J ] . 煤矿 机械 , 2 0 0 2 8 1 3 - 1 4 . 徐志鹏 . 采煤机 自适应 截割关 键技 术研究 [ D ] . 徐州 中国矿业 大学 , 2 0 1 1 . 孙继平 , 佘杰. 基 于小波 的煤岩 图像特征 抽取 与识 别 l- J ] . 煤 炭学报 , 2 0 1 3 , 3 8 1 0 1 9 0 0 1 9 0 4 . 刘俊利 , 赵豪杰 , 李长有. 基 于采 煤机滚筒截割振 动特 性 的煤 岩识别方法l- J ] . 煤 炭科学技术 , 2 0 1 3 , 4 1 1 0 9 3 95 . 8 8 工矿 自动 化 2 O 1 5年 第 4 1卷 Tr a j e c t o r y g e n e r a t i o n a l g o r i t h m o f i n e r t i a l n a v i g a t i o n b a s e d o n s ma r t p h o n e W ANG Zhe n ghe Fa c ul t y o f I nf or ma t i on En gi n e e r i ng a n d Aut o ma t i on,Kun mi ng Uni ve r s i t y of S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y,Ku n mi n g 6 5 0 5 0 0 ,Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r ob l e m t ha t t r a d i t i on a l i ne r t i a l n a v i g a t i o n t e c h no l o gy o f m o bi l e ph o ne i s u na bl e t o c a l c u l a t e s t e p s o r s t e p l e n g t h a c c u r a t e l y ,a t r a j e c t o r y g e n e r a t i o n a l g o r i t h m o f i n e r t i a l n a v i g a t i o n b a s e d o n s ma r t p ho ne wa s p ut f o r wa r d.The wa l ki n g s t e ps of pe o pl e a r e c a l c ul a t e d by us e of s t e p c o un t i n g a l go r i t hm b a s e d o n M e a l y s t a t e ma c hi ne a c c o r d i ng t o t hr e e a xi s a c c e l e r a t i ons of wa l ki ng p e opl e c a p t u r e d by t h r e e a xi s a c c e l e r a t i on s e n s o r o f s ma r t p ho ne , a nd s t a r t s t o p t i m e s t a m p of e a c h s t e p i s g ot t e n. Di r e c t i on c ha n g e of e a c h s t e p i s c a l c ul a t e d a c c or d i ng t o da t a o f t hr e e a x i s gy r o s c o pe a nd t h e s t a r t s t op t i m e s t a m p o f e a c h s t e p c o m b i ne d wi t h c o m p a s s r e a d i ng. St e p l e n gt h i s e s t i m a t e d b a s e