一种基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航系统及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航系统，包括：传感器装置，其实时地接收定位系统所处环境的加速度及方向属性，生成传感数据与加速度传感数据；数据处理装置，其与传感器装置连接，分别根据方向传感数据与加速度数据得到方向数据与位移数据，并对方向数据与位移数据进行整合得到位置信息；人机交互装置，其与数据处理装置连接，提供用户与定位系统的交互通道，用于接收用户输入的指令与实时输出位置信息。本发明利用MEMS传感器，以嵌入式系统为开发平台，具有开发成本较低，系统空间占用少，操作简单且不依赖外部设施，适合GPS信号较弱或无法接收卫星信号的封闭舱室环境下用户的定位需求。本发明还公开了一种基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航方法。
【专利说明】一种基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航系统及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及定位技术，尤其涉及一种基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航系统及其方法。
【背景技术】
[0002]目前，基于GPS的室外定位方法以其成熟的技术和较高的精度在军事和民用领域取得了良好的应用效果。但是由于其定位信号在到达地面时较弱且无法穿越建筑物，因此不适合封闭空间(如建筑物内部、地下空间、船舶封闭舱室)定位，因此必须研究新的封闭舱室定位技术以弥补GPS的不足。现在主要的封闭舱室定位方法有基于红外线、超声波、RFID和无线网络等技术。但其分别有易受物体阻挡、传输距离较短、设施费用较高等缺点。相比较而言，基于行走轨迹推算的封闭舱室定位方法在给定初始位置和方向后能够推算下一时刻行走的位置和方向信息，不易受外界影响，能随时随地提供行走的位置信息。
[0003]随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanic System, MEMS)技术的普及，各类MEMS传感器开始得到广泛应用。如果能充分利用MEMS传感器中的方向传感器与加速度器，组成惯性测量单元(IMU, Inertial Measurement Unit),融合行走轨迹推算的定位思想,将有效提高封闭舱室定位精度以及鲁棒性，而且可以降低用于提高封闭舱室定位系统信号覆盖所需要的成本。
【发明内容】
[0004]本发明克服了现有定位方法需要依靠外部信号实现且易受到物体阻挡的不足、而且现有的系统维护成本较高的缺陷，提出了一种基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航系统及其方法。
[0005]本发明提出了一种基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航系统，包括:
[0006]传感器装置，其实时地接收所述定位系统所处环境的加速度及方向属性，生成方向传感数据与加速度传感数据；
[0007]数据处理装置，其与所述传感器装置连接，分别根据所述方向传感数据与所述加速度数据得到方向数据与位移数据，并对所述方向数据与位移数据进行整合，得到整合的位置信息；
[0008]人机交互装置，其与所述数据处理装置连接，提供用户与所述定位系统的交互通道，用于接收用户输入的指令与实时输出所述位置信息。
[0009]本发明提出的所述基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航系统中，所述传感器装置包括方向传感器与加速度传感器；所述方向传感器用于探测所述定位系统的方向属性得到方向传感数据；所述加速度传感器用于探测所述定位系统的加速度属性得到加速度传感数据。
[0010]本发明提出的所述基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航系统中，所述传感器装置为MEMS传感器。
[0011]本发明提出的所述基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航系统中，所述数据处理装置包括:
[0012]方向计算单元，其用于根据所述方向传感数据计算相对于事先设定的初始方向的偏移量得到方向数据；
[0013]步伐监测单元，其计算并监测所述加速度传感数据计算步伐的数量；
[0014]步长估计单元，其根据所述加速度传感数据提供步长信息；
[0015]位移计算单元，其根据所述步伐的数量与所述步长信息计算距离得到位移数据；
[0016]位置信息合成单元，其在前一单位时刻的位置信息基础上，以所述方向数据为偏向角，以所述位移信息为偏向距离，得到下一单位时刻点的位置信息。
[0017]本发明提出的所述基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航系统中，所述人机交互装置包括:
