張倫東，盧曉慧，李軍正，何勱航

(1.信息工程大學(xué)，鄭州 450001；2.北斗導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450001；3.中國人民解放軍91039部隊(duì), 北京 102401)

0 引言

由于人經(jīng)常在城區(qū)、樹林、室內(nèi)等區(qū)域活動(dòng)，所以對人進(jìn)行精確導(dǎo)航定位是導(dǎo)航定位技術(shù)中十分具有挑戰(zhàn)的工作[1]。目前，根據(jù)采用的手段不同，對行人進(jìn)行導(dǎo)航定位主要有三種方式：1)利用視覺對行人進(jìn)行定位。這種方式又可分為行人目標(biāo)跟蹤和行人自主導(dǎo)航定位兩種模式。行人目標(biāo)跟蹤，一般是在需要對人進(jìn)行導(dǎo)航定位的場合，安裝攝像頭等視頻設(shè)備，利用相關(guān)算法對人進(jìn)行跟蹤定位，這種方法不需要人合作，但是需要事先布置設(shè)備，限制了人的自主性；行人自主導(dǎo)航定位可通過攜帶圖像傳感器，對周圍環(huán)境進(jìn)行拍攝，經(jīng)在線計(jì)算，對行人進(jìn)行導(dǎo)航定位[2-3]，這種方法定位精度高，但是計(jì)算量大，功耗比較大，光線不好時(shí)影響定位效果。2)利用通信信號(hào)或射頻信號(hào)對人進(jìn)行導(dǎo)航定位。例如利用移動(dòng)通信基站進(jìn)行定位，以及無線射頻標(biāo)簽(Radio Frequency Identification，RFID)定位、藍(lán)牙定位、超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)定位、ZigBee定位等[4-8]。這些定位雖然采用的具體技術(shù)不同，但基本上都需要事先布設(shè)固定基站[9]，行人通過持有接收或發(fā)射的設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)航定位。3)利用微機(jī)電系統(tǒng)( Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)慣性器件對行人進(jìn)行導(dǎo)航定位。這種方法將MEMS慣性器件嵌入到行人可穿戴設(shè)備中，一般是安裝在鞋底，結(jié)合人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)對行人進(jìn)行導(dǎo)航定位。

相對于其他導(dǎo)航定位手段，基于MEMS慣性器件的行人導(dǎo)航技術(shù)不需要事先布設(shè)基站，僅依靠自身攜帶的MEMS陀螺儀、加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)等傳感器就可以完成行人的導(dǎo)航定位，具有自主性好，基本不受環(huán)境干擾的特點(diǎn)，而且功耗低，數(shù)據(jù)處理小，還可實(shí)時(shí)解算。因此，比較適合環(huán)境未知，無法提前布設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施的單兵作戰(zhàn)、消防救援、反恐等應(yīng)用領(lǐng)域。但是，這類人員工作比較特殊，除了正常行走外，更多的情況是跑步、轉(zhuǎn)向和上下樓，甚至還會(huì)出現(xiàn)跳躍和爬行等運(yùn)動(dòng)形式[10]，所以給導(dǎo)航定位算法帶來了更大的挑戰(zhàn)。潘獻(xiàn)飛等[11]對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)綜述，并展望了今后的發(fā)展趨勢。在此基礎(chǔ)上，本文首先對基于MEMS慣性器件的行人導(dǎo)航技術(shù)的基本原理進(jìn)行了介紹，然后對基于零速修正(Zero Velocity Update，ZUPT)的行人導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了闡述，最后探討了行人自主導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 基于MEMS慣性器件的行人導(dǎo)航算法

行人導(dǎo)航所用的MEMS慣性器件，要求小體積、低功耗、小質(zhì)量、低成本[10]。這樣的MEMS慣性器件性能較差，單獨(dú)進(jìn)行導(dǎo)航很難滿足行人導(dǎo)航定位的要求。但人是一步一步地行走，如果能將人行走的步數(shù)和步長探測出來，再結(jié)合航向信息，則可以采用步行航位推算(Pedestrian Dead Reckon-ing, PDR)計(jì)算行人的位置和航向，一般稱為基于步長估計(jì)的行人航位推算方法[12]。另外，人行走的時(shí)候，每走一步腳都會(huì)著地，此時(shí)腳部相對地的速度為零，如果將MEMS安裝在鞋上或者嵌入到鞋墊里，這樣結(jié)合每步著地時(shí)的零速進(jìn)行零速修正，可以對人進(jìn)行導(dǎo)航定位，一般稱為基于零速修正的行人導(dǎo)航算法[12]。

