面向特种应用的可穿戴式导航系统关键技术研究
发布时间：2020-04-02 10:15
【摘要】：近年来,可穿戴式导航定位设备逐步在民用化市场得到普及,而大多数民用级便携式行人导航设备采用的是GPS卫星定位与无线通信技术相结合的定位原理,在卫星定位信号良好的空旷区域可以获得良好的定位效果,但是在大型超市、商场、隧道、丛林和山谷等卫星导航信号易受干扰或屏蔽的特种应用环境中,该类型设备的导航定位功能将受到严重影响。特别在某些特种行业领域,如井下勘探、消防救援、野外搜救等应用场景,特种作业人员携带以GPS为基础的导航定位设备在执行特定任务时,所携带的导航定位设备容易失效或者定位错误,给救援任务和特种作业带来极大的困难,严重时甚至将危及使用人员的人身安全;此外,特种作业人员在执行任务时可能出现弓步、跳跃、后退等多种复杂运动模态,所携带的导航定位设备还必须适应复杂多变的人体运动状态。为此,针对特种作业人员所处环境恶劣、运动模态复杂等特点,迫切需要研究低成本高可靠的特种应用环境下的导航技术,以满足特种作业人员的导航需求。鉴于此,论文从可穿戴式行人导航总体实现方案出发,结合特种作业任务对导航系统的性能需求,研究面向特种应用的可穿戴式导航系统关键技术。针对特种作业人员运动过程中存在多运动模态下的导航定位问题,在Hanavan 15刚体人体模型的基础上,将人体模型简化为4关节5连杆结构并进行了运动学建模;在此基础上对可穿戴式传感器的最优配置方案进行了研究,确定了传感器的足部安装位置;研究了跑步、跳跃、后退、弓步前进等多运动模态下的惯性传感器输出信息特征,提出了面向特种应用的人体多运动模态辨识方法,并验证了该方法的有效性。针对足部捷联惯性解算结果随时间发散而造成累积误差的问题,研究了人体运动时存在的零速步态的检测原理,提出了适应多运动模态的足部零速多条件综合判断方法,通过构建零速量测信息对纯捷联解算结果进行修正;针对运动过程中航向误差未得到有效修正的问题,提出了基于多运动模态辨识的惯性误差组合滤波修正方法,通过零速时刻的航向自观测建立对航向和位置误差的估计模型,有效提高了人体运动过程中的航向精度,提升了可穿戴式导航系统的定位精度。针对特种作业人员在运动过程中存在机会导航信息的可能,论文研究了基于RSSI位置指纹的Wi Fi定位算法。通过仿真和实际数据采集分别研究了影响Wi Fi信号强度值的因素以及Wi Fi信号源布局对定位精度的影响;研究了位置指纹库中的指纹特征信息,设计了基于指纹特征约束的KNN匹配定位方法以提高匹配精度;最后通过实际数据采集,验证了利用特种应用环境中的有效机会信息以提高导航精度和系统性能的可行性。为了对本文所研究的面向特种应用的可穿戴式导航系统关键技术的实际可行性,搭建了可穿戴式导航系统性能验证平台,设计了验证平台的核心模块,并结合本文所研究关键技术对可穿戴式导航系统性能进行了验证。实验表明,本文所提出的方法有助于提高可穿戴式导航系统的定位精度。论文的研究成果为面向特种应用的可穿戴式导航系统的工程实现提供了重要参考,具有较强的理论意义和工程实用价值。
【图文】：
Francisco Zampella 等人将带有 UWB 标签的 IMU 单元放置在头盔以及足部，传感器之间的最大距离不超过两米，并提出了一种基于约束滤波器的导航点估计方法，其中传感器之间的最大距离即为约束信息[17]，并使用粒子网络对行人状态的均值和协方差作近似，进而解算行人的具体位置。英国设计师 Dominic Wilcox 设计制作了一双可以指引方向的卫星导航鞋，这双导航皮鞋在鞋底嵌入卫星定位芯片，用户欲前往的目的地则通过 USB 传输线从计算机传至鞋底的芯片，导航图标分别由 LED 灯以不引人注意的方式，点状显示在双脚鞋面上。右脚鞋面的直线代表与目的地的距离，左脚鞋面则以圆形及中心点的圆心指引目的地方向，启动芯片的方式如同童话里的魔法鞋——双脚脚跟互碰，导航芯片即启动，用户脚上的鞋子也就进入导航模式，即可引导用户前往目的地，，该导航鞋轻巧实用[18]。麻省理工大学的研究员莱奈特（Lynette Jones）通过对人体皮肤对震动的敏感程度以及人体接收触摸感知信号原理的研究，研发出的可穿戴式导航设备能够发出震动。该款设备通过不同的震动方式向驾驶者传递驾驶方向的变化信号。这一设备不仅可以给驾驶者在行驶过程中提供方向提示，还可以帮助听力或视力受损的人群在行动过程中的方向感知，从而帮助人们更好地出行。该导航设备实物图如下图 1.2 所示：