d on t he l e a s t s q ua r e me t ho d c o ns i d e r i ng d i f f e r e n t a c c e l e r a t i o n o f wa l ki n g pe op l e wi t h d i f f e r e n t s t e p l e ng t h.Coo r di n a t e r e l a t i v e t o s t a r t i n g po i nt of e a c h s t e p i s c a l c ul a t e d on t he b a s i s o f c o o r d i n a t e o f t he s t a r t i n g p o i nt ,s t e p l e ng t h a n d di r e c t i o n c ha ng e,S O a s t o g e t mo v e me n t t r a j e c t o r y o f p e o p l e .Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s h o ws t h a t t h e a l g o r i t h m c a n a c h i e v e h i g h a c c u r a c y of i ne r t i a l n a v i g a t i o n. Ke y wo r d s i n e r t i a l n a v i g a t i o n;n a v i g a t i o n t r a j e c t o r y ;s ma r t p h o n e ;t h r e e a x i s g y r o s c o p e 0 引言 随着 矿 用 本 质安 全 型智 能 手机 的发 展 与普 及 , 当煤 矿井下 发 生突 发 性 事故 导 致 通 信 中 断时 , 利 用 惯性 导航技 术 , 通过 以下 步 骤 即可 按 照 避灾 路 线 迅 速撤出矿井 ① 运行程序 , 显示 预先保存 的煤矿井 下 巷道 平 面 图和避 灾 路线 图 , 并 设 置 平 面 图上 对 应 的当前位置为起点 ; ② 通过智能手机 的传感器采集 人员 的 运 动 数 据 , 并 根 据 算 法 生 成 人 员 的 运 动 轨 迹[ 1 ; ③ 将 生 成 的运 动轨 迹 显示 在 平 面 图上 , 从 而 得 到人 员 的 当前 位置 信息 ; ④ 对 比人 员 的位 置 和避 灾 路线 , 找 出正 确 的前 进方 向, 从 而 引导人 员迅 速撤 出矿 井 。 但传统 的手机惯 性导 航技 术存在 以下 问题 1 无法精确计步 。手机上加速度传感器的采 样频率不高, 加上人类动作的复杂性 , 造成加速度传 感 器 的读数 误差 较大 。传 统 的惯 性导 航算 法利 用 固 定 阈值 , 对 加速 度传 感 器 读数 的波 峰 或 波 谷进 行 分 析 , 判 断人 员 的行走 状态 , 从 而 完成计 步工 作 。但该 种 计 步方法 的精 度不 高 。 2 无法准确计算步长。步长是计算人员位移 的重要 参 数 , 但 步 长 的计 算 有 着 很 大 的不 确 定 性 。 传 统算 法根 据 自然科 学规律 , 直 接利用 人员 的身 高 、 体重估算一个确定的步长, 在实际应用 中会带来 巨 大 的误 差 。 鉴 此 , 本 文 提 出 了一 种基 于 智 能手 机 的惯 性 导 航 轨迹 生成 算法 , 该 算 法 通过 智 能 手 机 的传 感 器 采 集 人体 运动 参数 , 能够 准确计 算人 员 的步数 、 步长 及 方 向变 化 , 模 拟 出人 的运动 轨迹 , 从 而得 到人 员 的位 置信 息 。 1 基于 Me a l y状态机的计步算法 1 . 1获取 加速度 数据 智 能 手机 的加速 度 传感 器 有 3个返 回值 , 分 别 代表手 机在 X, y, Z轴 3个 方 向上 的加 速 度 。