专利名称：确定刚性连接到移动元件的三轴加速计的连续位置形成的路径的特征的设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于确定由附接到移动元件的三轴加速计的连续位置形成的轨迹的特征的设备。
背景技术：
总的来说，本发明涉及运动捕获以及四处移动的个体的地理位置定位领域。运动捕获涉及一般公共应用，诸如休闲应用(交互游戏控制台、跟踪体育运动、虚拟现实或增强现实)、用于帮助行人导航的应用(目前最常用的是卫星导航系统，诸如GPS)、用于帮助弱势人群或那些因他们的环境而临时变得处于困境的人(残疾人或那些处于黑暗中的人)的行动的应用、以及健身应用(步数计、计算能量消耗或计算行驶的距离)。运动捕获还涉及医疗应用(跟踪老年人和/或受赡养的人、分析针对姿势矫正的步态或者帮助诊断)、安全或营救应用(定位着火的建筑物中消防员的位置、可操作地跟踪军人或者监视犯人)以及商业上的定向应用(对商业中心或超市中的消费者的轨迹进行统计、定义使用的原型、或者提议依赖于区域的商业服务)。众所周知，重构物体或配备物体的人的运动包括由基于卫星的导航辅助系统 (诸如室外的GPS系统)识别的以及由室内的基于超宽带(UWB)或WiFi传输的无线电定位系统识别的信号的发射器。在许多的地理区域(无论是国外还是国内)中，由于需要依赖于区域度量进行测量的(例如，在由导航辅助系统的一个或多个卫星发射的信号不可用的情况中)以及需要测量伪距离的无线电信号的阻碍，依赖于基于卫星的导航辅助或无线电定位系统的导航仍然是非常棘手的。实际上，如A. Maali, A. Ouldali, H. Mimoun和G. Baudoin在2008年5月召开白勺 3rd International Symposium on Wireless Pervasive Computing(ISffPC)会议中公开的文献"An evaluation of UffB localization under non line-of-sight (NLOS) propagation"(379-382页)中所示的那样，这些障碍或阻碍条件严重地恶化了定位信息的准确性，甚至有时致使导航辅助服务不可用。通常，上述引用的文献中的实现方式呈现了一种不适用于或者甚至消弱一般公共应用的耗费成本且庞大的基础设施。其他系统致力于通过使用通常传递惯性测量结果的姿态传感器(加速计、磁力计、陀螺仪)根据给定的离开点而计算路径。这些测量使得能够通过或多或少精确且复杂的装置来实现导航，例如在以下文献中描述的那样=Inertial head-tracker sensor fusion by a complementary separate-bias kalman filter，， (E.Foxlin), Virtual Reality Annual International Symposium, Proceedings of the IEEE 1996， 185-194 页，1996 年 3 月；"Detection of spatio-temporal gait parameters by using wearable motion sensors，，(K. Kogure、L Seon-Woo禾口K. Mase) ,Engineering in Medicine and Biology Society。IEEE-EMBS 2005，27th Annual International Conference of the，6836-6839 页，2005 年；"Pedestrian tracking with shoe-mounted inertialsensors" (Ε. Foxlin), Computer Graphics and Applications, IEEE, 25 :38-46,2005 年 11—12 月:5 "" Integration of foot-mounted inertial sensors into a Bayesian location estimation framework" (P. Robertson>B. Krach) Positioning, Navigation and Communication, WPNC 2008,5th Workshop on，55-61 页，2008 年 3 月。这些系统成本和复