Francisco Zampella 等人将带有 UWB 标签的 IMU 单元放置在头盔以及足部，传感器之间的最大距离不超过两米，并提出了一种基于约束滤波器的导航点估计方法，其中传感器之间的最大距离即为约束信息[17]，并使用粒子网络对行人状态的均值和协方差作近似，进而解算行人的具体位置。英国设计师 Dominic Wilcox 设计制作了一双可以指引方向的卫星导航鞋，这双导航皮鞋在鞋底嵌入卫星定位芯片，用户欲前往的目的地则通过 USB 传输线从计算机传至鞋底的芯片，导航图标分别由 LED 灯以不引人注意的方式，点状显示在双脚鞋面上。右脚鞋面的直线代表与目的地的距离，左脚鞋面则以圆形及中心点的圆心指引目的地方向，启动芯片的方式如同童话里的魔法鞋——双脚脚跟互碰，导航芯片即启动，用户脚上的鞋子也就进入导航模式，即可引导用户前往目的地，该导航鞋轻巧实用[18]。麻省理工大学的研究员莱奈特（Lynette Jones）通过对人体皮肤对震动的敏感程度以及人体接收触摸感知信号原理的研究，研发出的可穿戴式导航设备能够发出震动。该款设备通过不同的震动方式向驾驶者传递驾驶方向的变化信号。这一设备不仅可以给驾驶者在行驶过程中提供方向提示，还可以帮助听力或视力受损的人群在行动过程中的方向感知，从而帮助人们更好地出行。该导航设备实物图如下图 1.2 所示：
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN96
【图文】：
Francisco Zampella 等人将带有 UWB 标签的 IMU 单元放置在头盔以及足部，传感器之间的最大距离不超过两米，并提出了一种基于约束滤波器的导航点估计方法，其中传感器之间的最大距离即为约束信息[17]，并使用粒子网络对行人状态的均值和协方差作近似，进而解算行人的具体位置。英国设计师 Dominic Wilcox 设计制作了一双可以指引方向的卫星导航鞋，这双导航皮鞋在鞋底嵌入卫星定位芯片，用户欲前往的目的地则通过 USB 传输线从计算机传至鞋底的芯片，导航图标分别由 LED 灯以不引人注意的方式，点状显示在双脚鞋面上。右脚鞋面的直线代表与目的地的距离，左脚鞋面则以圆形及中心点的圆心指引目的地方向，启动芯片的方式如同童话里的魔法鞋——双脚脚跟互碰，导航芯片即启动，用户脚上的鞋子也就进入导航模式，即可引导用户前往目的地，，该导航鞋轻巧实用[18]。麻省理工大学的研究员莱奈特（Lynette Jones）通过对人体皮肤对震动的敏感程度以及人体接收触摸感知信号原理的研究，研发出的可穿戴式导航设备能够发出震动。该款设备通过不同的震动方式向驾驶者传递驾驶方向的变化信号。这一设备不仅可以给驾驶者在行驶过程中提供方向提示，还可以帮助听力或视力受损的人群在行动过程中的方向感知，从而帮助人们更好地出行。该导航设备实物图如下图 1.2 所示：
Francisco Zampella 等人将带有 UWB 标签的 IMU 单元放置在头盔以及足部，传感器之间的最大距离不超过两米，并提出了一种基于约束滤波器的导航点估计方法，其中传感器之间的最大距离即为约束信息[17]，并使用粒子网络对行人状态的均值和协方差作近似，进而解算行人的具体位置。英国设计师 Dominic Wilcox 设计制作了一双可以指引方向的卫星导航鞋，这双导航皮鞋在鞋底嵌入卫星定位芯片，用户欲前往的目的地则通过 USB 传输线从计算机传至鞋底的芯片，导航图标分别由 LED 灯以不引人注意的方式，点状显示在双脚鞋面上。右脚鞋面的直线代表与目的地的距离，左脚鞋面则以圆形及中心点的圆心指引目的地方向，启动芯片的方式如同童话里的魔法鞋——双脚脚跟互碰，导航芯片即启动，用户脚上的鞋子也就进入导航模式，即可引导用户前往目的地，该导航鞋轻巧实用[18]。麻省理工大学的研究员莱奈特（Lynette Jones）通过对人体皮肤对震动的敏感程度以及人体接收触摸感知信号原理的研究，研发出的可穿戴式导航设备能够发出震动。该款设备通过不同的震动方式向驾驶者传递驾驶方向的变化信号。这一设备不仅可以给驾驶者在行驶过程中提供方向提示，还可以帮助听力或视力受损的人群在行动过程中的方向感知，从而帮助人们更好地出行。该导航设备实物图如下图 1.2 所示：
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN96
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1 金龙;张博文;金新政;;可穿戴式智慧健康产品的人性化设计[J];智慧健康;2017年06期
2 ;“穿戴式装备”改变生活[J];财会月刊;2014年29期
3 ;美国科学家发明柔性电极[J];科学24小时;2017年05期
4 王启明;;一场穿戴式技术革命正在北美地区兴起[J];全球科技经济w
本文编号：2611815
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