一种定位用脚环及室内外定位系统的制作方法

本实用新型涉及定位导航领域，特别是涉及了一种定位用脚环及室内外定位系统。

背景技术：

如何实现全空域的室内外无缝定位导航一直是各大机构争相研究的热点。室外定位主要依靠GPS/北斗等卫星导航，技术成熟、可靠性高。主流的室内定位依靠无线定位，如WIFI定位、蓝牙定位、Zigbee定位、移动通信网络定位、依靠GPS/北斗信号室内转发装置定位等。但这些室内无线定位所有的基站位置需要事先设定好，一旦环境改变或网络覆盖范围发生变化，最终得到的定位结果就会出现严重误差。并且室内无线定位需要基站与接收机之间的环境为视距环境，人体遮挡、多径传播、同频干扰对定位精度影响很大。

还有一些室内定位方法不依赖于基站，如依靠室内地磁强弱定位以及惯性辅助定位。地磁室内定位是一种地磁强度指纹识别匹配的方法。这种方法需要庞大的指纹数据库，数据库建设难度大、维护成本高。依靠MEMS惯性器件的行人航迹推算室内定位方法，如计步器、计程器。该方法不依赖外界环境，可实时自主定位，但定位精度低，稳定性差，且存在惯性漂移，无法适用跑动，跳跃等运动形式。

市场上报道的室内外无缝定位系统主要有高德地图、“羲和”系统。高德地图室外依靠GPS/LBS，室内依靠WIFI或蓝牙定位。“羲和”系统是中国的北斗室外导航技术和移动通信基站定位技术相结合的室内外无缝定位技术。这两种定位方法在室内定位中都依靠固定基站。

如何实现不依赖外部环境，且无惯性漂移的室内外无缝定位是一个亟待解决的难题。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种定位用脚环，其通过将硬件集成在脚环上，方便拆装且携带方便、抗干扰能力强、可靠性高、稳定性强，且通用性高，无需复杂的安装连接，直接拆装适用于任何人，特别是针对儿童及老人；解决了现有定位方法硬件安装复杂、不便于携带、拆装不便，且干扰性较强、稳定性较弱及无法实现通用性的问题。本系统不依赖固定基站，无非视距干扰，可实现室内外自主定位，解决了现有室内外无缝定位时依赖固定基站、惯性漂移及干扰性强的难题。本实用新型还提供了一种室内外定位系统。

本实用新型所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

一种定位用脚环，包括左脚环和右脚环；所述左脚环作为信号发送端，包括第一主控制器，与所述第一主控制器连接的无线电发射模块、超声波发射模块、第一磁罗盘，所述第一主控制器主要用于控制各模块及负责同时发送无线电信号和超声波信号，所述第一磁罗盘与所述无线电发射模块相互垂直设置；所述右脚环作为信号接收处理端，包括第二主控制器，与所述第二主控制器连接的无线电接收模块、超声波接收模块、第二磁罗盘及无线通信模块，所述第二主控制器主要用于控制各模块及负责接收无线电信号和超声波信号、处理信号并计算获得行人航迹的行人位置坐标，所述第二磁罗盘与所述无线电接收模块相互垂直设置。

进一步地，所述无线电发射模块设置在所述左脚环的第一环状承载体的弧形顶部处，所述超声波发射模块靠近所述无线电发射模块；所述无线电接收模块设置在所述右脚环的第二环状承载体的弧形顶部处，所述超声波接收模块靠近所述无线电接收模块。

进一步地，所述超声波发射模块和超声波接收模块组成超声波收发模块，该超声波收发模块的水平面收发角度为100~180°，竖直面收发角度为100~180°。所述超声波收发模块为一组超声波收发模块或多组超声波收发模块。进一步地，所述无线电发射模块和无线电接收模块组成无线电收发模块，所述无线电收发模块优选但不局限于Zigbee收发模块。