杂性高，且通常缺乏准确性。视频游戏控制台(诸如Wii)使用光学和/或超声波传感器来确定游戏控制元件的轨迹。这些系统昂贵且有局限性。还存在着在用户的弧矢面中布置两个加速计和一个陀螺仪从而能够确定该平面中的传感器的姿态的系统，如以下文献中呈现的那样“Assessme nt of walking features from foot inertial sensing，，(S. Scapellato、F. Caval lo> A. M. Sabatini 禾口 C. Martelloni)，Biomedical Engineering, IEEE Transa ctions on, 486-494 页， 2005 年 3 月；或者"Multisensor approach to walki ng distance estimation with foot inertial sensing，，(D. Alvarez> A. M Lope z、J. Rodriguez-Uria、J. C. Alvarez 禾口 R. C. Gonzalez) ,Engineering in Me dicine and Biology Society,2007,EMBS 2007,29th Annual International Conference of the IEEE，5719—5722 页，2007 年 8 月。在脚的轴上对加速度进行积分。这些系统的成本降低了，但存在着其他缺陷。一方面，它们假设传感器被完美地放置在矢面中，这对用户而言实际上是几乎不可能实现的，从而导致与较差的一个或多个传感器的定位相关的估计误差。另一方面，它们假设行走发生在弧矢面中，但是例如当在路上行走时情况或许不是这样的。文献"，An innovative shoe-mounted pedestrian navigation system' (K. Fyfe> Gerard Lachapelle、R. Stirling禾口J.Collin),Proc. European Navigation Conf. (GNSS), CD-ROM, Austrian Inst, of Navigation, 2003年4月”公开了一种配备有三个加速计和用于计算传感器经历的角度的第四加速计的系统。该另一个加速计放置在同一移动元件上， 但与后者相距一定距离。因此，这两个传感器看到了相同的转动和相同的位移。这种结构能够估计以基本上恒定方向进行转动的移动元件的转速，同时不需要陀螺仪。相比于Alvarez 等人和kapellato等人提出的具有陀螺仪的系统，该系统由于用一对加速计替换了单轴陀螺仪而降低了成本。然而，这种系统呈现了与之前引用的示例相同的缺陷，因为仅考虑了与矢面正交的轴相关的转动。另外，通过一对加速计来估计转速(仅类似于陀螺仪所实现的)呈现了明显的漂移。在磁力计的帮助下还确定了方位(例如，在脚静止时)，从而给出了脚的方向而不是之前研究的位移的方向。
发明内容
本发明的目的是以降低的成本确定轨迹，以及解决上述提及的问题。根据本发明的一个方面，提供了一种用于确定在刚性附接到移动元件的三轴加速计的第一静止时刻与所述第一静止时刻之后的第二静止时刻之间由所述三轴加速计的连续位置形成的轨迹的特征的设备，所述设备还包括三轴附加传感器和控制装置，所述三轴附加传感器用于测量在与陆地参考坐标系相关的固定全局参考坐标系中第一静止时刻与第二静止时刻之间的基本恒定的矢量场的矢量，所述附加传感器刚性附接到所述移动元件并固定在加速计的参考坐标系中，其特征在于，所述控制装置包括
-第一确定装置，用于确定所述三轴加速计的所述第一静止时刻和第二静止时刻；-第二确定装置，用于基于三轴加速计传递的矢量或者基于附加传感器传递的矢量，在与所述加速计相关或与附加传感器相关的移动参考坐标系中，确定所述第一静止时刻与所述第二静止时刻之间所述三轴加速计的基本不变的转轴以及与所述基本不变的转轴正交的平面；-第一计算装置，用于在所述移动参考坐标系中，在所述连续时刻处，计算在由三轴加速计传递的矢量的平面上的或者在由附加传感器传递的矢量的平面上的第一正交投影；-第三确定装置，用于在所述连续时刻处，基于由附加传感器传递的矢量的第一正交投影，确定从所述移动参考坐标系转换到所述固定全局参考坐标系的转动；-第二计算装置，用于在所述连续时刻处，计算由所述第一计算装置在由所述三轴加速计传递的矢量的平面中提供的所述第一正交投影在所述固定全局参考坐标系中的第二正交投影；-第三计算装置，用于从所述固定全局参考坐标系中的每个第二正交投影中减去在所述连续时刻上的平均矢量，以便获得所述平面中心的加速度，避免地球引力的影响以及在所述固定全局参考坐标系中所述设备的漂移的影响；以及-第四计算装置，用于基于中心加速度来计算轨迹特征。