传 感 器坐标 系统 与屏 幕 坐标 系统 不 同 , 传感 器 坐 标 系 统 的 X 轴 沿 屏 幕 向左 , y 轴 沿 屏 幕 向上 , Z轴 垂 直 于 屏 幕 向里[ 2 ] 。 煤 矿 井下 环 境 复杂 , 需 对 获 得 的加 速度 数 据 进 行降 噪处理 。假 设 在 记 录轨 迹 过 程 中 , 手 机 保 持 水 平且屏 幕朝 上 , 则 人 员 步 行 时 , X, y 轴 方 向 的加 速 度只有 很 小 的变 化 , Z轴 方 向 的加 速 度 变 化 较 大 。 将 沿 Z轴 方 向的加速 度记 作 A 一{ a , a 。 , ⋯ , a } , 其 中 n 为第 J步 Z 轴 方 向 的 加 速 度 一 1 , 2 , ⋯ , 扎 , 然 后进 行数据 叠加 处理 来 降低 噪 声 , 并 消除 加速 度数据 受 到的重 力 加速 度 g的影 响 , 得 到处 理 后 的 加速度 口 口 z J 1 一 口 a z j 一 1一 g 1 式 中 a为待 定 系数 。 1 . 2判 断行 走状 态 人 在 进行 水 平 的 步行 运 动 时 , 垂 直 和前 进 2个 方 向的加 速 度 呈 现 周 期 性 变 化 。人 处 于 步 行 状 态 时 , 在 收腿 动作 中 由于重心 向上并 且单 脚着 地 , 此时 手机在 垂直 方 向的 加 速度 呈 现 正 向增 加 的趋 势 ; 之 2 0 1 5年第 5期 王郑合 基 于智能手机的惯性导航轨迹生成算法 8 9 后 继 续前 进 , 由于 重 心下 移 , 两 脚 触地 , 加 速 度 逐 渐 变为 反 向 。另外 , 水 平 方 向 的加 速 度 会 在 收 脚 时 减 小 , 在迈 步 时增 加 ] 。基 于 Me a l y状 态 机 的计 步 算 法包 括 的状 态 如 图 1 所 示 。 围 r . . . .j __1 H H l 网 回⋯ 1 警I 医 恒圈悃圃 图 1 基于 Me a l y状态机 的计步算法 的状 态转移 在步行运动时, 垂直方向和前进方 向所产生 的 加 速 度与 时 间的 关 系 大致 上 是 一 条 正 弦 曲线 , 而 且 在 某 个点 会有 一 个 峰值 , 其 中垂 直 方 向 的加 速 度 变 化最大。通过对加 速度 的峰值进行检测和计算 , 并 将加速度的值与阈值进行 比较 和决策 , 就 可以实时 判断工作人员的步行状态 。 1 . 3计 算步 数 由于 人 员 在 运 动 中既 可 能 会 水 平 手 持 智 能 手 机 , 也 可 能将 手机 放在 口袋或 包等 物 品 中 , 导致 无法 轻 易 确定 手机 的放 置 方 向 。为解 决 该 问题 , 首先 通 过 计算 得 出 3个 加 速 度 的 大 小 和 方 向 , 从 而 获 得 一 条 步行 运 动 的 正 弦 曲线 轨 迹 。然 后 进 行 峰 值 检 测 , 通 过 和上 一 次记 录 的加 速 度 大 小 比较 得 到加 速 度 大 小 的变化 , 可 以判 断 目前 加速 度 的方 向 , 并 和上 一 次 保存 的加 速 度方 向进 行 比较 , 如果 方 向相 反 , 表 示 刚过 峰值状 态 , 则进 入 计步 逻辑 进行 计 步 , 反 之舍 弃数据 。通过累加峰值的次数 , 便可得到人员行走 的步 数 。在 计算 步数 过程 中可能会 出现一 些 干扰情 况 , 比如 手持 手机 会 有 一 些 低 幅 度 和 快 速 的 抽 动状 态 , 可通 过 给峰值 检 测 加 上 阈值 和 步 频 判 断 来 过滤 干扰 数 据 。 最后 , 通 过 读取 手机 系统 的程 序 运行 时 间 , 获 得 人员每一步的起止时间戳 丁一 t , t 。 , ⋯, t 一 £ , t 7 , ; , t ; , ⋯ , £ , , 其 中 t , 为第 J步 的起止时 间戳 , t , t 分别为第 步的起止时问。 