一种室内外定位系统，其包括智能终端、与智能终端通信连接的定位用脚环，所述定位用脚环包括左脚环和右脚环；所述左脚环作为信号发送端，包括第一主控制器，与所述第一主控制器连接的无线电发射模块、超声波发射模块、第一磁罗盘，所述第一主控制器主要用于控制各模块及负责同时发送无线电信号和超声波信号，所述第一磁罗盘与所述无线电发射模块相互垂直设置；所述右脚环作为信号接收处理端，包括第二主控制器，与所述第二主控制器连接的无线电接收模块、超声波接收模块、第二磁罗盘及无线通信模块，所述第二主控制器主要用于控制各模块及负责接收无线电信号和超声波信号、处理信号并计算获得行人航迹的行人位置坐标，所述第二磁罗盘与所述无线电接收模块相互垂直设置。

进一步地，所述无线电发射模块设置在所述左脚环的第一环状承载体的弧形顶部处，所述超声波发射模块靠近所述无线电发射模块；所述无线电接收模块设置在所述右脚环的第二环状承载体的弧形顶部处，所述超声波接收模块靠近所述无线电接收模块。

进一步地，所述超声波发射模块和超声波接收模块组成超声波收发模块，该超声波收发模块的水平面收发角度为100~180°，竖直面收发角度为100~180°。所述超声波收发模块为一组超声波收发模块或多组超声波收发模块。进一步地，所述无线电发射模块和无线电接收模块组成无线电收发模块，所述无线电收发模块优选但不局限于Zigbee收发模块。

本实用新型具有如下有益效果：本定位用脚环其采用了依靠超声波信号与无线信号的TDOA方法进行步幅检测，无惯性漂移问题，通过将硬件集成在脚环上，方便拆装且携带方便、抗干扰能力强、可靠性高、稳定性强，且通用性高，无需复杂的安装连接，直接拆装适用于任何人，特别是针对儿童及老人；解决了现有定位方法硬件安装复杂、不便于携带、拆装不便，且干扰性较强、稳定性较弱及无法实现通用性的问题。本系统不依赖固定基站，无非视距干扰，可实现室内外自主定位，解决了现有室内外无缝定位时依赖固定基站、惯性漂移及干扰性强的难题。

附图说明

图1为本发明室内外定位方法的流程示意图；

图2为本发明左脚环的结构示意图；

图3为图2的侧视图；

图4为本发明右脚环的结构示意图；

图5为本发明超声波收发模块的水平收发角度示意图；

图6为本发明超声波收发模块的竖直收发角度示意图；

图7为本发明室内外定位方法中步幅变化曲线的示意图；

图8为本发明室内外定位方法中航向角计算的示意图；

图9为本发明室内外定位系统的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

实施例1

请参考图1至8，一种基于TDOA和双磁罗盘的室内外定位方法按以下步骤实现：

（1）穿戴定位用脚环在脚踝上；所述定位用脚环上设置有无线电收发模块、超声波收发模块及双磁罗盘；

具体实现时，所述定位用脚环包括将分别穿戴在使用者的左右脚踝上的左右脚环。

如图2、3所示，所述左脚环作为信号发送端，其包括：第一环状承载体1，和设置在所述第一环状承载体1上的Zigbee发射模块11、超声波发射模块12、第一磁罗盘13、第一主控制器14、第一电池模块15；所述第一环状承载体1具有一开口，俯视状态下呈C形状，但不局限于此；通过该开口穿戴在左脚踝上，所述开口相对处为环状承载体的弧形顶部，所述Zigbee发射模块11设置在所述第一环状承载体1的弧形顶部处，所述超声波发射模块12靠近所述Zigbee发射模块11，所述第一磁罗盘13相对所述Zigbee发射模块11垂直安装在所述第一环状承载体1一侧；所述第一主控制器14分别与所述Zigbee发射模块11、超声波发射模块12、第一磁罗盘13及第一电池模块15连接，主要用于控制各模块及负责同时发送无线电信号和超声波信号；