1.1 基于步長估計(jì)的行人航位推算

與航位推算的原理一樣，基于步長估計(jì)的行人航位推算原理如圖1所示[10]。如果已知初始位置，結(jié)合人行走的特征，利用陀螺儀和加速度計(jì)等數(shù)據(jù)，采用一定的步長估計(jì)模型估計(jì)人行走的步長，然后利用陀螺儀或磁強(qiáng)計(jì)測量計(jì)算的航向角，將步長分解到選定的坐標(biāo)系中，可以得到下一步人的位置。

圖1 航位推算基本原理示意圖Fig.1 The principle of PDR algorithm

在圖1中，假設(shè)初始位置S1的坐標(biāo)已知，為(x1E,y1N)；S2為行人行走一步后的位置;人行走一步的步長為d1，航向角為θ1。則人在S2處的位置可為

(1)

同樣地，在后續(xù)的導(dǎo)航定位中，只要能夠估計(jì)行人的步長和航向，就可以推算行人下一步的位置。

一般來說，PDR包括步伐檢測、步長估計(jì)、航向計(jì)算和位置更新等4個(gè)步驟，其處理過程如圖2所示[10]。步伐檢測主要包括步頻檢測和步數(shù)判斷。步頻檢測主要用來劃分人運(yùn)動(dòng)過程中的步態(tài)周期，并計(jì)算一個(gè)完整步態(tài)周期的持續(xù)時(shí)間，用于步長估計(jì)和航向計(jì)算。步數(shù)判斷則是識(shí)別人是否已完成一步這個(gè)動(dòng)作，用于位置更新。

圖2 航位推算處理過程Fig.2 The procedure of PDR algorithm

步長估計(jì)主要用來估計(jì)行人一個(gè)步態(tài)周期走過的距離，一般通過建立步長估計(jì)模型進(jìn)行步長估計(jì)。但是，不同的人步長不同，而且步長還與人的狀態(tài)、行走的環(huán)境等多種因素有關(guān)，如人是否疲勞、是否生病、是否獨(dú)行、是否攜帶東西、路上是否有障礙、地形的坡度、地形的質(zhì)地等。所以，建立比較精確的步長估計(jì)模型非常困難[10]。并且，不同的運(yùn)動(dòng)類型對應(yīng)不同的步長模型系數(shù)，如針對正常行走優(yōu)化的步長模型系數(shù)，對于跑步等運(yùn)動(dòng)形式的步長估計(jì)的就不太精確。另外，根據(jù)慣性器件不同的安裝方式，步長模型的系數(shù)也不相同。如果慣性器件不是固定的，如利用手機(jī)里的慣性器件進(jìn)行導(dǎo)航定位，則步長估計(jì)模型的系數(shù)也不一樣?？梢姡介L估計(jì)是行人航位推算算法中最為關(guān)鍵的技術(shù)，估計(jì)算法取決于慣性傳感器的安裝位置和行人的運(yùn)動(dòng)方式。

航向計(jì)算主要是利用陀螺儀和磁強(qiáng)計(jì)的數(shù)據(jù)，結(jié)合人的運(yùn)動(dòng)特征，實(shí)時(shí)計(jì)算人運(yùn)動(dòng)的航向角，進(jìn)而將人行走的每步的步長分解到相應(yīng)的坐標(biāo)系中。航向角的精度直接關(guān)系行人導(dǎo)航的導(dǎo)航定位精度。但是，由于行人導(dǎo)航采用的主要是低成本低精度的慣性器件，所以人相對真北的航向角很難求解或者精度較低，所以目前的行人導(dǎo)航一般都是相對于初始位置的相對導(dǎo)航，得到經(jīng)緯度等絕對定位的還比較少。

