用于改进骑行导航的方法和装置的制造方法
【专利说明】
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2013年1月23日提交的美国临时专利申请No. 61/755, 857的权益， 它通过援引纳入于此。
技术领域
[0003] 本公开涉及导航系统和方法，且更具体地涉及骑行平台的导航解决方案的导航系 统和方法。
【背景技术】
[0004] 平台的惯性导航通过包含惯性传感器（例如，加速度计、陀螺仪）的设备基于这些 传感器测量的特定力和角速度的集成。一般而言，该设备被定位在平台内并通常拴系到该 平台。来自该设备的这样的测量可以用来确定该设备和/或该平台的位置、速度、以及属 性。
[0005] 该平台可以是可能临时静止的能够运动的平台。平台的示例中的一些可以是人、 车辆、或任何类型的舰船。在本公开中，如下文所定义的，该平台是骑行平台。
[0006] 当今，基于微机电系统（MEMS)的惯性传感器具有低成本、低功耗、低重量、以及小 尺寸的优点。基于这些特性，MEMS惯性传感器可与其他运动传感器（如气压计、磁力计）一 起集成在诸如表、护目镜、鞋、腰带、智能电话、或定制设备等小型设备中。惯性传感器是不 依赖于来自外部源的信号传输或接收的自包含系统，从而最小化像由各种环境造成的信号 阻塞、干扰、以及多路径等问题。当被用在导航中时，惯性传感器提供高数据率加速度和角 速度测量。除了导航之外，低成本MEMS传感器也可被用在体育中以帮助体育训练。通过小 尺寸、低功耗以及可负担的价格的优点，MEMS惯性传感器使得根据监视优化在体育练习期 间的表现来获得生物机械、物理或认知信息成为可能。然而，在所有上述应用中，基于MEMS 的惯性传感器的主要缺陷是依赖于这些传感器的传统导航解决方案的性能可随时间恶化。 因此，采用独立测量作为经更新的测量来用于降低累积误差是重要的，因为这些基于MEMS 的传感器由于传感器的很大误差而对于导航目的而言具有非常低质量的性能。因此，MEMS 惯性传感器不能单独工作来用于长期导航用途，并且需要来自其他传感器的辅助（诸如例 如，磁力计和气压计）以及来自可提供绝对导航信息的其他基于参考的系统的辅助。
[0007] -个这样的绝对导航信息的源是全球导航卫星系统（GNSS)，它是通过三角测量技 术来计算用户的位置和速度的定位系统。换言之，GNSS通过知晓卫星的当前位置和距对象 的对应距离来估计用户位置。在处于开放天空中时，GNSS可以提供位置和速度的相对准确 的性能。然而，它具有限制其在不具有清晰视线的环境中的实现并可遭受信号降级或完全 阻塞的若干缺点。
[0008] 为了解决上述问题，GNSS已集成了惯性导航系统（INS)。GNSS/INS导航系统已被 广泛用于各种应用中。然而，在GNSS被降级或阻塞时，基于MEMS的传感器必须单独工作并 且传统定位解决方案将在短时间内降级。基于MEMS的加速度计和陀螺仪中的系统误差随 着数学积分运算快速增长，并且导致误差的累积。
[0009] 除了所有商用INS/GNSS应用常见的且需要针对每一类型的应用的特定过程的上 述问题之外，存在可影响即将到来的应用的附加问题。一般而言，平台内的惯性传感器的对 齐（并且与该平台的前向、横向以及垂直轴）对惯性导航而言是重要的。如果惯性传感器 (如加速度计和陀螺仪）没有与该平台完全对齐，则使用惯性传感器的读数计算得到的位 置和姿态将不代表该平台。修复平台内的惯性传感器因而是提供高准确度导航解决方案的 导航系统的传统要求。
[0010] 对于有绳系统，用于确保最优导航解决方案的一个已知手段是将惯性传感器仔细 地手动安装在平台内。然而，便携式导航设备（或具有导航能力的设备）能够移动，不论是 被约束在还是没有约束在该平台内（诸如例如在骑行的人的身体上），所以仔细安装在平 台上是非常困难的。
[0011] 如此，存在对以下用于骑行应用的方法和装置的需求：所述方法和装置提供能准 确地利用来自设备的测量以确定该设备/平台的导航状态，同时降低上述问题的影响的增 强的导航解决方案，而没有对其中发生骑行的环境（即，室外、室内、城市峡谷、或隧道，以 及其他环境）的任何约束并且还没有暗示对设备的苛刻约束。该平台的位置和姿态的估计 必须独立于该设备的位置（诸如例如，该设备可以在骑行人的背、胸、小腿、臂、大腿、腰带、 或口袋中）。