2计 算 方 向变 化 利 用 手机 的方 向传 感器 可 获 得 方 向数 据 , 方 向 传感器返 回的 3个角度分别表示手机顶部的朝向与 正北 方 向之 间 的夹 角 、 手 机 的顶 部 或 尾 部 翘 起 的 角 度和 手机 的左 侧 或 右侧 翘 起 的 角度 , 利 用 这 3个 角 度 即可 确定 手机 的摆放状 态 。 三 轴 陀 螺 仪 可 以捕 捉 十分 微 小 的 运 动 轨 迹 变 化 , 因此经 常被 用 来做 高分 辨 率 和 快 速 反 应 的旋 转 检测 , 但其 不能 测量 物体 当前 运 动 的方 向 。另 外 , 当 三轴 陀螺 仪运 转一 段 时 间后 , 由于 外 部 环 境 的 干扰 和三 轴 陀螺仪 捕 捉数 据 时 产 生 的噪 声 , 导 致 三 轴 陀 螺仪捕捉的加速度产生偏差 , 此 时三轴陀螺仪需借 助其他传感器进行较正l 4 ] 。三轴陀螺仪 的 r , r , r Z 分 别 为 手 机 绕 X, y, Z轴 旋 转 的角 速 度 , 逆 时针 方 向旋转 时, r , r , r 的值为正。 计算方向变化包括 以下步骤 1 记录人在行走过程中水平手持智能手机时 三轴陀螺仪所产生的数据 , 并利用数据叠加去除高 频 噪声 , 由此 得到 人 在 行走 过 程 中所 产 生 的 水 平方 向的角 速度 变 化 , 记 作 R一 { r , r , ⋯ , } , 其 中 r , 为第 J步水平 方 向的角速 度 。 2 计算 人 行走 每一 步过 程 中所 发 生 的方 向变 化 , 则 第 步过 程 中的方 向变 化为 2 3 在 人行 走过 程 的 同时记 录 手机 指南 针 的读 数 , 记作 C一 { C , C , ⋯ , c , 对 所记 录的指 南针 的读 数进行平滑处理; 获取指南针所指示 的第 J步与第 J k步之 间 的 方 向变 化 y , , 获 取 通 过 三轴 陀 螺 仪捕 捉 到 的数 据 计 算 得 到 的第 J步 与 第 J 忌步 之 问的方 向变化 y r ; 设 置 { l 一y , l l 的 角 度 阈值 , 当 l l y ; 一 川 l l 超过 该 角 度 阈值 时 , 利 用 指南 针第 尼步 指 示 的方 向对 通 过 三轴 陀 螺 仪 读 数计 算 得到 的第 J k步 的方 向变 化进 行修 正 , 并 将 修正后的数据作为人在第 J 五步的方 向。 3 基 于最小 二乘 法计 算 步长 在 智 能 手机 惯 性 导航 算 法 中 , 运 动 的距 离 由步 数 与步 长相 乘所 得 , 因此 , 每一 步步 长 的准确 度对 智 能 手机 惯 性 导 航 系 统 的 精 度 有 很 大 影 响 。 由基 于 Me a l y状态机 的计步算法 中对人步行时所产生的加 速度特征分析可知 , 人行走时步长可 由行走 时所产 生 的加 速度 估算 出来 。 基 于最 小二 乘法 计算 步 长包括 以 下步骤 1 采集 m 组不 同步 长 的人员 以规 定步 长行 走 时 所产 生 的 加 速 度 , 每 组 记 录 M 个 加 速 度 , 记 作 A 一{ a , a 2 , ⋯ , a } i 一1 , 2 , ⋯ , m , 第 i 组 加 速 度 对 应步 长 z , 记作 L一 { z , z , ⋯ , Z } 。 2 计 算 每 组 加 速 度 的 方 差 记 作 S一 { 5 , 9 0 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1 卷 S 2 , ⋯ , 5 m} 。 s 一 [ 以 1 一 。 n 2 一 ⋯ 口 M一 ] 3 式 中 为 平均 加速 度 。 3 利 用 最 小 二乘 法 对 S和 L 作 最佳 线 性 拟 合 , 得到 s 和 z 之间的对应关系 z 一 5 q / P, 其 中 户和 q为 最 佳 线 性 拟 合 系 数 , z 一q 5 , q 一 当 , 为 均 方 差, 为 平 均 步 长。 5 s 4生成 轨迹 惯 性 导航 轨 迹 生成 算 法 根据 人 的 步数 、 步 长 和 行 走方 向来计 算 人 的位 置 。 