位置更新主要是根據(jù)估計(jì)的步長和計(jì)算的航向角推算行人的位置。推算的位置精度主要受步長估計(jì)精度和航向角計(jì)算精度的影響，并且隨著行走距離的增加，定位誤差越來越大。

行人航位推算實(shí)現(xiàn)簡單，靈活方便，器件可以安裝在腳部、腰部、手臂、胸部，或者口袋里，對安裝的位置限制較小，特別是現(xiàn)在的智能手機(jī)，大都集成了陀螺儀、加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)等傳感器。因此，PDR得到了廣泛的研究和應(yīng)用。但是，PDR受很多因素的影響，定位精度有限。而對于單兵作戰(zhàn)、消防救援和反恐等應(yīng)用領(lǐng)域，由于包含跳躍和跑步等多種運(yùn)動(dòng)模式，將該算法應(yīng)用于這些特殊領(lǐng)域還有待于進(jìn)一步深入研究。

1.2 基于零速修正的行人導(dǎo)航算法

人在行走和跑步等運(yùn)動(dòng)過程中，腳部會(huì)不斷地離開地面和接觸地面。當(dāng)腳部接觸地面時(shí)，行人的速度為零。如果將MEMS慣性器件安裝在腳部，如鞋里或者特制的鞋墊里，傳感器檢測到腳部著地時(shí)，理論上此時(shí)MEMS部件的速度應(yīng)該為零。此時(shí)，將速度零值作為觀測值進(jìn)行導(dǎo)航濾波計(jì)算，稱為基于零速修正的行人導(dǎo)航算法。由于腳部離開地面的時(shí)間比較短，所以采用零速修正，即可得到較高的導(dǎo)航定位精度。其基本原理如圖3所示[13]。

圖3 零速修正基本原理示意圖Fig.3 The principle of ZUPT algorithm

在零速修正的行人導(dǎo)航算法中，要求MEMS慣性器件安裝在腳部，這限制了很多場合的應(yīng)用。但是與行人航位推算相比，該算法比較簡單；能夠適應(yīng)多種場合；采用該算法，不同的人對導(dǎo)航定位精度的影響較小；導(dǎo)航定位精度相對較高，非常適合士兵作戰(zhàn)、消防救災(zāi)等特殊場合的應(yīng)用。

2 基于零速修正的行人導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

在零速修正的行人導(dǎo)航算法中，零速狀態(tài)檢測和絕對航向角的高精度計(jì)算是最為關(guān)鍵的技術(shù)，這是影響行人導(dǎo)航定位精度的最重要的因素。其次，如果能將人的運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行細(xì)分，根據(jù)人的運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行零狀態(tài)檢測和算法修正，導(dǎo)航定位的精度將會(huì)更高，同時(shí)還可監(jiān)測前方執(zhí)行任務(wù)的人員狀態(tài)，為復(fù)雜情況的處置提供信息。

2.1 零速狀態(tài)檢測

準(zhǔn)確檢測出行人的零速狀態(tài)是基于零速修正的行人導(dǎo)航算法的前提。在行人實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中，由于腳部的高頻振動(dòng)，由陀螺儀和加速度計(jì)的輸出數(shù)據(jù)精確地判斷零速狀態(tài)和非零速狀態(tài)非常困難。在零速狀態(tài)判斷中，行人實(shí)際上處于零速狀態(tài)，但是設(shè)計(jì)的算法沒有判斷出來，這種情況稱為漏判；行人實(shí)際上處于非零速狀態(tài)，但是設(shè)計(jì)的算法判斷為零速，稱為誤判[14]。如果發(fā)生漏判，則在本次零速修正中，參與修正的數(shù)據(jù)量比實(shí)際的數(shù)據(jù)量少，但是對于正常行走來說，這對導(dǎo)航定位的精度基本沒有影響；但對跑步來說，本來腳與地面接觸的時(shí)間就比較短，再漏判一些數(shù)據(jù)，則參與零速修正的數(shù)據(jù)量就會(huì)更少，進(jìn)而影響導(dǎo)航定位的精度。誤判是錯(cuò)誤地將非零速狀態(tài)認(rèn)為是零速狀態(tài)，用誤判的結(jié)果進(jìn)行零速修正肯定會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，并且這種誤差會(huì)一直影響后續(xù)的導(dǎo)航定位解算[14]。因此，零速狀態(tài)檢測應(yīng)遵循的基本原則是避免發(fā)生誤判，盡量減少漏判。