如图4所示，所述右脚环作为信号接收处理端，其包括：第二环状承载体2，和设置在所述第二环状承载体2上的Zigbee接收模块21、超声波接收模块22、第二磁罗盘23、第二主控制器24、第二电池模块25及无线通信模块26。所述第二环状承载体2具有一开口，俯视状态下呈C形状，但不局限于此；通过该开口穿戴在右脚踝上，所述开口相对处为环状承载体的弧形顶部，所述Zigbee接收模块21设置在所述第二环状承载体2的弧形顶部处，所述超声波接收模块22靠近所述Zigbee接收模块21，所述第二磁罗盘23相对所述Zigbee接收模块21垂直安装在所述第二环状承载体2一侧；所述第二主控制器24分别与所述Zigbee接收模块21、超声波接收模块22、第二磁罗盘23、第二电池模块25及无线通信模块26连接，主要用于控制各模块及负责接收无线电信号和超声波信号、处理信号并计算获得行人航迹的行人位置坐标并将该行人位置坐标无线发送至智能终端上。

值得注意的是，为了提高检测精度，降低干扰，将所述左右脚环穿戴在脚踝上时，要求所述超声波发射模块和超声波接收模块朝向两脚内侧，第一磁罗盘和第二磁罗盘朝向人行走的正前方即朝向人脚趾头方向，更优选地，分别套在两脚踝的两脚环上的Zigbee发射模块和Zigbee接收模块在穿戴时要相互对准。

需要说明的是，所述左右脚环内各模块均采用现有模块，且各模块之间的连接关系，本领域技术人员根据各模块所起到的作用及实际所采用的模块型号容易清楚获得各模块的相互连接关系，在此不再赘述。

（2）基于超声波收发模块和Zigbee收发模块进行TDOA测距，获得行走周期内两脚之间的实时距离，该步骤具体如下：初始化设置、发送接收超声波信号和无线电、第二主控制器的计时器定时计数到达时间差测距。其中，发送超声波和无线电时，需保证同时发出两种信号，具体实现时，可按照一定定时周期发送，如每隔50ms发送一次，但不局限于此；无线信号传输速度为 ，先到达Zigbee接收模块，启动计时器，开始计数；超声波信号传播速度约为，后到达超声波接收模块，到达后触发计时结束，停止计算；将计时时间乘以即为两脚间的距离，实现了人行走时的两脚之间的实时距离。

（3）基于双磁罗盘进行航向角检测，该步骤具体如下：初始化设置、kalman滤波误差补偿、双磁罗盘误差矫正。其中双磁罗盘误差矫正涉及人走路时的“八字脚”误差δ，最终航向角取两脚航向角的均值，以消除行走时的“八字脚”误差δ，如图8所示。

值得注意的是，一般情况下，沿一个方向行走，航向角不变，只有转弯的时候航向角才会变化，但由于双磁罗盘绑在脚踝处会有晃动，在一个行走周期内测得的航向角也对应变化了一个周期。在同一行走周期内，航向角与TDOA测的两脚间距是一一对应的，即每一两脚间距对应一个航向角。

（4）基于步骤（2）、（3）获得行人航迹的步幅和运算航向角；具体包括：根据测得行走周期内的实时两脚间距获得步幅变化曲线，该步幅变化曲线由正弦波和方波交替组成；取正弦波的峰值作为当前行走周期行人航迹的步幅，且取步幅最大时刻的航向角（即正弦波峰值时刻对应的航向角）作为运算航向角。由于超声波传播的定向性，且安装于行人脚踝内侧；超声波信号正常接收时，测得的两脚间距呈正弦波变化，而无法接收时，测得的两脚间距呈矩形波变化。在实际行走中，正弦波和方波呈周期性交替出现，如图7所示。

