《電子技術(shù)應(yīng)用》
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帶足距輔助的雙慣導(dǎo)行人導(dǎo)航硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
周路旸1,,2,3,,胡一恭2,,武元新2,,3
1.中南大學(xué) 航空航天學(xué)院,,湖南 長(zhǎng)沙410083,;2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,,上海200240,; 3.上海市北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,,上海200240
摘要: 針對(duì)高精度行人室內(nèi)自主導(dǎo)航與定位的應(yīng)用需求,設(shè)計(jì)了集成Arduino和Xsens Awinda慣性測(cè)量套件的可穿戴式人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量設(shè)備原型,。該系統(tǒng)穿戴方便,,可靠性高,實(shí)現(xiàn)了雙足IMU信息與足間距離的同步測(cè)量,,支持?jǐn)?shù)據(jù)的無線傳輸,、遠(yuǎn)程保存與分析。足間距離通過改造的雙SRF10超聲波測(cè)距模塊進(jìn)行連續(xù)采集,,并結(jié)合雙足慣性測(cè)量數(shù)據(jù)使用零速檢測(cè)算法得到步行步態(tài)規(guī)律,,有助于提高行人慣性導(dǎo)航定位精度。
中圖分類號(hào): TP274
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.175175
中文引用格式: 周路旸,,胡一恭,,武元新. 帶足距輔助的雙慣導(dǎo)行人導(dǎo)航硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,,44(7):89-93.
英文引用格式: Zhou Luyang,,Hu Yigong,Wu Yuanxin. Dual-INS pedestrian navigation system design with foot distance measuring[J]. Application of Electronic Technique,,2018,,44(7):89-93.
Dual-INS pedestrian navigation system design with foot distance measuring
Zhou Luyang1,,2,3,,Hu Yigong2,,Wu Yuanxin2,3
1.School of Aeronautics and Astronautics,,Central South University,,Changsha 410083,China,; 2.School of Electronic Information and Electrical Engineering,,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,,China,; 3.Shanghai Key Lab of Navigation and Location Services,Shanghai 200240,,China
Abstract: In order to meet the application requirements of high-precision pedestrian autonomous navigation and indoor positioning, a prototype of wearable human motion measurement system integrating Arduino and Xsens Awinda inertial measurement kit is designed. The device is convenient to wear and highly reliable which is capable of simultaneous measurement of feet inertial information and the feet range. The function of wireless data transmission, remote storage and analysis is also supported. The gait pattern is obtained by zero-velocity detection algorithm using the inertial data, the feet range information is continuously measured by modified SRF10 ultrasonic range finder, which is supposed to improve the accuracy of inertial navigation and positioning.
Key words : inertial measurement unit; indoor positioning; wearable device; ultrasonic ranging; foot range

0 引言

    目前,,自主導(dǎo)航技術(shù)主要依靠空間與時(shí)間上的步態(tài)參數(shù),結(jié)合生物學(xué)特征進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)與導(dǎo)航定位,。一種思路是利用傳感器測(cè)量目標(biāo)部位的運(yùn)動(dòng)信息,通過分析人員行走時(shí)的信號(hào)特性來估計(jì)運(yùn)動(dòng)特征確定步頻,、步幅,,與航向測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合得到運(yùn)動(dòng)軌跡,不足之處在于針對(duì)實(shí)際行走過程中多變狀況難以保持持續(xù)的高信號(hào)識(shí)別率,。另一種思路是檢測(cè)腳部著地時(shí)的零速度狀態(tài),,并將零速值作為卡爾曼濾波的觀測(cè)值,修正慣導(dǎo)解算誤差,。人在步行時(shí),,雙足的著地時(shí)間較短,因此輔助作用有限,。而且零速狀態(tài)檢測(cè)方式對(duì)陀螺儀輸出誤差修正的作用有限,,隨時(shí)間推移會(huì)造成步行軌跡的較大偏差。

    足間距離是一個(gè)可用的導(dǎo)航輔助信息,。目前此思路的研究工作主要分為3個(gè)方向:(1)通過跟蹤雙足距離標(biāo)定兩個(gè)陀螺零偏,,從而約束方位漂移,其中足間距的確定使用的是超聲波收發(fā)器[1],;(2)在算法中設(shè)定雙足間的距離閾值約束來減少航向誤差[2-4],;(3)使用單發(fā)多收的思路,分別在雙足布置多個(gè)超聲波收發(fā)器,,通過不同位置接收器的時(shí)間差得出腳步的位移信息和姿態(tài)信息[5],。