零速狀態(tài)檢測既可以采用加速度計(jì)的數(shù)據(jù)，也可以采用陀螺儀的數(shù)據(jù)，還可以采用加速度計(jì)與陀螺儀的組合數(shù)據(jù)。采用滑動(dòng)窗口進(jìn)行檢測，滑動(dòng)窗口為N，即采集N個(gè)數(shù)值，當(dāng)計(jì)算值滿足一定要求時(shí)就認(rèn)為處于零速狀態(tài)。J. O. Nilsson等對基于加速度閾值、角速度閾值、加速度方差以及角速度和加速度組合等四種判斷方法進(jìn)行了研究[15]。唐文杰[16]和賈錚洋[17]等分別對這四種判斷方法進(jìn)行了總結(jié)。四種零速檢測算法模型如下：

1)加速度閾值檢測法

(2)

2)角速度閾值檢測法

(3)

3)加速度方差檢測法

(4)

4)組合檢測法

Amutil=

(5)

(6)

唐文杰等[16]對四種判別方法分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)共行走了50步，四種判斷方法的效率幾乎沒有差別，但組合檢測方法的正確率最高。賈錚洋等[17]進(jìn)行了4min的行走實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明加速度閾值和加速度方差檢測方法均可檢測出每步的零速狀態(tài)區(qū)間。在定位結(jié)果方面，采用加速度方差檢測方法的定位精度最高，而采用組合檢測法的定位精度最差，這與唐文杰等得出的結(jié)論不同。潘獻(xiàn)飛等[11]和J. O. Nilsson等[15,18]認(rèn)為，在大多數(shù)情況下，組合檢測方法的效果更好。唐文杰和賈錚洋的實(shí)驗(yàn)都是在正常行走狀態(tài)下進(jìn)行的，在其他運(yùn)動(dòng)模式下的情況需要進(jìn)一步深入檢驗(yàn)。

人的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，不能一直處于行走等一種運(yùn)動(dòng)模式。對于混合運(yùn)動(dòng)模式，張健敏等[19]提出了一種多運(yùn)動(dòng)模式下的自適應(yīng)閾值零速檢測方法。該方法利用隨機(jī)森林算法對靜止、走路、跑步、上樓和下樓等5種運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行分類識(shí)別，并根據(jù)識(shí)別結(jié)果對判定閾值進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種方法可有效提高定位精度。賈錚洋等[17]提出了一種混合運(yùn)動(dòng)模式下的雙重閾值零速區(qū)間檢測算法，該方法首先利用角速度變化特性識(shí)別運(yùn)動(dòng)模式，然后根據(jù)不同運(yùn)動(dòng)模式匹配相應(yīng)的加速度和角速度閾值及時(shí)間窗口的大小，相對于固定閾值來說，定位精度可提升70%以上。為了減小誤判，田曉春等[20]提出了多條件約束的行人導(dǎo)航零速區(qū)間檢測算法，該方法采用器件輸出的模值、方差、幅值和峰值等多個(gè)條件的約束來檢測步態(tài)中的零速點(diǎn)，可有效降低誤判。

零速狀態(tài)的正確檢測非常重要，特別是對于跑步和跳躍等腳部與地面接觸時(shí)間比較短的情況，零速區(qū)間的檢測更加困難。對于跑步的運(yùn)動(dòng)模式，Sang K P等[21]提出了一種隱馬爾可夫模型來檢測零速的方法，該方法僅使用一個(gè)方向上的陀螺輸出，并且認(rèn)為無論正常行走還是跑步，一個(gè)完整的跨步都包含起步、跨步、落地、靜止4個(gè)階段，這4個(gè)階段具有一定的邏輯關(guān)系，如果檢測出2個(gè)不相鄰的狀態(tài)，則中間肯定會(huì)漏檢一個(gè)狀態(tài)。對于跑步、跳躍或快速行走等運(yùn)動(dòng)模式，由于腳接觸地面的時(shí)間比較短，同一屬性采樣值的個(gè)數(shù)比較少，利用隱馬爾可夫模型可以可靠地檢測出零速，實(shí)驗(yàn)表明在速度大約2.8m/s的步速下，該方法的零速檢測成功率可達(dá)100%。