这种设备能够以精确的方式和降低的成本来确定附接到移动元件的三轴加速计的轨迹。移动元件可以是人类身体的一部分(例如脚或手)、或者动物身体的一部分以及人造体的一部分(例如，机器人或计算机鼠标)。在下面的描述中，将针对人类身体的脚来描述本发明，但本发明能够类似地应用于任意移动元件上。在一个实现方式中，所述连续位置基本上是共面的。例如，该设备可以是用于确定在刚性附接到人类、动物或人造体的移动元件的三轴加速计的第一静止时刻与所述第一静止时刻之后的第二静止时刻之间由基本上共面的连续位置形成的轨迹的设备，所述三轴加速计相对于所述第一静止时刻与所述第二静止时刻之间的基本上恒定的方向进行转动。所述设备还包括附加传感器和控制装置，所述附加传感器用于在与陆地参考坐标系相关的固定全局参考坐标系中测量在第一静止时刻与第二静止时刻之间的基本恒定的矢量场的矢量，所述附加传感器刚性附接到所述移动元件并具有基本上平行于所述加速计的测量轴的测量轴。所述控制装置包括-第一确定装置，用于确定所述三轴加速计的所述第一静止时刻和第二静止时刻；-第二确定装置，用于基于三轴加速计传递的矢量或者基于附加传感器传递的矢量，在与所述三轴加速计相关或与附加传感器相关的移动参考坐标系中，确定在所述第一静止时刻与所述第二静止时刻之间的各种连续时刻处所述三轴加速计的轨迹的平面；-第一计算装置，用于在所述移动参考坐标系中或者在所述三轴加速计的轨迹的平面上，在所述连续时刻处，计算由三轴加速计传递的矢量的和由附加传感器传递的矢量的正交投影；-第三确定装置，用于在所述连续时刻处，基于由附加传感器传递的矢量的正交投影，确定从所述移动参考坐标系转换到所述固定全局参考坐标系的转动；-第二计算装置，用于在所述连续时刻处，计算由所述第一计算装置在由所述三轴加速计传递的矢量的平面中提供的正交投影在所述固定全局参考坐标系中的第二正交投影；-第三计算装置，用于从在所述连续时刻处由所述第二计算装置传递的矢量中减去在所述连续时刻上的平均矢量，以便获得所述三轴加速计的轨迹的平面中心的加速度， 避免地球引力的影响以及在所述固定全局参考坐标系中所述设备的漂移的影响；以及-第四计算装置，用于计算由所述第三计算装置传递的中心加速度的双重时间积分，以便获得在所述第一静止时刻与第二静止时刻之间的平面中所述三轴加速计的在所述固定全局参考坐标系中表示的轨迹。这种设备能够以精确的方式以降低的成本来确定附接到移动元件上的三轴加速计的平面轨迹的特征。因此，在一个实现方式中，所述移动元件是脚，将三轴加速计的第一静止时刻与第二静止时刻分开的时间间隔对应于脚的步速。根据一个实现方式，所述控制装置包括用于计算方向矢量的第一装置，其适用于将在所述固定全局参考坐标系中表示的三轴加速计的各个位置联系到第一静止时刻和第二静止时刻。固定全局参考坐标系中该矢量的方向给出了位移的方向及其行驶距离的长度。在一个实现方式中，轨迹的平面是垂直的，所述控制装置还包括用于针对由附加传感器测量的矢量场计算位移方位(displacement heading)的第二装置，所述第二计算装置适用于将由附加传感器测量的矢量场正交投影到与轨迹的平面正交的水平面上。如果附加传感器是磁力计，则获得了相对于北的位移方向。例如，能够在地图上绘制位移的方向或者能够给出该矢量的坐标，从而指示用户已经向哪个方向移动。在一个实现方式中，轨迹的平面是垂直的，用于确定三轴加速计的轨迹的平面的第二装置适用于在移动参考坐标系中对在连续时刻处由三轴加速计传递的矢量形成的三列矩阵进行奇异值分解，并提取与较大的两个奇异值相对应的两个矢量。该设备在平面中进行转换，并围绕基本恒定方向转动。就操作次数而言，该计算装置是健壮且低廉的。而且，与移动元件上的传感器的朝向无关。没有做出关于轨迹方向的任何假设，轨迹方向可以是任意的。在一个实现方式中，轨迹的平面是垂直的，用于确定三轴加速计的轨迹的平面的第二装置适用于在移动参考坐标系中将在连续时刻处由三轴加速计传递的矢量形成的三列矩阵的自相关矩阵分解成特征值和特征向量，并提取与较大的两个特征值相对应的两个特征向量。类似地，该设备在平面中进行转换，并围绕基本恒定方向转动。就操作次数而言， 该计算装置是健壮且低廉的。而且，与移动元件上的传感器的朝向无关。没有做出关于轨迹方向的任何假设，轨迹方向可以是任意的。根据一个实现方式，所述第二计算装置包括第五计算装置，该第五计算装置用于转换到与所述陆地参考坐标系相关的中间参考坐标系，该中间参考坐标系是由第一矢量和与所述第一矢量正交并属于所述轨迹的平面的第二矢量所定义的，所述第一矢量是由所述