    本文以此思路為出發(fā)點(diǎn),,設(shè)計(jì)了以Arduino開發(fā)平臺(tái)和Xsens Awinda MTw慣性傳感器為核心的可穿戴式人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量設(shè)備原型,實(shí)現(xiàn)了慣性信息和足間距離信息的連續(xù),、同步測(cè)量,。

1 系統(tǒng)原理

    使用微機(jī)電慣性測(cè)量單元(MEMS Inertial Mesurement Unit,MEMS IMU)測(cè)量雙足運(yùn)動(dòng)過程中安裝位置的慣性數(shù)據(jù),。系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)目標(biāo)滿足4個(gè)要點(diǎn):(1)在實(shí)際步態(tài)條件下實(shí)時(shí)測(cè)量雙足間的距離,,要求數(shù)據(jù)準(zhǔn)確穩(wěn)定,數(shù)據(jù)反饋靈敏,;(2)各傳感器測(cè)量信息同步采集,;(3)自動(dòng)保存與處理數(shù)據(jù);(4)設(shè)備便攜易用,,方便穿戴,。本系統(tǒng)硬件搭配思路如圖1所示。

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    使用兩個(gè)超聲波測(cè)距模塊測(cè)量雙足在任意相對(duì)位置時(shí)的距離,,超聲波數(shù)據(jù)發(fā)送端負(fù)責(zé)測(cè)距,,每隔一定周期將數(shù)據(jù)無線傳輸至超聲波數(shù)據(jù)接收端。另一方面,,雙足慣性運(yùn)動(dòng)信息通過中控單元同步采集并傳送至計(jì)算機(jī)端,。計(jì)算機(jī)端結(jié)合控制時(shí)序得到各傳感器的同步測(cè)量信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 Xsens MTw Awinda套件

    Xsens MTw Awinda慣性測(cè)量開發(fā)套件包括數(shù)據(jù)中控單元Awinda Station和多個(gè)慣性傳感器MTw,?;贗EEE 802.15.4的無線Awinda Protocol確保數(shù)據(jù)傳輸至Awinda Station。各MTw單元間數(shù)據(jù)采集同步誤差小于10 μs,。單元內(nèi)部采樣率為1 800 Hz,。Awinda Station包括4個(gè)BNC同步I/O端口,其中兩個(gè)同步輸出端口Sync Out Line1和Sync Out Line2向外部發(fā)送控制信號(hào),,控制信號(hào)源自Awinda Station采數(shù)時(shí)內(nèi)部數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換(Frame Transition),,表示每個(gè)計(jì)算周期數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換結(jié)束的時(shí)刻。

    MT Manager是與MTw Awinda的交互控制界面,,使用內(nèi)置消息終端(Device Message Terminal)監(jiān)視慣性傳感器信息,,可以設(shè)置MTw的無線更新率和Awinda Station的同步信號(hào)觸發(fā)方式。

    從大量文獻(xiàn)看,,多數(shù)以MEMS IMU為基礎(chǔ)的行人導(dǎo)航定位研究均以Xsens慣性運(yùn)動(dòng)傳感器作為測(cè)量平臺(tái),。

2.2 測(cè)距控制板

    本設(shè)備使用兩個(gè)Arduino開發(fā)板作為核心控制模塊。一個(gè)作為超聲波數(shù)據(jù)測(cè)量與發(fā)送端,,負(fù)責(zé)超聲波數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送,,隨身攜帶。另外一個(gè)作為超聲波數(shù)據(jù)接收端,與Awinda Station數(shù)據(jù)同步,。

2.3 測(cè)距模塊

    針對(duì)足間測(cè)距場(chǎng)景要求,,本設(shè)備采用超聲波測(cè)距方式進(jìn)行測(cè)量。Devantech SRF10測(cè)距范圍為3 cm~6 m,,精度1 cm,,具備濾波降噪功能,探頭波束角72°,,包括400ST100發(fā)射探頭,、400SR100接收探頭和控制電路3個(gè)主要部分,數(shù)據(jù)間通過I2C協(xié)議通信,。對(duì)連接同一I2C總線上的SRF10須配置不同I2C地址,。須注意Arduino和SRF10的I2C地址轉(zhuǎn)換。