（5）将步骤（4）的步幅和运算航向角代入行人航迹推算的计算公式即北向坐标：，东向坐标：，即可实现行人轨迹的跟踪定位，即实时更新行人位置坐标；其中，表示行人的初始位置，可以是(0,0)，还可以是通过GPS定位获取，其获取方法不局限于此；i表示第i个行走周期；n表示行走n个行走周期。

值得注意的是，步骤（2）至（5）显示了一个行走周期内进行行人轨迹的跟踪定位方法，具体行走时是连续的行走周期，即重复步骤（2）至（5），连接每一行走周期的位置坐标即为行人轨迹。

（6）所述右脚环经无线通信模块与智能终端通信连接，在智能终端上实时显示脚环的行人位置坐标，进而实现行人的室内外定位。

需要说明的是，请参考图5、6，超声波收发模块（发射模块和接收模块）具有方向性强，发射角度有限的特点，本发明超声波收发模块的收发角度优选为水平面收发角度为100~180°，竖直面收发角度为100~180°，更优选地，水平面收发角度为180°，竖直面收发角度为180°；可根据实际情况，选择设定合适的水平面收发角度和竖直面收发角度，如当用于正常行走状态时，水平面收发角度优选为100°，竖直面收发角度优选为100°；当用于剧烈运动状态是，水平面收发角度优选为180°，竖直面收发角度优选为180°。本发明优选采用多个收发传感器进行TDOA测距，使得超声波信号收发角度尽可能大，更优选地，采用四组超声波收发模块；还可以是，采用一个超声波收发模块，其靠近所述Zigbee收发模块；但不局限于此，超声波收发模块的数量跟安装角度，是根据超声波收发模块的型号跟参数变化的。

需要说明的是，基于磁罗盘进行航向角检测中的kalman滤波误差补偿获得航向角为现有技术，在此不再赘述。所述无线通信模块可以是蓝牙模块、WiFi模块等，所述无线通信模块可安装在所述右脚环或左脚环上，优选安装在所述右脚环。可根据使用者的行走习惯，所述左脚环和右脚环可以互换穿戴在右脚踝和左脚踝上，可根据实际情况做选择。

本实施例的一种室内外定位方法，其基于TDOA和双磁罗盘实现室内外无缝定位，包括穿戴脚环、两脚间距检测、航向角检测、行人位置坐标的计算，本方法采用了依靠超声波信号与无线信号的TDOA方法进行两脚间距检测，无惯性漂移的问题，通过将硬件集成在脚环上，方便拆装且携带方便、抗干扰能力强、可靠性高、稳定性强，且通用性高，无需复杂的安装连接，直接拆装适用于任何人，特别是针对儿童及老人；解决了现有定位方法硬件安装复杂、不便于携带、拆装不便，且干扰性较强、稳定性较弱及无法实现通用性的问题。本方法不依赖固定基站，无非视距干扰，可实现室内外自主定位，解决了现有室内外无缝定位时依赖固定基站、惯性漂移及干扰性强的难题。

实施例2

如图9所示，一种基于TDOA和双磁罗盘的室内外定位系统，其包括智能终端、与智能终端通信连接的定位用脚环，实时显示行人位置坐标，进而实现行人的室内外定位。所述定位用脚环包括将分别穿戴在使用者的左右脚踝上的左右脚环。

如图2、3所示，所述左脚环作为信号发送端，其包括：第一环状承载体1，和设置在所述第一环状承载体1上的Zigbee发射模块11、超声波发射模块12、第一磁罗盘13、第一主控制器14、第一电池模块15；所述第一环状承载体1具有一开口，俯视状态下呈C形状，但不局限于此；通过该开口穿戴在左脚踝上，所述开口相对处为环状承载体的弧形顶部，所述Zigbee发射模块11设置在所述第一环状承载体1的弧形顶部处，所述超声波发射模块12靠近所述Zigbee发射模块11，所述第一磁罗盘13相对所述Zigbee发射模块11垂直安装在所述第一环状承载体1一侧；所述第一主控制器14分别与所述Zigbee发射模块11、超声波发射模块12、第一磁罗盘13及第一电池模块15连接，主要用于控制各模块及负责同时发送无线电信号和超声波信号；

