足綁式慣導利用人體行走過程中足部周期性觸地的零速修正機會獲得了可靠的行人自主定位效果。為了提高其應用的方便性，我們提出了一種基于小腿安裝慣導的航位推算方法。在用戶正常步行和非正常步行（例如側向）測試條件下，這種小腿安裝慣導的方法能夠準確地恢復用戶軌跡，獲得與足綁式慣導精度相當且更穩健的定位性能。

    基于穿戴式慣導的行人自主定位方法能夠利用低成本器件在短時間內提供高精度的位置服務。該方案不依賴預先布設的信號基站或預先測繪的定位指紋庫，是解決復雜環境下行人定位需求的主要技術手段，典型應用包括單兵作戰、消防救援、特殊人群監控、廠區人員巡檢等。其中，足綁式慣導利用行人足部周期性觸地的規律來為足部安裝的MEMS IMU提供零速修正，典型定位誤差為行走總距離的0.3%~1%，是目前最可靠的穿戴式慣導定位方法。然而，足綁式慣導通常需要特制的鞋子固定慣性傳感器，這對于普通大眾應用很不友好。

    為了解決足綁式慣導穿戴不方便的問題，團隊嘗試將傳感器安裝在小腿骨靠近膝蓋的位置(簡稱小腿慣導)，具體方式可將IMU模塊安裝在護膝的小腿部分，從而使得這種高精度高可靠的穿戴式慣導方法也能被普通大眾用戶所接受[1]。但是，由于小腿與足部的動態差異，小腿上的IMU沒有類似足部IMU的周期性觸地零速，造成現有的基于足部慣導的零速檢測和零速修正方法都不適用于這種小腿慣導。為此，團隊面向小腿慣導，借鑒GNSS/INS組合導航算法中的桿臂補償機制，設計了特殊的零速檢測方法以及零速修正方法，巧妙地解決了該問題。主要包括：

    1）零速檢測方法?？紤]到腳踝部位在足部與地面接觸時是靜止的，此時小腿繞腳踝進行定點旋轉運動(如圖1所示)?；谠撘幝?，我們通過桿臂補償方式將小腿IMU測量值投影到腳踝部位，并利用獲得的腳踝部位的加速度構造零速檢測準則，從而實現精準的腳踝部位零速區間檢測。

圖1：腳步周期內小腿與腳踝的相對位置關系。紅色方塊是小腿安裝的IMU，紅色圓圈是腳踝，橙色線段是兩者的相對位置向量。

    2）零位移增量修正。由于小腿慣導受到小腿肌肉伸縮以及人體本身動態干擾影響，通過桿臂補償方式在腳踝進行零速修正方法(類似足部慣導的零速修正方法)，將面臨定位精度明顯下降的問題。為此，基于足部觸地時腳踝位置變化量為零的假設，團隊設計了零位移增量修正方法，通過對零速區間速度積分獲得位移增量，并構造位移增量為零的觀測值。該方法通過使用速度積分后的位移增量作為觀測修正值，有效平均了各項干擾的影響，能夠獲得比零速修正更穩健的估計性能。

    本項工作總共進行了24次實驗測試，包括直線軌跡、多邊形軌跡以及非規則軌跡。圖2~4給出了測試結果，Foot-INS為足綁式慣導，Step-Shin-INS為基于腳步模型的行人航位推算方法，ZUPT-Shin-INS為基于零速修正的小腿慣導，ZPIU-Shin-INS為團隊提出的小腿慣導。從測試結果可以看到，團隊提出的小腿慣導是所有基于小腿安裝慣性器件的方案中定位性能最優，且能夠實現與足部慣導一致的定位性能。

圖2：16 次50米直線軌跡測試中的軌跡估計結果

圖3：4次多邊形軌跡測試中的軌跡估計結果

圖4：4次復雜軌跡測試中的軌跡估計結果（包括側向行走等非正常步態）

    相較于足綁式慣導，小腿慣導能夠大幅度提升安裝的便利性，對普通大眾用戶非常友好。同時，小腿慣導不與地面硬接觸，受到的動態沖擊明顯降低（特別是跑步狀態），可使用更小量程更高精度的傳感器，綜合來看小腿慣導具有更好的定位性能潛力。

    展望未來，對于普通大眾用戶而言，當低成本、高精度、方便易用的穿戴式慣導逐漸普及時，基于穿戴式慣導的人體機能監測和疾病預警等健康應用也會水到渠成，屆時將迎來一個真正的移動健康時代。

相關成果發表在IEEE Sensors Journal上，可在團隊網站(i2nav.cn)的“研究成果-學術論文”列表中下載。（Link）

參考文獻

[1]. Kuang, J., et al., Shin-INS: A Shin-Mounted IMU-based Inertial Navigation System for Pedestrian. IEEE Sensors Journal, 2023: p. 1-1