基于人体下肢生物动力学模型辅助的行人导航方法研究

Personal navigation is a kind of navigation technology for determining the position and motion state of a pedestrian in real-time. It has a broad application prospect in military and civil fields. At present, the personal navigation relies mainly on global navigation satellite system (GNSS) and wireless communication technologies, and as a result the navigation performance is seriously affected in lower signal conditions. Research on personal navigation on human body motion feature shows that, human motion plays an important role in optimizing of personal navigation mechanism and system structure, and in improving the performance of personal navigation without communication conditions. Based on the biodynamic principles of human body, the project studies a personal navigation method based on motion parameters coupling model of human lower limbs. The research focuses on the key technologies including multi-body biomechanical model and motion parameters coupling mechanism of human lower limb, personal navigation mechanism and system structure design based on motion parameters coupling mechanism, distributed information system integration method based on virtual inertial navigation system and so on. And through the construction of experimental platform and system principle prototype the availability of motion parameter models and navigation method is verified.The project can be a new method for personal navigation, helping to enhance the personal navigation system's autonomy and reliability, and provide theoretical and algorithmic support for the development of personal navigation system with high precision and strong environmental adaptability.

行人导航是一种可实时确定行人位置与运动状态的导航技术，在军事与民用领域具有广阔的应用前景。目前行人导航主要依赖于卫星导航、无线通讯等定位技术，导航性能很大程度上受到信号条件的制约。利用人体运动特征辅助行人导航定位的有关研究表明，人体运动规律对于优化行人导航机理与系统结构、提高无通讯条件下的行人导航性能具有重要作用。本项目将以生物动力学为理论基础，探讨基于人体下肢运动参数耦合模型辅助的行人导航方法。项目研究将围绕人体下肢多刚体运动生物力学模型与运动参数耦合机理、基于运动耦合模型的行人导航机理与系统结构设计 、基于虚拟惯性系统的分布式信息融合方法等关键技术展开，并通过构建实验验证平台与系统原理样机验证运动参数模型与导航方法的有效性。本项目旨在突破基于生物动力学理论辅助的行人导航机理与实现方法，为增强行人导航系统的自主性与可靠性，发展环境适应能力更强、精度更高的行人导航系统奠定理论与算法基础。

行人导航是一种可实时确定行人位置与运动状态的导航技术，在军事与民用领域具有广阔的应用前景。人体运动规律对于改进行人导航机理、优化导航系统结构、提高无通讯条件下的行人导航性能具有重要作用。本项目以生物动力学为理论基础，探讨基于人体下肢运动参数耦合模型辅助的行人导航方法。.项目围绕人体下肢多刚体运动学模型与运动参数耦合模型等关键技术展开研究，完成了以下研究目标：. （1）研究了人体行走中下肢运动生物动力学特征的分析方法，建立并优化了基于人体动力学原理的下肢线运动与角运动参数耦合数学模型，提出了基于该耦合模型的惯性参数推导方法，以及人体下肢各关节质心与体表位置的虚拟惯性传感器组件的构建方法；. （2）提出了采用虚拟惯性传感组件与分布式结构的行人导航系统设计方法，研究了基于该系统设计的分布式信息融合方法，以及具有故障检测与隔离功能的系统自适应重构方法，突破了行人导航的传统系统结构与导航定位机理；. （3）基于项目设备费与部分专用材料费，购置与研制相关硬件设备，构建了人体运动耦合机理与行人导航方法的研究与实验验证平台，完成了所研究理论方法的可行性论证、导航系统的性能验证与优化等工作。. 行人导航系统原理样机的性能验证实验结果表明，微惯性传感组件安装于人体足部的行人导航系统，在电磁干扰环境中系统的导航定位误差约占行人行进距离的3.75%；基于虚拟惯性传感组件的行人导航系统在人体较高过载的行进中可有效克服测量信息超量程、冲击等因素对导航解算的影响，定位精度小于行进距离的6%；基于人机一体化智能系统的信息双向融合协同导航方法，行人导航系统定位误差约为行进距离的3.3％，移动机器人导航系统的误差积累速度降低为单独工作时的1/3。. 本项目旨在突破基于生物动力学理论辅助的行人导航机理与实现方法，为增强行人导航系统的自主性与可靠性，发展环境适应能力更强、精度更高的行人导航方法奠定理论与算法基础。