[0018]按键控制单元，其提供用户输入指令；
[0019]显示输出单元，其与所述数据处理装置及所述按键控制单元连接，用于接收用户输入的指令以及显示当前的位置信息；
[0020]语音输出单元，其与所述显示输出单元连接，用于将所述位置信息转换为语音数据后以声音的方式输出。
[0021]本发明还提出了一种基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航方法，包括如下步骤:
[0022]步骤一:采集方向传感数据与加速度传感数据；
[0023]步骤二:计算所述方向传感数据得到方向数据，计算所述加速度传感数据得到位移数据，整合所述方向数据与所述位移数据得到位置信息；
[0024]步骤三:输出当前的位置信息实现定位。
[0025]本发明提出的所述基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航方法中，所述步骤二包括如下步骤:
[0026]步骤2a:根据所述方向传感数据计算相对于事先设定的初始方向的偏移量得到方向数据；
[0027]步骤2b:计算并监测所述加速度传感数据的模值，根据所述模值计算步伐的数量;
[0028]步骤2c:根据所述加速度传感数据估算一个步伐的步长得到步长信息；
[0029]步骤2d:根据所述步伐的数量与所述步长信息计算位移数据；
[0030]步骤2e:在前一单位时刻点的位置信息基础上，以所述方向数据为偏向角，以所述位移数据为偏向距离，得到下一单位时刻点的位置信息。
[0031]本发明提出的所述基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航方法中，当所述模值的最大峰值与最小峰值之差大于阈值时判定产生一个步伐，以如下公式表示:
[0032]Ialmax-1almin > C
[0033]其中，I a I max表示所述模值的最大峰值，I a | min表示所述模值的最小峰值，C表示判定迈步的阈值。
[0034]本发明提出的所述基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航方法中，所述步伐的步长以如下公式表示:
[0035]L = A+B*F+C*SV
[0036]其中，L表示步长，F表示步频，SV表示加速度方差，A、B、C分别表示模型系数。
[0037]本发明利用通用MEMS传感器，以嵌入式系统为开发平台，具有开发成本较低，系统空间占用少，结构清晰，更新版本方便，操作简单且不依赖外部设施等特点，适合GPS信号弱的封闭舱室环境下用户的定位需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1是本发明基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航系统的结构图。
[0039]图2是本发明中加速度传感数据的波形图。
[0040]图3是显示人机交互装置显示的位置信息的示意图。
[0041]图4是本发明基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航方法的流程图。
【具体实施方式】
[0042]结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
[0043]参阅图1，本发明基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航系统包括:传感器装置10，数据处理装置20与人机交互装置30。传感器装置10实时地接收定位系统所处环境的加速度及方向属性，生成传感数据与加速度传感数据。数据处理装置20与传感器装置10连接，其根据方向传感数据计算行走过程的方向数据，根据加速度传感数据计算位移数据，并将方向数据与位移数据送入位置信息生成单元得到位置信息。人机交互装置30与数据处理装置20连接，其与数据处理装置20连接，提供用户与定位系统的交互通道，用于接收用户输入的指令与实时输出位置信息。
[0044]传感器装置10为MEMS传感器，其包括方向传感器11与加速度传感器12 ;方向传感器11用于探测定位系统的方向属性得到方向传感数据；加速度传感器12用于探测定位系统的加速度属性得到加速度传感数据。该加速度传感数据包括三轴加速度，三轴加速度为三个互相垂直方向的加速度数值3!￡，&1和&2。如图2所示，在10Hz采样频率下探测的得到的三轴加速度随行走过程变化的曲线图。
[0045]参阅图1，数据处理装置20包括方向计算单元21、步伐监测单元22、步伐监测单元22、步长估计单元23和位移计算单元24，以下对每一个单元的功能做进一步说明。
[0046]方向计算单元21用于根据方向传感数据计算相对于事先设定的初始方向的偏移量得到方向数据。例如，方向计算单元21中规定正北为Y轴并建立直角坐标系，通过方向传感数据中的偏向角判断定位系统此时相对于正北方向的偏移量作为得到方向数据。方向计算单元21以每一步监测的时间为节点，读出每个时间节点的偏向角以实时计算当前时刻的方向数据。