[0012] 除了包括包含位置、速度、以及姿态或者位置以及姿态的全导航解决方案的应用 之外，存在可包括只估计姿态的解决方案、姿态以及速度解决方案、或行进距离解决方案 (独立地或与任何其他所估计的量相组合）的其他应用。在所有这些应用中，存在对以下方 法和装置的需求：该方法和装置增强这样的量的确定以增强骑行应用的用户体验、可使用 性、训练、以及性能分析。
[0013] 歷
[0014] 本公开涉及用于提供骑行应用的增强的导航解决方案的方法和装置。该导航解决 方案用于骑行平台内的设备，诸如例如自行车或三轮车。该设备可以处于相对于该平台的 任何定向（诸如例如在骑行者的身体的任何位置或定向上）。该设备包括传感器组装件。 该设备中的传感器可以是例如加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计，以及其他。传感器具有用 于传感器的各轴的对应坐标系。本方法和装置可被使用而不管是存在还是缺少导航信息更 新（诸如例如GNSS或WiFi定位）。
[0015] 在一些实施例中，本方法和装置可包括一个设备且可以使用这一设备来提供导航 解决方案的改进。在其他实施例中，本方法和装置可包括骑行者身体上的不同位置处的一 个以上设备以进一步改进导航解决方案，此外，检测更多人类运动可帮助进一步改进系统 性能。在具有一个以上设备的情况下，该信息可以在各设备之间传送（无线地或以有线的 方式）、同步、并彼此共享。
[0016] 在一个实施例中，为了改进骑行导航性能，本方法和装置使用对踏板轮转的检测 并使用这一信息来导出速率和/或每轮转的行进距离和/或该平台的行进距离。
[0017] 在另一实施例中，为了改进骑行导航性能，所导出的速率和/或该平台的每轮转 的行进距离可被用来获得骑行定位推算（CDR)解决方案。这一解决方案可被用作或被用来 进一步增强另一导航解决方案的导航性能。
[0018] 在另一实施例中，为了改进骑行导航性能，本方法和装置使用例程来确定设备与 平台之间的航向失准角。
[0019] 在另一实施例中，为了改进骑行导航性能，本方法和装置将所确定的设备与平台 之间的航向失准角连同该设备的航向一起用来计算平台的航向并将其用于CDR。
[0020] 在另一实施例中，为了改进骑行导航性能，本方法和装置使用所确定的设备与平 台之间的航向失准角来通过对导航解决方案施加运动约束来增强该解决方案。
[0021] 在另一实施例中，为了改进骑行导航性能，本方法和装置使用例程来确定设备坐 标系（设备的传感器的坐标系）与平台坐标系之间的横摇和纵摇失准角。
[0022] 在另一实施例中，为了改进骑行导航性能，本方法和装置使用所确定的设备与平 台之间的横摇和纵摇失准角来通过对导航解决方案施加运动约束来增强该解决方案。
[0023] 在一些实施例中，本方法和装置可以由单传动自行车一起使用。在一些其他实施 例中，本方法和装置可以由多传动自行车一起使用。在又一些其他实施例中，本方法和装置 可以与其他骑行平台一起工作。
[0024] 本方法和装置可以与相对于骑行者的不同设备使用和定向一起工作。在所有设备 使用和定向中，本方法和装置可以与该设备的任何横摇、纵摇以及方位（航向）角一起工 作。它还可以与任何类型的自行车一起工作，而不管各种轮尺寸、各种传动并且不管骑行者 如何。
[0025] 以上实施例中的任一者或任何组合可被使用在实时解决方案中或任务后离线解 决方案中。
[0026] 提供了一种用于提供与至少一个设备和通过踏板轮转移动的骑行平台相关的增 强的导航解决方案的方法，其中所述至少一个设备能定位在相对于所述平台的任何定向 上，以及所述设备能位于所述骑行平台的任何位置处或所述骑行平台的骑行者的身体上， 并且其中所述至少一个设备包括能提供传感器读数的传感器，所述方法包括使用所述传感 器读数来检测所述踏板轮转。
