【摘要】：近年來,可穿戴式導(dǎo)航定位設(shè)備逐步在民用化市場得到普及,而大多數(shù)民用級便攜式行人導(dǎo)航設(shè)備采用的是GPS衛(wèi)星定位與無線通信技術(shù)相結(jié)合的定位原理,在衛(wèi)星定位信號良好的空曠區(qū)域可以獲得良好的定位效果,但是在大型超市、商場、隧道、叢林和山谷等衛(wèi)星導(dǎo)航信號易受干擾或屏蔽的特種應(yīng)用環(huán)境中,該類型設(shè)備的導(dǎo)航定位功能將受到嚴(yán)重影響。特別在某些特種行業(yè)領(lǐng)域,如井下勘探、消防救援、野外搜救等應(yīng)用場景,特種作業(yè)人員攜帶以GPS為基礎(chǔ)的導(dǎo)航定位設(shè)備在執(zhí)行特定任務(wù)時(shí),所攜帶的導(dǎo)航定位設(shè)備容易失效或者定位錯誤,給救援任務(wù)和特種作業(yè)帶來極大的困難,嚴(yán)重時(shí)甚至將危及使用人員的人身安全;此外,特種作業(yè)人員在執(zhí)行任務(wù)時(shí)可能出現(xiàn)弓步、跳躍、后退等多種復(fù)雜運(yùn)動模態(tài),所攜帶的導(dǎo)航定位設(shè)備還必須適應(yīng)復(fù)雜多變的人體運(yùn)動狀態(tài)。為此,針對特種作業(yè)人員所處環(huán)境惡劣、運(yùn)動模態(tài)復(fù)雜等特點(diǎn),迫切需要研究低成本高可靠的特種應(yīng)用環(huán)境下的導(dǎo)航技術(shù),以滿足特種作業(yè)人員的導(dǎo)航需求。鑒于此,論文從可穿戴式行人導(dǎo)航總體實(shí)現(xiàn)方案出發(fā),結(jié)合特種作業(yè)任務(wù)對導(dǎo)航系統(tǒng)的性能需求,研究面向特種應(yīng)用的可穿戴式導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。針對特種作業(yè)人員運(yùn)動過程中存在多運(yùn)動模態(tài)下的導(dǎo)航定位問題,在Hanavan 15剛體人體模型的基礎(chǔ)上,將人體模型簡化為4關(guān)節(jié)5連桿結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)建模;在此基礎(chǔ)上對可穿戴式傳感器的最優(yōu)配置方案進(jìn)行了研究,確定了傳感器的足部安裝位置;研究了跑步、跳躍、后退、弓步前進(jìn)等多運(yùn)動模態(tài)下的慣性傳感器輸出信息特征,提出了面向特種應(yīng)用的人體多運(yùn)動模態(tài)辨識方法,并驗(yàn)證了該方法的有效性。針對足部捷聯(lián)慣性解算結(jié)果隨時(shí)間發(fā)散而造成累積誤差的問題,研究了人體運(yùn)動時(shí)存在的零速步態(tài)的檢測原理,提出了適應(yīng)多運(yùn)動模態(tài)的足部零速多條件綜合判斷方法,通過構(gòu)建零速量測信息對純捷聯(lián)解算結(jié)果進(jìn)行修正;針對運(yùn)動過程中航向誤差未得到有效修正的問題,提出了基于多運(yùn)動模態(tài)辨識的慣性誤差組合濾波修正方法,通過零速時(shí)刻的航向自觀測建立對航向和位置誤差的估計(jì)模型,有效提高了人體運(yùn)動過程中的航向精度,提升了可穿戴式導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。針對特種作業(yè)人員在運(yùn)動過程中存在機(jī)會導(dǎo)航信息的可能,論文研究了基于RSSI位置指紋的Wi Fi定位算法。通過仿真和實(shí)際數(shù)據(jù)采集分別研究了影響Wi Fi信號強(qiáng)度值的因素以及Wi Fi信號源布局對定位精度的影響;研究了位置指紋庫中的指紋特征信息,設(shè)計(jì)了基于指紋特征約束的KNN匹配定位方法以提高匹配精度;最后通過實(shí)際數(shù)據(jù)采集,驗(yàn)證了利用特種應(yīng)用環(huán)境中的有效機(jī)會信息以提高導(dǎo)航精度和系統(tǒng)性能的可行性。為了對本文所研究的面向特種應(yīng)用的可穿戴式導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)際可行性,搭建了可穿戴式導(dǎo)航系統(tǒng)性能驗(yàn)證平臺,設(shè)計(jì)了驗(yàn)證平臺的核心模塊,并結(jié)合本文所研究關(guān)鍵技術(shù)對可穿戴式導(dǎo)航系統(tǒng)性能進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明,本文所提出的方法有助于提高可穿戴式導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。論文的研究成果為面向特種應(yīng)用的可穿戴式導(dǎo)航系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)提供了重要參考,具有較強(qiáng)的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。
【圖文】：