除了利用MEMS陀螺儀和加速度計(jì)數(shù)據(jù)檢測零速區(qū)間外，還可以增加其他傳感器提高零速區(qū)間的檢測精度。O. Bebek等[22]在鞋底安裝了一組壓力傳感器，通過壓力數(shù)據(jù)可以更精確地測量零速區(qū)間，避免了零速的誤判。國內(nèi)學(xué)者也對此方法進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)證實(shí)可有效提高零速檢測的精度和成功率[23-24]。但是，增加壓力傳感器，也增加了應(yīng)用的難度。

零速狀態(tài)檢測是基于零速修正輔助的行人導(dǎo)航算法中最關(guān)鍵的技術(shù)，但精確判斷零速區(qū)間在技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)，尤其是對于跑步和跳躍等混合運(yùn)動(dòng)模式，精確檢測零速狀態(tài)還需進(jìn)一步深入研究。

2.2 絕對航向與絕對位置的獲取

潘獻(xiàn)飛等[11]分析指出，由于航向角不可觀測，零速修正不能修正航向角的漂移。又由于MEMS陀螺儀的誤差比較大，利用陀螺儀的值很難求解行人相對真北的航向角，也就是只依賴陀螺儀很難求取絕對航向角，只能求取相對于初始時(shí)刻的相對航向。從目前可查閱的文獻(xiàn)來看，無論是采用行人航位推算還是基于零速修正輔助的行人導(dǎo)航算法，導(dǎo)航定位基本上都是相對于出發(fā)點(diǎn)的相對定位，能夠給出絕對航向以及經(jīng)緯度等絕對位置的非常少。

賈錚洋等[25]提出了一種利用手機(jī)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息與足部MEMS器件解算軌跡比對求解初始絕對航向的方法。這種方法首先要在室外能夠接收衛(wèi)星信號(hào)的場合運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間，等絕對航向求解出來后再進(jìn)入室內(nèi)運(yùn)動(dòng)，這樣就可以求出人的經(jīng)緯度等絕對位置。Johann等[26]利用建筑物的方向，將人在建筑物內(nèi)的行走分為4個(gè)或8個(gè)主要方向，然后對航向進(jìn)行約束。利用磁強(qiáng)計(jì)可以計(jì)算航向角，雖然易受外界多種因素的影響，但是長期精度比較高，經(jīng)補(bǔ)償后可以與MEMS慣性器件計(jì)算的航向融合，進(jìn)而對航向進(jìn)行修正。F. Zampella等[27]根據(jù)磁場變化與航向間的變化關(guān)系，采用卡爾曼濾波估計(jì)航向誤差，進(jìn)而提高航向角的精度。國內(nèi)學(xué)者曾慶化等[28]采用區(qū)域劃分的思想，將人行走的區(qū)域劃分為緊密連接的蜂窩六邊形，利用行走的歷史信息，采用粒子濾波對航向進(jìn)行修正，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明航向修正后位置誤差可由5.3%降至1.7%。張立強(qiáng)等[29]利用準(zhǔn)靜止磁場檢測算法修正了室內(nèi)行走時(shí)的航向漂移，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，定位誤差約為行走距離的0.6%～1.6%。由于人在室內(nèi)一般是在走廊里行走或者進(jìn)行直角轉(zhuǎn)彎，也有學(xué)者提出利用建筑物的方向?qū)较蚪沁M(jìn)行修正。Khairi等[30]研究了利用樓向信息修正航向的相關(guān)方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在室內(nèi)行走24min共1557m，其位置誤差僅為4.62m。尹航[31]提出了利用室內(nèi)地圖修正航向的方法，以原始的結(jié)構(gòu)圖作為室內(nèi)地圖，采用拓?fù)浠?guī)則提取門、房間、走廊等在空間中具有固定關(guān)系的特征并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，在人行走時(shí)利用地圖匹配算法修正人的位置。

