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一种基于HMM的个人自主导航系统零速检测方法.pdf

摘要
申请专利号:

太阳城集团CN201310603099.X

申请日:

2013.11.26

公开号:

CN103630147A

公开日:

2014.03.12

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||著录事项变更IPC(主分类):G01C 25/00变更事项:发明人变更前:高伟 于春阳 兰海钰 周广涛 林萌萌 卢宝峰 白红美 史宏洋 赵博 姜鑫 刘博 李佳璇变更后:于飞 于春阳 兰海钰 高伟 周广涛 林萌萌 卢宝峰 白红美 史宏洋 赵博 姜鑫 刘博 李佳璇|||实质审查的生效IPC(主分类):G01C 25/00申请日:20131126|||公开
IPC分类号: G01C25/00 主分类号: G01C25/00
申请人: 哈尔滨工程大学
发明人: 高伟; 于春阳; 兰海钰; 周广涛; 林萌萌; 卢宝峰; 白红美; 史宏洋; 赵博; 姜鑫; 刘博; 李佳璇
地址: 150001 黑龙江省哈尔滨市哈尔滨工程大学42号楼126室
优先权:
专利代理机构: 代理人:
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法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN201310603099.X

授权太阳城集团号:

|||||||||

法律状态太阳城集团日:

2017.11.14|||2017.05.17|||2014.06.11|||2014.03.12

法律状态类型:

授权|||著录事项变更|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开了一种基于HMM的个人自主导航系统零速检测方法:采集个人自主导航系统微型惯性测量单元中Y轴陀螺的输出太阳城集团;利用函数将Y轴陀螺的输出太阳城集团进行初步分段,并将分段后Y轴陀螺输出值进行范围划分;将使用者一步运动时Y轴陀螺输出值进行分成段、命名,将其视为HMM过程的状态量;将一个输出范围作为HMM的一个输出,使零速检测问题转化为HMM解码问题;求出使用者一步运动过程中状态转移矩阵A及输出过程和状态过程的转换关系可以用矩阵B;利用Viterbi求取HMM的状态量Qk;利用不等式判别个人自主导航系统使用者运动过程中的零速区间。本发明检测方法问题数学化、模型化,提高了检测的精度。

权利要求书

权利要求书
1.  一种基于HMM的个人自主导航系统零速检测方法,其特征在于,包括以下步骤: 
步骤一:手持掌上电脑实时接收并存储个人自主导航系统中脚步微型惯性测量单元内Y轴陀螺仪的输出太阳城集团; 
步骤二:利用函数将个人自主导航系统中Y轴陀螺的输出太阳城集团进行初步分段并将不满足分段条件的陀螺仪输出数据舍弃; 
步骤三:利用步骤二中的分类函数将个人自主导航系统使用者行走过程中脚步一步运动时Y轴陀螺输出值分成四段,分别命名为Qk(k=1,2,3,4),Qk代表隐马尔可夫过程的四个状态量(状态1、状态2、状态3、状态4),则行人一步运动时典型的状态转换为1→2→3→4→1; 
步骤四:将步骤二中分类后的Y轴陀螺输出值进行范围划分,当连续采集到陀螺仪某类输出值点不少于X个时,将这些连续输出点组成的范围定义为Oj(j=1,2,3),并将范围Oj作为隐马尔可夫模型的输出,进而将零速检测问题转化为隐马尔可夫模型解码问题,即,在已知参数模型和观测序列的情况下,求产生此观测序列的最佳状态序列; 
步骤五:利用步骤一中采集的试验数据及公式,求出个人自主导航系统使用者一步运动过程中状态转移矩阵A,以及隐马尔可夫输出 过程Oj和状态过程Qk的转换关系矩阵B; 
步骤六:通过步骤五中得到的状态转移矩阵A和矩阵B,利用Viterbi算法求取隐马尔可夫模型的状态量Qk; 
步骤七:使用个人自主导航系统中Y轴陀螺的输出值及步骤五中得到的隐马尔可夫模型的状态量Qk,利用不等式判别个人自主导航系统使用者运动过程中的零速区间。 