9第一计算装置基于由所述附加传感器提供的矢量而传递的。因此使得要执行的计算次数最小化，因为第一矢量是可用的并且仅使用几次乘法和加法来转换到全局参考坐标系。根据一个实现方式，其中，用于确定从移动参考坐标系统转换到固定全局参考坐标系的转动的第三确定装置包括用于估计角度的估计装置，所述转换的转动是通过正交投影到基本恒定的矢量场、并且接着在三轴加速计的轨迹的平面中转动估计的角度来定义的。该估计使得能够在已知的全局参考坐标系(诸如NED或“北-东-地”参考坐标系)中定向轨迹。例如，所述估计装置适用于基于移动元件的接触面的斜率，以及由所述第五计算装置基于三轴加速计传送的矢量而传送的矢量，来估计所述角度。可以通过用于基于加速计的位置来提供移动元件的接触面的斜率的预定对应表来获得所述斜率。一旦精确地知道了所述斜率(例如在建筑物中该斜率通常为零，另一个示例是在具有恒定斜率的斜坡上行走)，该方案就是健壮的。借助于该方案，在估计的轨迹特征中，在每个静止时刻处，脚都是位于地面上的。例如，所述估计装置适用于基于所述三列矩阵的奇异值分解来估计所述角度，其中，所述三列矩阵是由所述第五计算装置基于由所述三轴加速计在所述连续时刻处传递的矢量而形成的矩阵来提供的。在这种情况中，不需要关于斜率的任何信息，任何信息都是基于信号的统计。例如，所述估计装置适用于将所述角度估计为在所述第一静止时刻或所述第二静止时刻处在由所述第一计算装置基于附加传感器提供的矢量与在由所述第一计算装置基于三轴加速计提供的矢量而传递的矢量之间的角度。在这种情况中，不需要任何映射，也不需要关于轨迹的任何假设，诸如轨迹长于它的高度。在一个实现方式中，所述控制装置包括第三装置，其用于基于所述第四计算装置提供的数据来计算所述第一静止时刻与所述第二静止时刻之间的行驶距离、和/或用于计算在将三轴加速计的两个连续的静止时刻分开的一组连续时间间隔期间的行驶距离。在三轴加速计的两个连续的静止时刻之间的行驶距离(在脚的情况下，在两个连续接地之间脚行走的距离)是容易计算的。根据一个实现方式，所述控制装置包括第四装置，其用于基于所述第四计算装置提供的数据来计算在将三轴加速计的两个连续的静止时刻分开的一组连续时间间隔期间的轨迹。本发明能够用经减少的若干次计算来计算位移期间用户的轨迹特征。在一个实现方式中，所述附加传感器是用于测量在第一静止时刻与第二静止时刻之间基本恒定的地磁场的三轴磁力计。因此例如与使用陀螺仪相比，降低了成本。根据一个实现方式，三轴加速计被布置，以便在三轴加速计的静止时刻处基本上位于移动元件的接触表面的水平处。
在这种情况中，在脚接地期间加速度实际上为零，从而改善了该设备的精确性。在一个实现方式中，附加传感器被布置，以便在三轴加速计的静止时刻处位于在与移动元件的接触表面相距一定距离的位置处。在测量地平面处的地磁场期间的扰动避免了，从而改善了该设备的精确性。根据一个实现方式，所述控制装置附接到移动元件上或者布置在与移动元件相距一定距离的位置处，并适用于实时或非实时地进行操作。可以提供一种设备，在该设备中，所述控制装置与所述移动元件一起移动或者相反，并且所述设备实时或非实时地处理信息。根据本发明的另一方面，提供了一种视频游戏系统，该系统包括视觉或听觉指示器(诸如显示器或扬声器)，其用于指示玩家采取的至少一个步速，并包括至少一个如上所述的设备。因此，能够监视指令的适当执行，并且例如能够建立得分。根据本发明的另一方面，提供了一种跳跃分析系统，其包括至少一个如上所述的设备。因此，能够估计跳跃的高度、长度、持续时间和特点。根据本发明的另一方面，提供了一种室外或室内地理位置定位系统，其包括至少一个如上所述的设备。该系统是低成本的系统，其还可以被手动初始化(用户至少指出他位于地图上的哪个位置)或用另一地理位置定位系统(GPS、UWB等)来作为辅助。