絕對航向是經(jīng)緯度等絕對位置獲取的基礎(chǔ)，在行人導(dǎo)航中，需要深入研究。目前的研究多集中在求取相對位置，與相對位置相比，求取人的經(jīng)緯度等絕對位置能更好地與衛(wèi)星導(dǎo)航相結(jié)合，更適合進(jìn)行室內(nèi)外無縫定位，而且對于士兵等執(zhí)行特殊任務(wù)的人員來說，更希望獲取經(jīng)緯度等絕對位置信息。所以，對基于足部MEMS慣性器件的行人導(dǎo)航來說，應(yīng)注重絕對航向和絕對位置信息獲取方面的研究。

2.3 運(yùn)動(dòng)模式的識(shí)別

無論基于步長估計(jì)的行人航位推算還是基于零速修正的行人導(dǎo)航算法，如果能識(shí)別出行人的運(yùn)動(dòng)模式，就可以有針對性地設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。

為了提高行人導(dǎo)航算法的魯棒性，算法中應(yīng)包含一個(gè)實(shí)時(shí)的行人運(yùn)動(dòng)模式分類系統(tǒng)，用來識(shí)別人的運(yùn)動(dòng)模式。K. Frank等[32]給出了一種典型的運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別和傳感器位置確定的方法。在該方法中，首先由傳感器輸出得到與方位無關(guān)的信號(hào)；然后用一段數(shù)據(jù)確定信號(hào)的特點(diǎn)；最后用模式識(shí)別算法，根據(jù)測量的信號(hào)特征與存儲(chǔ)的不同運(yùn)動(dòng)模式的信號(hào)特征進(jìn)行匹配，從而識(shí)別人的運(yùn)動(dòng)模式。如果傳感器固定在人身體的任何部位，則只采用3個(gè)軸向加速度計(jì)或者3個(gè)軸的陀螺儀，或者只采用水平或垂直的1個(gè)傳感器即可識(shí)別人的運(yùn)動(dòng)模式。而信號(hào)的時(shí)域特征可以采用均值、最大最小值、過零次數(shù)等，頻域特征可采用頻率峰值、幅度峰值等。識(shí)別算法多種多樣，既可以采用線性判別分類法，也可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或支持向量機(jī)等方法。但是采用模式識(shí)別方法，需要采集多種類型的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。對于同一類型的運(yùn)動(dòng)模式，不同的人信號(hào)特征也不一樣，這種方法需要的先驗(yàn)知識(shí)較多，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。在足部安裝MEMS慣性傳感器，只要安裝關(guān)系固定，不同的人行走時(shí)，同一種運(yùn)動(dòng)模式單個(gè)軸上傳感器的波形類似，出現(xiàn)最大值最小值的邏輯順序相同。基于此，張倫東等[33]提出了一種基于單軸傳感器信號(hào)特征的行人運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別方法。該方法根據(jù)不同傳感器信號(hào)特征的邏輯關(guān)系可有效判斷人的正常行走、上樓、下樓和不同方向的跌倒；再根據(jù)運(yùn)動(dòng)頻率，還可以區(qū)分正常行走和跑步。該方法比較簡單，計(jì)算量較小，但是只采用一只腳的傳感器數(shù)據(jù)不能完全識(shí)別人的運(yùn)動(dòng)模式，還需要深入研究。

3 行人導(dǎo)航發(fā)展展望

雖然國內(nèi)外學(xué)者對行人導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，提出了很多技術(shù)手段和解決方案。但是，對于環(huán)境未知的不受約束的自主行人導(dǎo)航來說，先前的單一手段還難以滿足相關(guān)需求。對于行人自主導(dǎo)航，建議以足部MEMS慣性器件為主，結(jié)合視覺傳感器等其他技術(shù)手段，根據(jù)不同的應(yīng)用，設(shè)計(jì)相應(yīng)的方案?？偟膩碚f，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)。

3.1 深入研究多傳感器組合

人的運(yùn)動(dòng)情況復(fù)雜，單靠一種導(dǎo)航技術(shù)很難滿足人的多種運(yùn)動(dòng)模式的需要。因此，可以根據(jù)不同的需求，采用多傳感器組合的方式，提高行人導(dǎo)航定位的精度，以及對多種未知場合的適應(yīng)性。