如图4所示，所述右脚环作为信号接收处理端，其包括：第二环状承载体2，和设置在所述第二环状承载体2上的Zigbee接收模块21、超声波接收模块22、第二磁罗盘23、第二主控制器24、第二电池模块25及无线通信模块26。所述第二环状承载体2具有一开口，俯视状态下呈C形状，但不局限于此；通过该开口穿戴在右脚踝上，所述开口相对处为环状承载体的弧形顶部，所述Zigbee接收模块21设置在所述第二环状承载体2的弧形顶部处，所述超声波接收模块22靠近所述Zigbee接收模块21，所述第二磁罗盘23相对所述Zigbee接收模块21垂直安装在所述第二环状承载体2一侧；所述第二主控制器24分别与所述Zigbee接收模块21、超声波接收模块22、第二磁罗盘23、第二电池模块25及无线通信模块26连接，主要用于控制各模块及负责接收无线电信号和超声波信号、处理信号并计算获得行人航迹的行人位置坐标并将该行人位置坐标无线发送至智能终端上。

值得注意的是，为了提高检测精度，降低干扰，将所述左右脚环穿戴在脚踝上时，要求所述超声波发射模块和超声波接收模块朝向两脚内侧，第一磁罗盘和第二磁罗盘朝向人行走的正前方即朝向人脚趾头方向，更优选地，分别套在两脚踝的两脚环上的Zigbee发射模块和Zigbee接收模块在穿戴时要相互对准。

需要说明的是，所述左右脚环内各模块均采用现有模块，且各模块之间的连接关系，本领域技术人员根据各模块所起到的作用及实际所采用的模块型号容易清楚获得各模块的相互连接关系，在此不再赘述。

需要说明的是，请参考图5、6，超声波收发模块（发射模块和接收模块）具有方向性强，发射角度有限的特点，本发明超声波收发模块的收发角度优选为水平面收发角度为100~180°，竖直面收发角度为100~180°，更优选地，水平面收发角度为180°，竖直面收发角度为180°；可根据实际情况，选择设定合适的水平面收发角度和竖直面收发角度，如当用于正常行走状态时，水平面收发角度优选为100°，竖直面收发角度优选为100°；当用于剧烈运动状态是，水平面收发角度优选为180°，竖直面收发角度优选为180°。本发明优选采用多个收发传感器进行TDOA测距，使得超声波信号收发角度尽可能大，更优选低，采用四组超声波收发模块；还可以是，采用一个超声波收发模块，其靠近所述Zigbee收发模块；但不局限于此，超声波收发模块的数量跟安装角度，是根据超声波收发模块的型号跟参数变化的。

所述无线通信模块可以是蓝牙模块、WiFi模块等，所述无线通信模块可安装在所述右脚环或左脚环上，优选安装在所述右脚环。可根据使用者的行走习惯，所述左脚环和右脚环可以互换穿戴在右脚踝和左脚踝上，可根据实际情况做选择。

本实施例的一种室内外定位系统，其基于TDOA和双磁罗盘实现室内外无缝定位，本系统采用了依靠超声波信号与无线信号的TDOA方法进行步幅检测，无惯性漂移的问题，通过将硬件集成在脚环上，方便拆装且携带方便、抗干扰能力强、可靠性高、稳定性强，且通用性高，无需复杂的安装连接，直接拆装适用于任何人，特别是针对儿童及老人；解决了现有定位系统硬件安装复杂、不便于携带、拆装不便，且干扰性较强、稳定性较弱及无法实现通用性的问题。本系统不依赖固定基站，无非视距干扰，可实现室内外自主定位，解决了现有室内外无缝定位时依赖固定基站、惯性漂移及干扰性强的难题。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。