在后一种情况中，所提出的系统改善了另一系统的性能或者在其不再可用时将其自身替换掉(建筑物中的示例性GPS)。根据本发明的另一方面，提供了一种用于计算用户的能量消耗的系统，其包括至少一个如上所述的设备。该设备提供了关于脚的位移的大量信息。因此，能够对在步速的持续时间期间的该信息进行积分，以便获得对能量消耗的良好的估计，其考虑了在每个时刻处脚的高度。例如，三轴加速计的轨迹特征包括三轴加速计的速率、或者三轴加速计的轨迹。根据本发明的另一方面，还提供了一种用于确定在刚性附接到移动元件的三轴加速计的第一静止时刻与所述第一静止时刻之后的第二静止时刻之间由所述三轴加速计的连续位置形成的轨迹特征的方法，还通过三轴附加传感器来在与陆地参考坐标系相关的固定全局参考坐标系中测量在第一静止时刻与第二静止时刻之间的基本恒定的矢量场的矢量，所述附加传感器刚性附接到所述移动元件并固定在加速计的参考坐标系中，所述方法包括以下步骤-确定所述三轴加速计的所述第一静止时刻和第二静止时刻；-基于所述三轴加速计传递的矢量或者基于附加传感器传递的矢量，在与所述加速计相关或与附加传感器相关的移动参考坐标系中，确定所述第一静止时刻与所述第二静止时刻之间所述三轴加速计的基本不变的转轴以及与所述基本不变的转轴正交的平面；-在所述移动参考坐标系中，在所述连续时刻处，计算在由三轴加速计传递的矢量的平面上的和在由附加传感器传递的矢量的平面上的第一正交投影；-基于由附加传感器传递的矢量的第一正交投影，在所述连续时刻处，确定从所述移动参考坐标系转换到所述固定全局参考坐标系的转动；-在所述连续时刻处，计算在由所述三轴加速计传递的矢量的平面上的第一正交投影在所述固定全局参考坐标系中的第二正交投影；-从所述固定全局参考坐标系中的每个第二正交投影中减去所述连续时刻上的平均矢量，以便获得所述平面中心的加速度，避免地球引力的影响以及在所述固定全局参考坐标系中所述设备的漂移的影响；以及-基于中心加速度来计算轨迹的特征。
通过研究以非限制性的且在附图中示出的示例的方式描述若干实现方式，将能够更好地理解本发明，其中图1示意性地示出了根据本发明一个方面的设备的实现方式；以及图2示意性地示出了根据本发明一个方面的图1中的设备的控制装置的实现方式。在一组附图中，具有相同标记的元件是类似的。
具体实施例方式如图1所示，控制模块CMD接收三轴加速计3A以及用于测量本地基本上恒定的矢量场的矢量的附加传感器传送的测量结果，在该实例中，三轴磁力计3M用于测量地磁场。 三轴加速计3A附接到移动元件EM上，并且磁力计3M也直接或间接地附接到同一移动元件 EM上，并且其测量轴基本上平行于加速计的测量轴。移动元件EM可以是例如以非限制性的方式为人类身体的脚。当然，作为一种变型，如果磁力计固定在加速计的参考坐标系中，则这两个传感器的参考坐标系通过交换矩阵联系，并且能够执行进一步的变换以便在一个传感器的参考坐标系中表示另一个传感器的参考坐标系的坐标，从而在同一个参考坐标系中使用这些传感器的测量结果的坐标。第一确定模块MDl能够基于三轴加速计3A和三轴磁力计3M传送的测量结果来确定三轴加速计的第一静止时刻、以及第二静止时刻tn之后的第一静止时刻、。当移动元件EM是脚时，静止时刻对应于脚触及接触面上。第一确定模块MDl使用的技术可以例如是在文献"Robust step detection method for pedestrian navigation systems，，(D. H. Hwang、J. H. Jang 和 J. W. Kim)，Electronics Letters, 43 (14)，2007 年 7 月中”描述的技术，其中，该文献的作者致力于在加速计的标准信号中检测与步速的典型信号相对应的基本形态。当检测到该形态，则开始时刻对应于时刻、，结束时刻对应于时刻tn。连续时刻、，t1;…&在时间上按时间先后顺序位于第一静止时刻、与第二静止时刻tn之间。各个连续时刻、，t1;对应于数字化以及源自传感器的信号的采样，随后是进行校正以取回测量到的物理量。第二确定模块MD2能够基于三轴加速计3A传递的矢量，来确定在各个连续时刻 t0,ti;…，tn处，在与三轴加速计3A相关和与三轴磁力计3M相关的移动参考坐标系LF中， 三轴加速计3A的轨迹的平面阬，圮]。
12