Francisco Zampella 等人將帶有 UWB 標(biāo)簽的 IMU 單元放置在頭盔以及足部，傳感器之間的最大距離不超過兩米，并提出了一種基于約束濾波器的導(dǎo)航點(diǎn)估計(jì)方法，其中傳感器之間的最大距離即為約束信息[17]，并使用粒子網(wǎng)絡(luò)對行人狀態(tài)的均值和協(xié)方差作近似，進(jìn)而解算行人的具體位置。英國設(shè)計(jì)師 Dominic Wilcox 設(shè)計(jì)制作了一雙可以指引方向的衛(wèi)星導(dǎo)航鞋，這雙導(dǎo)航皮鞋在鞋底嵌入衛(wèi)星定位芯片，用戶欲前往的目的地則通過 USB 傳輸線從計(jì)算機(jī)傳至鞋底的芯片，導(dǎo)航圖標(biāo)分別由 LED 燈以不引人注意的方式，點(diǎn)狀顯示在雙腳鞋面上。右腳鞋面的直線代表與目的地的距離，左腳鞋面則以圓形及中心點(diǎn)的圓心指引目的地方向，啟動芯片的方式如同童話里的魔法鞋——雙腳腳跟互碰，導(dǎo)航芯片即啟動，用戶腳上的鞋子也就進(jìn)入導(dǎo)航模式，即可引導(dǎo)用戶前往目的地，，該導(dǎo)航鞋輕巧實(shí)用[18]。麻省理工大學(xué)的研究員萊奈特（Lynette Jones）通過對人體皮膚對震動的敏感程度以及人體接收觸摸感知信號原理的研究，研發(fā)出的可穿戴式導(dǎo)航設(shè)備能夠發(fā)出震動。該款設(shè)備通過不同的震動方式向駕駛者傳遞駕駛方向的變化信號。這一設(shè)備不僅可以給駕駛者在行駛過程中提供方向提示，還可以幫助聽力或視力受損的人群在行動過程中的方向感知，從而幫助人們更好地出行。該導(dǎo)航設(shè)備實(shí)物圖如下圖 1.2 所示：

Francisco Zampella 等人將帶有 UWB 標(biāo)簽的 IMU 單元放置在頭盔以及足部，傳感器之間的最大距離不超過兩米，并提出了一種基于約束濾波器的導(dǎo)航點(diǎn)估計(jì)方法，其中傳感器之間的最大距離即為約束信息[17]，并使用粒子網(wǎng)絡(luò)對行人狀態(tài)的均值和協(xié)方差作近似，進(jìn)而解算行人的具體位置。英國設(shè)計(jì)師 Dominic Wilcox 設(shè)計(jì)制作了一雙可以指引方向的衛(wèi)星導(dǎo)航鞋，這雙導(dǎo)航皮鞋在鞋底嵌入衛(wèi)星定位芯片，用戶欲前往的目的地則通過 USB 傳輸線從計(jì)算機(jī)傳至鞋底的芯片，導(dǎo)航圖標(biāo)分別由 LED 燈以不引人注意的方式，點(diǎn)狀顯示在雙腳鞋面上。右腳鞋面的直線代表與目的地的距離，左腳鞋面則以圓形及中心點(diǎn)的圓心指引目的地方向，啟動芯片的方式如同童話里的魔法鞋——雙腳腳跟互碰，導(dǎo)航芯片即啟動，用戶腳上的鞋子也就進(jìn)入導(dǎo)航模式，即可引導(dǎo)用戶前往目的地，該導(dǎo)航鞋輕巧實(shí)用[18]。麻省理工大學(xué)的研究員萊奈特（Lynette Jones）通過對人體皮膚對震動的敏感程度以及人體接收觸摸感知信號原理的研究，研發(fā)出的可穿戴式導(dǎo)航設(shè)備能夠發(fā)出震動。該款設(shè)備通過不同的震動方式向駕駛者傳遞駕駛方向的變化信號。這一設(shè)備不僅可以給駕駛者在行駛過程中提供方向提示，還可以幫助聽力或視力受損的人群在行動過程中的方向感知，從而幫助人們更好地出行。該導(dǎo)航設(shè)備實(shí)物圖如下圖 1.2 所示：
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN96

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本文編號：2611815