[0047] 经人体运动学分析，人的步频通常不超过5步/秒，因此，要求加速度传感器12的采样频率大于30Hz。由于在行走过程中会产生人体连续性且呈周期性的运动，探测到的加速度值也会不断呈周期性变化(如图2所示)。因此，步伐监测单元22计算并监测加速度传感数据的模值。加速度的模值以如下公式表示:I Cii \ = φιΙ- + α2yι + i式中，axi，ayi，azi分别表示第i个采样点的三轴加速度数值，IaiI表示第i个采样点加速度传感数据的模值。模值的图像大致为与图2相似的上下起伏曲线。模值达到最大峰值或最小峰值并且最大(小)与最小(大)之间的差值大过某一阈值则判断产生了一个步伐，从而计算步伐的数量。公式如下:
_8] Ialmax-1almin > C
[0049]其中|a匕,表示模值的最大峰值，Ia Iniin表示模值的最小峰值，C表示判定迈步的阈值常数。
[0050]步长估计单元23根据加速度传感数据估算一个步伐的步长。根据步伐检测单元收集的加速度数据，对行走的行为进行建模，然后利用模型估计行走步长。
[0051]人体生理学表明，人体运动时的步长与步频及运动加速度存在着一定的关系:
[0052]L = A+B*F+C*SV
[0053]其中L表示步长，F表示步频，SV表示加速度方差，A、B、C分别表示模型系数，不同人的模型参数是不同的，使用该模型时需要提前标定。
[0054]位移计算单元24根据步伐的数量与步长信息计算距离得到位移数据。
[0055]位置信息合成单元25,其在前一单位时刻点的位置信息基础上，以方向计算单元21所得到的方向信息为偏向角，以位移计算单元24所得到的位移信息为偏向距离，得到下一单位时刻点的位置信息。
[0056]参阅图1，人机交互装置30包括按键控制单元31、显示输出单元32和语音输出单元33。按键控制单元31用于控制人机交互装置30，其可以是一个触摸屏，用户通过触控来控制定位系统的运行、关闭以及数据更新、清零等操作。
[0057]显示输出单元32，其与按键控制单元31以及数据处理装置20连接，可接收用户的指令，并根据指令显示当前的位置信息。如图3所示，以正北方向为Y轴并建立的直角坐标系中，在k-Ι时刻用户处于(Xk+yn)处；在k时刻时，显示输出单元32获取了当前时刻的方向数据与位移数据，从中分析可知用户以偏向角Θ,的方向行走了 Ik长度的位移，因此在k时刻结束时该用户在该直角坐标系中移动到了(xk，yk)的位置。以此类推，显示输出单元32可根据方向数据与位移数据实时显示用户当前所在的位置。在使用中，预先在人机交互装置30中设置一块区域的平面图并设定一个起始位置，则显示输出单元32可在平面图中通过显示当前的位置信息来完成该用户在该区域内的定位。
[0058]语音输出单元33用于将位置信息转换为语音数据，并以扬声器或者其他形式将位置信息读出。
[0059]同时本发明还提出了一种基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航方法。如图4所示，本发明定位方法包括如下步骤:
[0060]步骤一:采集方向传感数据与加速度传感数据；
[0061]步骤二:计算方向传感数据得到方向数据，计算加速度传感数据得到位移数据，整合方向数据与位移数据得到位置信息；
[0062]步骤三:输出当前的位置信息实现定位。
[0063]其中，步骤二包括如下步骤:
[0064]步骤2a:根据方向传感数据计算相对于事先设定的初始方向的偏移量得到方向数据；
[0065]步骤2b:计算并监测加速度传感数据的模值，模值达到最大峰值或最小峰值判断产生一个步伐，从而计算步伐的数量；
[0066]步骤2c:根据加速度传感数据估算一个步伐的步长得到步长信息；
[0067]步骤2d:根据步伐的数量与步长信息计算位移数据；
[0068]步骤2e:在前一单位时刻点的位置信息基础上，以方向数据为偏向角，以位移数据为偏向距离，得到下一单位时刻点的位置信息。
[0069]其中,模值的最大峰值或最小峰值根据如下公式判定产生一个步伐:
[0070]Ialmax-1almin > C
[0071]其中Ialniax表示模值的最大峰值，Ia Iniin表示模值的最小峰值，C表示判定迈步的阈值常数。
[0072]步伐的步长以如下公式表示:
[0073]L = A+B*F+C*SV
[0074]式中L表示步长，F表示步频，SV表示加速度方差，A、B、C分别表示模型系数
[0075]实施例1
[0076]本实施例为基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航系统的导航方法。本实施例利用现今智能手机普遍内置有的MEMS传感器，以智能手机Android系统为开发平台，将传感器数据进行处理实现与某室内封闭地图数据进行匹配，实现一定精度的封闭室内定位。在本实施例中，利用智能手机Android系统提供的标准API函数，调用集成在手机中的MEMS传感器(作为传感器装置10)，利用传感器的数据，结合上述算法将数据整合生成位置信息来推算用户的行走轨迹，并结合已知的某地室内地图，实现用户位置信息的获取。
[0077]首先用户在智能手机中确定初始位置。Android SDK在智能手机等移动设备中提供了各种传感器的应用程序编程接口 API。本实施例主要采用三轴加速度传感器(作为加速度传感器12)及方向传感器11分别采集行走过程中的方向传感数据与加速度传感数据。