作为一种变型，如图2所示，第二确定模块MD2能够基于三轴磁力计3M传递的矢量来确定所述轨迹的平面I^j2I。在由三轴磁力计3M的测量结果替换三轴加速计3A的测量结果方面，该变型使用的方案是类似的。该平面|^，i 2；!对应于通过考虑针对三轴加速计3A的每个轴或者分别针对三轴磁力计的每个轴传送的测量结果而在最大测量结果处包含被认为是三维空间中的点或矢量的平面，并且由矢量圮定义的轴是所述测量结果的投影在其上变化最少的轴。矢量4是垂直于轨迹的平面fc，圮]并且还垂直于三轴加速计3A的转轴的矢量。为了确定这三个矢量巧，圮，巧，第二确定装置形成了具有n+1行以及与三轴加速计3A的三个轴(x、y、z轴)的三个测量结果相对应的3列的矩阵A^其中，n+1是在tQ与 tn(包括t0和tn)之间获得的采样数量。得到
权利要求
1.一种用于确定在刚性附接到移动元件(EM)的三轴加速计(3A)的第一静止时刻(、) 与所述第一静止时刻Utl)之后的第二静止时刻(tn)之间由所述三轴加速计(3A)的连续位置形成的轨迹的特征的设备，所述设备还包括三轴附加传感器和控制装置(CMD)，所述三轴附加传感器用于测量在与陆地参考坐标系相关的固定全局参考坐标系(GF)中所述第一静止时刻(、)与所述第二静止时刻(tn)之间的基本恒定的矢量场的矢量，所述附加传感器刚性附接到所述移动元件(EM)并固定在所述加速计(3A)的参考坐标系中，其特征在于，所述控制装置(CMD)包括-第一确定装置(MDl)，用于确定所述三轴加速计(3A)的所述第一静止时刻(、)和所述第二静止时刻(tn)；-第二确定装置(MD2)，用于基于所述三轴加速计(3A)传递的矢量或者基于所述附加传感器传递的矢量，在与所述加速计(3A)相关或与所述附加传感器相关的移动参考坐标系(LF)中，确定所述第一静止时刻(O与所述第二静止时刻(tn)之间所述三轴加速计 (3A)的基本不变的转轴以及与所述基本不变的转轴正交的平面；-第一计算装置(MCl)，用于在所述移动参考坐标系中(LF)中，在所述连续时刻(、， t1 …，tn)处，计算在由所述三轴加速计(3A)传递的矢量的平面上和在由所述附加传感器传递的矢量的平面上的第一正交投影；-第三确定装置(MD3)，用于在所述连续时刻(、，ti;…，tn)处，基于由所述附加传感器传递的所述矢量的所述第一正交投影，确定从所述移动参考坐标系(LF)转换到所述固定全局参考坐标系(GF)的转动；-第二计算装置(MC2)，用于在所述连续时刻(、，ti;…，tn)处，计算由所述第一计算装置(MCl)在由所述三轴加速计(3A)传递的矢量的平面中提供的所述第一正交投影在所述固定全局参考坐标系(GF)中的第二正交投影；-第三计算装置(MC3)，用于从所述固定全局参考坐标系(GF)中的每个第二正交投影中减去在所述连续时刻(、，、，…，tn)上的平均矢量，以便获得所述平面中心的加速度，避免地球引力的影响以及在所述固定全局参考坐标系(GF)中所述设备的漂移的影响；以及 -第四计算装置(MC4)，用于基于所述中心加速度来计算所述轨迹的特征。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述连续位置基本上是共面的。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述移动元件(EM)是脚，将所述三轴加速计 (3A)的所述第一静止时刻(、)与所述第二静止时刻(tn)分开的时间间隔对应于所述脚的步速。
4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的设备，其中，所述控制装置(CMD)包括用于计算方向矢量的第一运算装置(MELl)，其适用于将所述三轴加速计(3A)的在所述固定全局参考坐标系(GF)中表示的各个位置联系到所述第一静止时刻(、)和所述第二静止时亥IJ (tn)。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述轨迹的平面是垂直的，所述控制装置(CMD) 还包括第二运算装置(MEL2)，其用于针对由所述附加传感器测量的所述矢量场计算位移方位，所述第二运算装置(MEU)适用于将由所述附加传感器测量的所述矢量场矢量正交投影到与所述轨迹的平面正交的水平面上。