    通過SRF10寄存器可以修改測(cè)距范圍和模擬增益,,合適的參數(shù)可以減少測(cè)量誤差,。增益調(diào)整得越大,接收微弱回波的敏感度越大,。

    為適應(yīng)正常步態(tài)條件下對(duì)步距的實(shí)時(shí)測(cè)量,,延長(zhǎng)SRF10發(fā)射探頭與控制芯片的連接,改造為對(duì)射式超聲波模塊,。使用激光測(cè)距標(biāo)定測(cè)量誤差,,實(shí)測(cè)距離與真實(shí)距離關(guān)系如圖2所示,在真實(shí)距離小于20 cm時(shí),,實(shí)測(cè)值偏差較大,。

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    超聲波測(cè)距模塊的方向性測(cè)試如圖3所示,經(jīng)改造的SRF10在收發(fā)探頭之間相對(duì)角度為50°以內(nèi)時(shí)能得到較好的測(cè)距結(jié)果,。兩個(gè)經(jīng)過改造的測(cè)距模塊在安裝時(shí)分離一定角度,測(cè)距示意如圖4所示,,測(cè)距模塊探頭之間的夾角為α,。進(jìn)行多次預(yù)測(cè)試,當(dāng)步距范圍為10 cm~100 cm時(shí),,夾角α調(diào)整為60°~100°能保證人員行走時(shí)的正常采數(shù),。本系統(tǒng)平臺(tái)中,夾角α設(shè)置為90°,。

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    I2C總線中SCL和SDA均使用阻值為1.8 kΩ的上拉電阻鉗位在高電平,,SRF10的SCL與SDA引腳分別與Arduino模擬引腳A5與A4連接,兩個(gè)SRF10并聯(lián),,作為I2C總線的從機(jī),。模塊發(fā)送超聲波采集數(shù)據(jù)時(shí),I2C的SDA被拉高,保證數(shù)據(jù)傳輸,,當(dāng)?shù)玫綔y(cè)距結(jié)果后,,SRF10再次響應(yīng)I2C總線,這一點(diǎn)對(duì)確定系統(tǒng)時(shí)延和實(shí)現(xiàn)同步操作非常重要,。

2.4 無線傳輸模塊

    nRF24L01是GFSK單片射頻收發(fā)芯片,,工作頻段為2.4~2.5 GHz ISM,通過SPI接口選擇頻道和設(shè)置協(xié)議,,SPI接口按主從方式工作,,全雙工模式,以同步時(shí)鐘節(jié)拍傳輸無線數(shù)據(jù),,串行數(shù)據(jù)流中信號(hào)碼元間相對(duì)位置固定,。上電后通過CE接口配置模塊,本設(shè)備使用增強(qiáng)型ShockBurstTM模式控制數(shù)據(jù)的應(yīng)答和重發(fā)功能,。

    兩個(gè)nRF24L01分別作為發(fā)送端與接收端,,每一周期采集的兩組測(cè)距信息同時(shí)遠(yuǎn)程傳輸,數(shù)據(jù)實(shí)際大小為8 B,。

2.5 目標(biāo)設(shè)備的硬件改造與搭配

    系統(tǒng)硬件構(gòu)成示意圖如圖5所示,。

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    本設(shè)備使用TI TXS0108E雙向電平轉(zhuǎn)換芯片保證模塊間正常通信,其最大數(shù)據(jù)速率為110 Mb/s(推挽),、1.2 Mb/s(開漏),。芯片A端口跟蹤VCCA引腳電源電壓,連接3.3 V電壓值引腳,。B端口跟蹤VCCB引腳電源電壓,,連接5 V電壓值引腳。輸出使能OE引腳輸入高電平,。

    硬件結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集,、接收與處理幾部分。經(jīng)改造的對(duì)射式SRF10超聲波測(cè)距模塊收發(fā)探頭分別安裝于不同的Xsens MTw之上,,探頭間連線繞過身體軀干由魔術(shù)扣固定,,Xsens MTw置于鞋面。自行設(shè)計(jì)的安裝組件具備調(diào)整發(fā)射與接收探頭之間角度的功能,。MTw的坐標(biāo)系示意和設(shè)備安裝情況如圖6所示,,ck4-t5-x1.gif分別表示MTw的加速度計(jì)和陀螺儀輸出的3個(gè)投影軸。