有學(xué)者利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System，INS)和UWB[34-35]組合技術(shù)對人進(jìn)行導(dǎo)航定位，取得了較好的效果。但是UWB需要事先布設(shè)，沒有充分考慮人的自主性。對人的自主導(dǎo)航來說，應(yīng)深入研究不需要事先布設(shè)就能在未知環(huán)境中進(jìn)行導(dǎo)航定位的組合導(dǎo)航技術(shù)。

首先，應(yīng)深入研究MEMS慣性器件在行人導(dǎo)航應(yīng)用中的各類影響因素，盡可能地消除各種誤差對行人導(dǎo)航定位精度的影響，提高只靠MEMS慣性器件就能進(jìn)行精確導(dǎo)航定位的能力。根據(jù)人運(yùn)動(dòng)的特性，提高導(dǎo)航定位精度的相關(guān)技巧也比較多，如在初始時(shí)刻，人總會(huì)靜止十幾秒甚至一分多鐘，此時(shí)可以利用陀螺儀和加速度計(jì)的輸出值進(jìn)行相關(guān)的誤差修正，進(jìn)而提高器件的使用精度。

其次，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用，研究相應(yīng)的組合技術(shù)。人所執(zhí)行的任務(wù)是多種多樣的，對應(yīng)的主要運(yùn)動(dòng)模式也不一樣，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用對應(yīng)的主要運(yùn)動(dòng)模式研究相應(yīng)的組合技術(shù)。例如對于大眾應(yīng)用，可采用基于智能手機(jī)里的MEMS陀螺儀和加速度計(jì)的PDR與WiFi組合[36-37]。當(dāng)沒有WiFi信息時(shí)，利用智能手機(jī)里傳感器的相關(guān)信息進(jìn)行定位；當(dāng)有WiFi信息時(shí)，則進(jìn)行組合導(dǎo)航定位，同時(shí)修正手機(jī)定位的相關(guān)誤差。而對于士兵和消防員等執(zhí)行特殊任務(wù)的人員來說，可以采用基于零速修正輔助的行人導(dǎo)航算法與視覺導(dǎo)航相結(jié)合的方法，利用視覺的高精度修正行人導(dǎo)航誤差。這種方法一方面可以進(jìn)行導(dǎo)航定位，另一方面還可以將視覺感測的信息傳遞到指控中心，便于掌握前方的態(tài)勢。

行人導(dǎo)航所用的器件精度低，應(yīng)利用人運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)盡可能地消除器件誤差，根據(jù)不同應(yīng)用采用不同的組合方案值得深入研究和探討。

3.2 精確感知人的運(yùn)動(dòng)模式

人的運(yùn)動(dòng)模式與導(dǎo)航定位的關(guān)系十分緊密。對于行人的導(dǎo)航定位來說，如果能精確感知人的運(yùn)動(dòng)模式，一方面可以有效提高人的導(dǎo)航定位精度，另一方面可以對人的運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行分類，對危險(xiǎn)的行為進(jìn)行監(jiān)控，如士兵受傷摔倒、消防員中毒摔倒等，以便于更及時(shí)、更精準(zhǔn)地進(jìn)行救護(hù)[38-43]。

Paul D.Groves[10]對人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分類，除了靜止，人的運(yùn)動(dòng)大致可分為：普通運(yùn)動(dòng)、競技運(yùn)動(dòng)、行進(jìn)等。普通運(yùn)動(dòng)又包括：步行前進(jìn)、跑步、后退、右側(cè)跨步、左側(cè)跨步、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)、上山/上臺(tái)階、下山/下臺(tái)階、站立、坐下、躺下等；競技運(yùn)動(dòng)主要包括：跑步、跳躍、爬行、攀登、閃躲等；行進(jìn)主要包括：自動(dòng)扶梯、電梯、騎自行車、坐汽車、坐火車等。