以路 径起 点坐 标 0 , 0 为原点 , 第 一1步的坐标为 一 , Y J 一 , 则第 J步 的坐标 为 J , J _厂1 Z J c o s T z r1 , Y Z s i n , ∑ 4 式 中 为第 步所 对 应 的步 长 ; y ∑ 为前 J 一 1步 内所 发 生 的 方 向变 化 之 和 , y ∑ H y y ⋯ 一 l o 5仿 真测试 与分 析 为验证本文算法的可行性, 编写测试代码并使 用 AVD An d r o i d Vi r t u a l D e v i c e , An d r o i d运 行 的 虚拟设 备 和 S e n s o r S i mu l a t o r对算法 进行仿 真测 试 。人 员在 匀 速 状 态 下 , 用 1 0 0步 走 过 约 5 0 I n距 离 , 多次测试的计算结果见表 1 。 表 1 测试结果 步数 9 9 1 0 0 9 8 9 9 9 9 距 离 / m 4 9 . 7 4 9 . 9 4 9 . 4 4 9 . 6 4 9 . 8 由表 1可知 , 本 文 算 法计 算 得 出的 结果 与实 际 数据之间仍存在一定误差 , 这主要是 由于算法在记 录并生成人员运动轨迹的过程 中, 对行走步数可能 有漏计情况 , 导致计算得出的运动距离与实际距离 之间 出现误 差 。但 算 法 的误 差 本 身 相 对 比较 稳 定 , 并 且误 差率 不 高 , 表 明算法 的可 靠性 较高 。 模 拟平 面上 的轨迹 生 成 如 图 2所 示 , 图中 的点 为经 过轨迹 生 成算法 计算 得到 的坐标 , 坐 标 O , 0 为 人员 开始 运动 的起点 , 虚 线为 实际路 径 , 实线为 经过 计算 后生成 的路径 。 妄 、 、 窿 妊 需 厘 图 2平 面轨 迹 生 成 模 拟 由图 2可知 , 经本 文算 法 运 算 后得 到 的轨 迹 与 人 员 的实际运 动轨 迹 相 比误差 很 小 , 可 作 为 人 员 的 实 际运 动轨迹 进行 导航 。 6 结语 提 出 了一种基 于智 能手 机 的惯 性导 航轨 迹生 成 算 法 。该 算 法根据 智 能手机 三轴加 速度 传感 器捕 捉 到 的人 员在走 路 时所 产 生 的 三轴 加 速 度 , 采 用 基 于 Me a l y 状态机的计步算法计算人员走过的步数 , 并 通 过智 能手 机系 统得 到 每 一 步 的起 止 时 间 戳 ; 利 用 智 能手 机 的三轴 陀螺 仪 捕 捉 到 的数 据 , 计 算 人 员 所 走 过 的每一 步所 发生 的方 向变化 ; 通 过观 察 不 同 步 长 的人 员行 走 时 所 产 生 的 不 同 加 速 度 和 步 长 的 特 征 , 分 析加 速 度 和 步 长 之 间 的关 系 , 计 算 人 员 的 步 长 ; 根 据人员 所走 路线 的起 点坐标 , 再结 合上 述计 算 所 得 的人员 步数 、 步长 以及方 向变化 , 得 到不 同时刻 人员相对于路线起点的坐标 ; 最后对这些坐标数据 进行误差修 正和数据离散 , 得 出人员 的运 动轨迹。 该算法仅需利用智能手机中集成的传感器来实现惯 性 导航 , 具有 较高 的准 确度 。 参 考 文 献 1- 1 ] 魏 崇. 基 于信 息融 合 的多传 感 器轨迹 测 量 [ D ] . 哈尔 滨 哈尔滨 工程 大学 , 2 0 1 0 1 1 0 . E z ]梁韵基 , 周兴社 , 於志文 , 等. 普适环境 室内定位系统研 究[ J ] . 计算机科学 , 2 0 1 0 , 3 7 3 1 1 2 1 1 6 . [ 3 ] 段丙涛. 基 于惯性传 感器 的机 器人运 动轨迹研 究及 实 现[ D] . 成都 电子科技大学 , 2 0 1 2 1 7 2 O . [ 4 ] 苏亚 光 , 吴亚 峰 , 索依 娜. A n d r o i d平 台下传 感 器技 术 开发计步器应用[ J ] . 电脑编程技 巧与维护 , 2 0 1 0 2 3 4O 一 46 .