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3 數(shù)據(jù)采集與處理流程

    系統(tǒng)主要工作流程為:設(shè)備的穿戴與安裝,、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)與數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)無線傳輸、數(shù)據(jù)融合,、數(shù)據(jù)保存與處理,。圖7所示為設(shè)備數(shù)據(jù)采集與傳遞流程,。采集的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)無線傳輸至超聲波數(shù)據(jù)接收端和IMU數(shù)據(jù)接收端,計(jì)算機(jī)同時(shí)接收具有時(shí)間戳的超聲波測(cè)距信息以及IMU慣性運(yùn)動(dòng)參數(shù)信息,,進(jìn)行同步處理和數(shù)據(jù)解算,。

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    圖8所示為MT Manager同步信號(hào)觸發(fā)方式設(shè)置,Awinda Station通過Sync Out Line1向外部發(fā)送上升沿同步信號(hào),,發(fā)送周期為10 ms,,與IMU數(shù)據(jù)更新周期相同,信號(hào)脈沖寬度為1 ms,。Awinda Station從給出指令啟動(dòng)記錄時(shí)開始數(shù)據(jù)采集與計(jì)算,,使用Interval Transition Recording同步方式確保準(zhǔn)確得到數(shù)據(jù)記錄期間Awinda Station的系統(tǒng)時(shí)鐘。

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    一方面,,超聲波數(shù)據(jù)接收端Arduino對(duì)每一幀Awinda Station的同步輸出上升沿信號(hào)使用內(nèi)部中斷進(jìn)行計(jì)數(shù),,實(shí)現(xiàn)采集時(shí)間的精確同步,同步精度達(dá)到1 ms,。一旦接收到兩個(gè)超聲波測(cè)距數(shù)據(jù),,則將測(cè)距數(shù)值與此刻的計(jì)數(shù)結(jié)果同時(shí)輸出,得到原始數(shù)據(jù),。超聲波數(shù)據(jù)接收端Arduino程序流程圖如圖9所示,。兩塊MTw無線慣性傳感器的慣性數(shù)據(jù)更新頻率為100 Hz。另一方面,,Awinda Station將采集得到的慣性數(shù)據(jù)輸出至計(jì)算機(jī),,文件中包含MTw各傳感器輸出(Sensor Component Readout)。

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    SRF10以ms為單位進(jìn)行足距數(shù)據(jù)采集,,數(shù)據(jù)處理時(shí)轉(zhuǎn)換為距離測(cè)量值,。由于兩個(gè)SRF10同時(shí)測(cè)距會(huì)造成干擾,因此將測(cè)距時(shí)間間隔設(shè)置為20 ms,,每次測(cè)距完畢時(shí)發(fā)送端將兩個(gè)測(cè)距數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸?shù)浇邮斩?,SRF10測(cè)距周期與超聲波數(shù)據(jù)發(fā)送周期均為50 ms。

    對(duì)于超聲波測(cè)距頻率的選擇,,考慮以下幾點(diǎn):(1)普通人以常速行走時(shí)一次完整的步態(tài)周期大約為1.2 s~1.8 s,,而任意一只腳離地階段時(shí)間占比約為31.8%[6];(2)基于人在各種運(yùn)動(dòng)(如行走,、跑步等)中的步幅,將模塊測(cè)距范圍設(shè)置為2 m,,測(cè)距模塊需要約5.8 ms處理數(shù)據(jù),,所以SRF10超聲波測(cè)距采數(shù)周期不能低于此時(shí)間長(zhǎng)度,調(diào)整模擬增益與模塊探測(cè)頻率和測(cè)距范圍參數(shù)相配合,;(3)超聲波測(cè)距模塊輸出頻率與Awinda Station輸出頻率設(shè)置為整數(shù)倍關(guān)系,,使數(shù)據(jù)間傳遞相配合。