6.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的设备，其中，所述轨迹的平面是垂直的，用于确定所述三轴加速计(3A)的轨迹的平面的所述第二确定装置(MM)适用于在所述移动参考坐标系中对在所述连续时刻(t0，t1;…，tn)处由所述三轴加速计(3A)传递的所述矢量形成的三列矩阵(ALFP(t0...tn))进行奇异值分解，并提取与较大的两个奇异值相对应的两个矢量。
7.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的设备，其中，所述轨迹的平面是垂直的，用于确定所述三轴加速计(3A)的轨迹的平面的所述第二确定装置(MM)适用于在所述移动参考坐标系(LF)中将在所述连续时刻(、，、，…，tn)处由所述三轴加速计(3A)传递的矢量形成的所述三列矩阵的自相关矩阵分解成特征值和特征向量，并提取与较大的两个特征值相对应的两个特征向量。
8.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的设备，其中，所述第二计算装置(MC2) 包括第五计算装置(MC5)，该第五计算装置(MU)用于转换到与所述陆地参考坐标系相关的中间参考坐标系(IF)，该中间参考坐标系(IF)是由第一矢量和与所述第一矢量正交并属于所述轨迹的平面的第二矢量所定义的，所述第一矢量是由所述第一计算装置(MCl)基于由所述附加传感器提供的矢量而传递的。
9.根据权利要求1至8中任一项权利要求所述的设备，其中，用于确定从所述移动参考坐标系(LF)转换到所述固定全局参考坐标系(GF)的转动的所述第三确定装置(MD3)包括用于估计角度(α)的估计装置(MEST)，所述转换的转动是通过正交投影到所述基本恒定的矢量场、并且接着在所述三轴加速计(3Α)的轨迹的平面中转动所估计的角度(α)来定义的。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述估计装置(MEST)适用于基于所述移动元件 (EM)的接触面的斜率(θ )、以及由所述第五计算装置(MU)基于所述三轴加速计(3Α)传送的矢量而传送的矢量，来估计所述角度(α )。
11.根据权利要求9所述的设备，其中，所述估计装置(MEST)适用于基于所述三列矩阵的奇异值分解来估计所述角度(α)，其中，所述三列矩阵是由所述第五计算装置(MC5) 基于由所述三轴加速计(3Α)在所述连续时刻(、，ti;…，tn)处传递的矢量所形成的矩阵 (Aif)而提供的。
12.根据权利要求9所述的设备，其中，所述估计装置(MEST)适用于将所述角度(α) 估计为在所述第一静止时刻Utl)或所述第二静止时刻(tn)处在由所述第一计算装置(MCl) 基于所述附加传感器提供的矢量而传递的矢量与由所述第一计算装置(MCl)基于所述三轴加速计(3A)提供的矢量而传递的矢量之间的角度。
13.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的设备，其中，所述控制装置(CMD)包括第三运算装置(MEL3)，其用于基于所述第四计算装置(MC4)提供的数据来计算在所述第一静止时刻Utl)与所述第二静止时刻(tn)之间、和/或在将所述三轴加速计(3A)的两个连续的静止时刻(、，&)分开的一组连续时间间隔期间行驶的距离。
14.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的设备，其中，所述控制装置(CMD)包括第四运算装置(MEL4)，用于基于所述第四计算装置(MC4)提供的数据来计算在将所述三轴加速计(3A)的两个连续的静止时刻(、，&)分开的一组连续时间间隔期间的轨迹。
15.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的设备，其中，所述附加传感器是用于测量在所述第一静止时刻Utl)与所述第二静止时刻(tn)之间基本恒定的地磁场的三轴磁力计(3M)。
16.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的设备，其中，所述三轴加速计(3A)被布置，以便在所述三轴加速计(3A)的一静止时刻处基本上位于在所述移动元件(EM)的接触表面的水平处。