對于大部分人來說，主要進(jìn)行的是普通運(yùn)動(dòng)，而對于士兵和消防員等執(zhí)行特殊任務(wù)的來說，還有跳躍和爬行等。因此，需要深入研究人運(yùn)動(dòng)模式的精確感知，并將運(yùn)動(dòng)模式的精確感知與導(dǎo)航定位相結(jié)合，從而提高行人導(dǎo)航定位的性能。

3.3 充分利用多種條件約束

對于行人導(dǎo)航來說，應(yīng)充分利用各種約束來提高定位精度和其他性能。其實(shí)，基于零速修正輔助的行人導(dǎo)航本身就利用了人腳部著地時(shí)速度為零這個(gè)約束條件。此外，還有學(xué)者研究了建筑物信息約束、雙腳MEMS器件的距離約束、圖像約束等[44-46]。

行人導(dǎo)航的難點(diǎn)是在室內(nèi)等沒有衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的場合，如果能對建筑物進(jìn)行三維建模，利用建筑物的三維重建信息修正行人導(dǎo)航的誤差，進(jìn)而可以提高精度。武漢大學(xué)的相關(guān)團(tuán)隊(duì)對該方法進(jìn)行了初步研究和驗(yàn)證[45]，證明了該方法能夠有效提高行人的導(dǎo)航定位精度。由于行人自主導(dǎo)航需要在未知環(huán)境中也能夠方便應(yīng)用，但是對建筑物進(jìn)行三維重建需要花費(fèi)一定的時(shí)間。如果能夠根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)圖，快速進(jìn)行三維重建，并按一定的格式導(dǎo)入到行人導(dǎo)航數(shù)據(jù)的處理器中，與MEMS信息進(jìn)行融合，則能夠提高行人導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和適用性；還可以利用建筑物的三維信息引導(dǎo)人快速到達(dá)目的地，提高任務(wù)的執(zhí)行效率。

如果人與人之間能夠進(jìn)行無線通信，可以計(jì)算執(zhí)行任務(wù)的人與人之間的距離，采用單兵協(xié)同定位的方法提高行人導(dǎo)航定位的精度和適用性。潘獻(xiàn)飛等[11]對單兵協(xié)同導(dǎo)航定位的方式進(jìn)行了介紹，但是，這種方法目前仍處于初步研究階段，還需要深入研究。

不同的人員主要的運(yùn)動(dòng)模式不同，對導(dǎo)航定位的要求也不同?；贛EMS慣性器件的行人導(dǎo)航，可以首先針對運(yùn)動(dòng)模式相對單一的人員群體進(jìn)行工程應(yīng)用，在工程應(yīng)用中改進(jìn)相關(guān)的技術(shù)，然后逐步推廣，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

3.4 盡快制定行人導(dǎo)航相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

目前，從事行人導(dǎo)航定位研究的公司和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)比較多，每家的產(chǎn)品和方案都有各自的特色。即使采用同樣方案的單位，其接口和數(shù)據(jù)格式也不相同。因此，不便于形成聯(lián)盟，將行人導(dǎo)航相關(guān)產(chǎn)品做大做強(qiáng)。所以，有志于行人導(dǎo)航定位的單位應(yīng)聯(lián)合起來，盡快制定標(biāo)準(zhǔn)的接口和數(shù)據(jù)格式。這樣，一方面便于用戶能夠集成每家的優(yōu)勢模塊，形成適合用戶的產(chǎn)品；另一方面可以形成規(guī)模，更大地促進(jìn)市場，反過來進(jìn)一步促進(jìn)行人導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。

4 總結(jié)

由于人的運(yùn)動(dòng)模式復(fù)雜，給人進(jìn)行自主導(dǎo)航定位非常困難。本文在介紹了利用MEMS慣性器件進(jìn)行行人自主導(dǎo)航原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了基于零速修正的行人導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)和國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展。最后，對行人導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望，指出了應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問題和技術(shù)難點(diǎn)。目前，仍沒有一種通用的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)行人的自主導(dǎo)航定位，也缺少相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，定位精度也難以滿足行人自主導(dǎo)航定位的需求。期待不久的將來，相關(guān)技術(shù)能夠得到突破，進(jìn)而促進(jìn)行人自主導(dǎo)航的發(fā)展和應(yīng)用。