2.  如权利要求1所述的一种基于HMM的个人自主导航系统零速检测方法,其特征在于,在步骤一中,X轴指向载体前进方向,Z轴垂直于载体运动方向向上,Y轴与X轴、Z轴构成右手坐标系;任意时刻k接收到的个人自主导航系统中Y轴陀螺仪的输出太阳城集团为: 
yk=ωk。 

3.  如权利要求1所述的一种基于HMM的个人自主导航系统零速检测方法,其特征在于,在步骤二中,利用分类函数: 

对Y轴陀螺仪的输出数据进行分类, 
其中,γ1和γ2为常数,0<γ1<γ2。 

4.  如权利要求1所述的一种基于HMM的个人自主导航系统零速检测方法,其特征在于,在步骤四中将Y轴陀螺仪的输出范围Oj作为隐马尔可夫模型的输出,其中,所使用的隐马尔可夫模型为: 
M=(S,V,π,F,H), 
式中,S={s1,...,sN}为模型中Markov链的一组状态,数目为N,t时刻的状态为qt∈{s1,...sN},Q为状态序列;V={v1,...,vW}为一组观测量,W为各状态对应的观测值数目,t时刻观察值为ot∈{v1,...,vW};O为观测序列,π为初始状态概率分布;F为状态转移概率矩阵;H为观测量概率分布;对于本发明中给定的隐马尔可夫模型,其S和V是可确定的,因此其模型可简化为: 
M=(π,F,H)。 

5.  如权利要求1所述的一种基于HMM的个人自主导航系统零速检测方法,其特征在于,在步骤五中,考虑到在使用者一步运动过程中,存在某一状态丢失的情况,利用分段后的Y轴陀螺仪输出数据及公式: 


得到个人自主导航系统使用者一步运动过程中状态转移矩阵A 以及可表示输出过程Ok和状态过程Qk的转换矩阵B; 
其中,aij表示从状态i转移到状态j的概率,bij表示从输出过程Oj与状态过程Qk的转换概率。 

6.  如权利要求1所述的基于隐马尔可夫模型的个人自主导航系统零速检测方法,其特征在于,在步骤六中,利用Viterbi算法求取隐马尔可夫模型的状态量Qk,其中Viterbi算法的详细步骤为: 
当已知模型M和部分观测序列为o1,o2,...,ot时,满足t时刻状态为qt=s1,使状态为q1,q2,...,qt-1的序列概率值最大值为δt(i): 

(1)初始化: 
δ1(i)=πibi(o1),1≤i≤N 

(2)递归: 

2≤t≤T,1≤j≤N 
(3)结果: 
最优总概率:
最终选定:
(4)最优状态回溯:由qt+1*反查记录,得知qt*

其中t=T-1,T-2,...,1 
(5)最优路径: 
Q*=(q1*,q2*,...,qT*,) 。

7.  如权利要求1所述的基于隐马尔可夫模型的个人自主导航系统零速检测方法,其特征在于,在步骤七中,使用个人自主导航系统中Y轴陀螺的输出值及步骤五中得到的隐马尔可夫模型的状态量Qk,利用不等式: 
(1)|yk|≤γ3,Qk-1=1,Qk=2,且0.95sk-1+0.05ek-1≤k≤0.95ek-1-0.05sk-1
(2)|yk|≤γ3,Qk-1=4,Qk=2,且0.578sk+0.422sk-1≤k≤sk
(3)|yk|≤γ3,Qk-1=3,Qk=2,且0.753sk+0.247sk-1≤k≤sk
判别个人自主导航系统使用者运动过程中的零速区间;若k满足以上三种情况之一,则k为零速区间; 
其中,不等式系数的选取由多组试验数据中sk-1与sk的比例确定的,sk和ek分别代表第k分段的开始点和结束点。 

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