    在超聲波數(shù)據(jù)發(fā)送端,SRF10在采集得到數(shù)據(jù)后需要延時(shí)一段時(shí)間(程序中設(shè)置為20 ms)才能從寄存器中讀取測(cè)量數(shù)據(jù),,通過示波器分別檢測(cè)超聲波探頭開始工作時(shí)的脈沖信號(hào)和超聲波數(shù)據(jù)接收端Arduino接收數(shù)據(jù)的脈沖信號(hào),,得到設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸過程平均時(shí)間總共需要消耗21.5 ms,多出的1.5 ms主要是無線傳輸過程所花費(fèi)的時(shí)間,,基于數(shù)據(jù)判定SRF10具體的啟動(dòng)與測(cè)距的時(shí)刻,,將測(cè)距數(shù)據(jù)與IMU數(shù)據(jù)結(jié)合,完成同步采集,。

    設(shè)備同步過程以Awinda Station內(nèi)部時(shí)鐘為基準(zhǔn),,另外超聲波測(cè)距周期最快可以調(diào)整為30 ms。

4 設(shè)備數(shù)據(jù)采集與處理

    使用兩個(gè)SRF10對(duì)人體正常步態(tài)條件下的實(shí)時(shí)足距進(jìn)行測(cè)量,,由于超聲波探頭存在波束角,,對(duì)于本設(shè)備模塊的安裝方式,同一時(shí)刻可以獲得兩個(gè)測(cè)量值,,需要在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)確定相對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)量值,。思路為結(jié)合Xsens MTw采集得到的慣性運(yùn)動(dòng)參數(shù),應(yīng)用零速檢測(cè)算法(Zero-Velocity Detection)[7]得到雙足對(duì)地保持相對(duì)靜止的時(shí)間段,,從而得到步伐運(yùn)動(dòng)規(guī)律,。

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    利用以上零速檢測(cè)算法使用此穿戴設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)試,沿直線常速(約5 km/h)行走,,選取數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度10 s,,測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖10所示。

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    圖10(a)和圖10(b)分別表示安裝在左足MTw和右足MTw測(cè)量得到的加速度計(jì)三軸輸出和使用零速檢測(cè)算法判斷得到的足部處于著地階段的狀態(tài),,據(jù)此得到雙足觸地,、著地、抬腳,、擺動(dòng)等周期步態(tài),。圖10(c)表示兩個(gè)超聲波測(cè)距模塊分別得到的測(cè)距值,由于聲波反射測(cè)距的特性,,實(shí)際測(cè)量值存在一部分野值點(diǎn),。將兩個(gè)模塊的測(cè)距結(jié)果依據(jù)步態(tài)信息進(jìn)行選擇及處理,方式如下:(1)根據(jù)慣性傳感器輸出判斷每一步運(yùn)動(dòng)方向,;(2)以步行方向?yàn)榍跋驗(yàn)槔?,正常情況下一只腳在剛觸地時(shí)刻位置位于另一只腳斜前方,依據(jù)前述模塊安裝條件,,選取此時(shí)符合此角度測(cè)量位置的模塊的測(cè)距值,;(3)對(duì)每一次步伐采取上述操作,結(jié)合雙足相對(duì)位置變化規(guī)律最終得到足間距離的實(shí)時(shí)測(cè)量值,,同時(shí)剔除部分野值點(diǎn),,得到最終測(cè)量結(jié)果如圖10(d)所示,。

5 結(jié)束語

    本系統(tǒng)集成慣性測(cè)量單元和超聲波測(cè)距傳感器可以直接實(shí)時(shí)測(cè)量得到行人運(yùn)動(dòng)過程中的雙足間距,并實(shí)現(xiàn)行人導(dǎo)航數(shù)據(jù)的同步采集,,推進(jìn)以步距作為新的行人導(dǎo)航約束條件的研究工作,,使用無線通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程保存與處理,不必隨身攜帶計(jì)算終端,,穿戴較為輕便,,數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定可靠,滿足穿戴式的人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量使用要求,。以此硬件平臺(tái)為基礎(chǔ),,進(jìn)一步工作包括:(1)針對(duì)多種步態(tài)情況采用更多超聲波測(cè)距收發(fā)模塊測(cè)量更復(fù)雜角度情況下的足距;(2)平臺(tái)整體趨向模塊化,,為完善導(dǎo)航鞋功能提供思路,,數(shù)據(jù)處理部分根據(jù)實(shí)際使用需求可移植至其他設(shè)備終端。

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作者信息:

周路旸1,2,,3,,胡一恭2,武元新2,,3

(1.中南大學(xué) 航空航天學(xué)院,,湖南 長(zhǎng)沙410083;2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,,上海200240,;

3.上海市北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200240)

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