[0078]智能手机中的处理器作为数据处理装置20处理方向传感数据与加速度传感数据。
[0079](a)步伐监测
[0080]步伐监测单元22以10Hz的采样率动态更新三轴加速度传感器的数据，若监测到某个时刻(即某个采样点)加速度传感数据由递增(或递减)趋势转变为递减(或递增)趋势时，则记录下此时刻三轴加速度传感器的数值分别作为此轴向的最大(或最小)值。将三个轴向加速度相加并取平均得到加速度传感数据的模值，该模值以如下公式表示:
[0081]
【权利要求】
1.一种基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航系统，其特征在于，包括: 传感器装置(10)，其实时地接收所述定位系统所处环境的加速度及方向属性，生成方向传感数据与加速度传感数据； 数据处理装置(20)，其与所述传感器装置(10)连接，分别根据所述方向传感数据与所述加速度数据得到方向数据与位移数据，并对所述方向数据与位移数据进行整合，得到整合的位置信息； 人机交互装置(30)，其与所述数据处理装置(20)连接，提供用户与所述定位系统的交互通道，用于接收用户输入的指令与实时输出所述位置信息。
2.如权利要求1所述的基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航系统，其特征在于，所述传感器装置(10)包括方向传感器(11)与加速度传感器(12);所述方向传感器(11)用于探测所述定位系统的方向属性得到方向传感数据；所述加速度传感器(12)用于探测所述定位系统的加速度属性得到加速度传感数据。
3.如权利要求1所述的基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航系统，其特征在于，所述传感器装置(10)为MEMS传感器。
4.如权利要求1所述的基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航系统，其特征在于，所述数据处理装置(20)包括: 方向计算单元(21)，其用于根据所述方向传感数据计算相对于事先设定的初始方向的偏移量得到方向数据； 步伐监测单元(22)，其计算并监测所述加速度传感数据计算步伐的数量； 步长估计单元(23)，其根据所述加速度传感数据提供步长信息； 位移计算单元(24)，其根据所述步伐的数量与所述步长信息计算距离得到位移数据；位置信息合成单元(25)，其在前一单位时刻的位置信息基础上，以所述方向数据为偏向角，以所述位移信息为偏向距离，得到下一单位时刻点的位置信息。
5.如权利要求1所述的基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航系统，其特征在于，所述人机交互装置(30)包括: 按键控制单元(31)，其提供用户输入指令； 显示输出单元(32)，其与所述数据处理装置(20)及所述按键控制单元(31)连接，用于接收用户输入的指令以及显示当前的位置信息； 语音输出单元(33)，其与所述显示输出单元(32)连接，用于将所述位置信息转换为语音数据后以声音的方式输出。
6.一种基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一:采集方向传感数据与加速度传感数据； 步骤二:计算所述方向传感数据得到方向数据，计算所述加速度传感数据得到位移数据，整合所述方向数据与所述位移数据得到位置信息； 步骤三:输出当前的位置信息实现定位。
7.如权利要求6所述的基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航方法，其特征在于，所述步骤二包括如下步骤: 步骤2a:根据所述方向传感数据计算相对于事先设定的初始方向的偏移量得到方向数据；步骤2b:计算并监测所述加速度传感数据的模值，根据所述模值计算步伐的数量； 步骤2c:根据所述加速度传感数据估算一个步伐的步长得到步长信息； 步骤2d:根据所述步伐的数量与所述步长信息计算位移数据； 步骤2e:在前一单位时刻点的位置信息基础上，以所述方向数据为偏向角，以所述位移数据为偏向距离，得到下一单位时刻点的位置信息。
8.如权利要求7所述的基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航方法，其特征在于，当所述模值的最大峰值与最小峰值之差大于阈值时判定产生一个步伐，以如下公式表示:
a I max- a I min > C 其中，I a匕χ表示所述模值的最大峰值，I a Iniin表示所述模值的最小峰值，C表示判定迈步的阈值。
9.如权利要求7所述的基于行走轨迹推算的封闭舱室定位导航方法，其特征在于，所述步伐的步长以如下公式表示:
L = A+B*F+C*SV 其中，L表示步长， F表示步频，SV表示加速度方差，A、B、C分别表示模型系数。
【文档编号】G01C21/14GK104075714SQ201410294387
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】陈翔, 许理研, 王红兰, 郭阳, 匡磊, 徐文超 申请人:华东师范大学, 上海咏舆通信技术有限公司