17.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的设备，其中，所述附加传感器被布置， 以便在所述三轴加速计(3A)的一静止时刻处位于在与所述移动元件(EM)的接触表面相距一定距离处。
18.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的设备，其中，所述控制装置(CMD)附接到所述移动元件(EM)或者布置在与所述移动元件(EM)相距一定距离处，并适用于实时或非实时地进行操作。
19.一种视频游戏系统，包括用于指示玩家采取的至少一个步速的视觉或听觉指示器， 其特征在于，所述视频游戏系统包括至少一个根据权利要求3至17中任一项权利要求所述的设备。
20.一种跳跃分析系统，其特征在于，所述跳跃分析系统包括至少一个根据权利要求3 至17中任一项权利要求所述的设备。
21.—种室外或室内地理位置定位系统，其特征在于，所述室外或室内地理位置定位系统包括至少一个根据权利要求3至17中任一项权利要求所述的设备。
22.一种用于计算用户的能量消耗的系统，其特征在于，所述系统包括至少一个根据权利要求3至17中任一项权利要求所述的设备。
23.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的系统，其中，所述三轴加速计(3A)的轨迹的所述特征包括所述三轴加速计(3A)的速度。
24.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的系统，其中，所述三轴加速计(3A)的轨迹的所述特征包括所述三轴加速计(3A)的轨迹。
25.一种用于确定在刚性附接到移动元件(EM)的三轴加速计(3A)的第一静止时刻 (to)与在所述第一静止时刻Utl)之后的第二静止时刻(tn)之间由所述三轴加速计(3A)的连续位置形成的轨迹的特征的方法，还通过三轴附加传感器来测量在与陆地参考坐标系相关的固定全局参考坐标系(GF)中所述第一静止时刻(O与所述第二静止时刻(tn)之间的基本恒定的矢量场的矢量，所述附加传感器刚性附接到所述移动元件(EM)并固定在所述加速计(3A)的参考坐标系中，所述方法包括以下步骤-确定所述三轴加速计(3A)的所述第一静止时刻(、)和所述第二静止时刻(tn)；-基于所述三轴加速计(3A)传递的矢量或者基于所述附加传感器传递的矢量，在与所述加速计(3A)相关或与所述附加传感器相关的移动参考坐标系(LF)中，确定所述第一静止时刻与所述第二静止时刻之间所述三轴加速计的基本不变的转轴以及确定与所述基本不变的转轴正交的平面；-在所述移动参考坐标系中，在所述连续时刻(、，、，…，tn)处，计算在由所述三轴加速计(3A)传递的矢量的平面上和在由所述附加传感器传递的矢量的平面上的第一正交投影；-在所述连续时刻(、，ti;…，tn)处，基于由所述附加传感器传递的所述矢量的所述第一正交投影，确定从所述移动参考坐标系(LF)转换到所述固定全局参考坐标系(GF)的转动；-在所述连续时刻(、，ti;…，tn)处，计算在由所述三轴加速计传递的矢量的平面上的所述第一正交投影在所述固定全局参考坐标系中的第二正交投影；-从所述固定全局参考坐标系中的每个第二正交投影中减去在所述连续时刻(、， t1 …，tn)上的平均矢量，以便获得所述平面中心的加速度，避免地球引力的影响以及在所述固定全局参考坐标系(GF)中所述设备的漂移的影响；以及 -基于所述中心加速度来计算所述轨迹的特征。
全文摘要
一种用于确定在刚性附接到移动元件(EM)的三轴加速计(3A)的第一静止时刻(t0)与所述第一静止时刻(t0)之后的第二静止时刻(tn)之间由所述三轴加速计(3A)的连续位置形成的轨迹的特征的设备，所述设备还包括三轴附加传感器和控制装置(CMD)，所述三轴附加传感器用于测量在与陆地参考坐标系相关的固定全局参考坐标系(GF)中第一静止时刻(t0)与第二静止时刻(tn)之间的基本恒定的矢量场的矢量，所述附加传感器刚性附接到所述移动元件(EM)并固定在所述加速计(3A)的参考坐标系中。
文档编号G01C21/16GK102239387SQ200980148751
公开日2011年11月9日 申请日期2009年10月20日 优先权日2008年10月22日
发明者B·德尼, C·戈丹, J·优素福 申请人:原子能和辅助替代能源委员会, 莫韦公司