[0027] 提供了一种用于提供与至少一个设备和通过踏板轮转移动的骑行平台相关的增 强的导航解决方案的方法，其中所述至少一个设备能定位在相对于所述平台的任何定向 上，以及所述设备能位于所述骑行平台或所述骑行平台的骑行者的身体上的任何位置处， 并且其中所述至少一个设备包括能提供传感器读数的传感器，所述方法包括：a)使用所述 传感器读数来检测所述踏板轮转，并获得所述平台的速率的模型、所述平台的行进距离的 模型、或所述平台的速率和所述平台的行进距离两者的模型；以及b)使用所述传感器读数 来检测所述踏板轮转，并将所获得的模型与所述平台航向一起应用来获得包括所述平台的 位置、所述平台的速度、或所述平台的位置和速度两者的骑行定位推算解决方案。
[0028] 提供了一种用于提供与至少一个设备和通过踏板轮转移动的骑行平台相关的增 强的导航解决方案的方法，其中所述至少一个设备能定位在相对于所述平台的任何定向 上，以及所述设备能位于所述骑行平台或所述骑行平台的骑行者的身体上的任何位置处， 并且其中所述至少一个设备包括能提供传感器读数的传感器，所述方法包括：a)使用所述 传感器读数来检测所述踏板轮转；b)确定所述至少一个设备与所述骑行平台之间的航向 失准。
[0029] 提供了一种用于提供与至少一个设备和通过踏板轮转移动的骑行平台相关的增 强的导航解决方案的方法，其中所述至少一个设备能定位在相对于所述平台的任何定向 上，以及所述设备能位于所述骑行平台或所述骑行平台的骑行者的身体上的任何位置处， 并且其中所述至少一个设备包括传感器，所述方法包括：a)使用所述传感器读数来检测所 述踏板轮转；b)确定所述至少一个设备与所述平台之间的航向失准；c)获得所述平台的速 率的模型、所述平台的行进距离的模型、或所述平台的速率和所述平台的行进距离两者的 模型；d)将所述航向失准连同所述至少一个设备航向一起用来计算平台航向；以及e)将所 获得的模型与所述平台航向一起应用来获得包括所述平台的位置、所述平台的速度、或所 述平台的位置和速度两者的骑行定位推算解决方案。
[0030] 所述方法可包括使用所述航向失准通过对所述导航解决方案施加运动约束来增 强所述解决方案。所述方法可包括确定所述至少一个设备与所述平台之间的纵摇失准。所 述方法可包括确定所述至少一个设备与所述平台之间的横摇失准。所述方法可包括使用所 述航向失准、所述纵摇失准、以及所述横摇失准通过对所述导航解决方案施加运动约束来 增强所述解决方案。
[0031] 所述方法可包括：确定所述至少一个设备与所述平台之间的航向失准，确定所述 至少一个设备与所述平台之间的纵摇失准，确定所述至少一个设备与所述平台之间的横摇 失准，以及使用所述航向失准、所述纵摇失准、以及所述横摇失准通过应用来自从骑行定位 推算获得的速率的速度更新来增强所述导航解决方案。
[0032] 所述方法可包括使用来自骑行定位推算的位置通过应用来自骑行定位推算的所 述位置作为位置更新来增强所述导航解决方案。
[0033] 所述方法可包括使用来自骑行定位推算的位置作为所述导航解决方案的位置输 出。
[0034] 所述骑行定位推算可与具有多个传动踏板系统、单个传动踏板系统、或不带传动 的踏板系统的平台一起工作。
[0035] 提供了一种用于或提供用于骑行平台的增强的导航解决方案的系统，所述骑行平 台内包括至少一个设备，所述骑行平台能通过踏板轮转来移动，其中所述设备能定位在相 对于所述平台的任何定向上，其中所述设备能位于所述骑行平台的骑行者的身体上的任何 位置处，所述设备包括：能够通过传感器读数的传感器组装件；接收机，其用于接收来自外 部源的与所述设备有关的绝对导航信息并产生绝对导航信息输出；以及处理器，其耦合以 接收所述传感器读数和所述绝对导航信息输出并能用于检测所述踏板轮转。
[0036] 提供了一种用于或提供用于骑行平台的增强的导航解决方案的系统，所述骑行平 台内包括至少一个设备，所述骑行平台能通过踏板轮转来移动，其中所述设备能定位在相 对于所述平台的任何定向上，其中所述设备能位于所述骑行平台的骑行者的身体上的任何 位置处，所述设备包括：能够通过传感器读数的传感器组装件；接收机，其用于接收来自外 部源的与所述设备有关的绝对导航信息并产生绝对导航信息输出；以及处理器，其耦合以 接收所述传感器读数和所述绝对导航信息输出并能用于：检测所述踏板轮转并获得所述平 台的速率的模型和/或所述平台每轮转的行进距离的模型；以及检测所述踏板轮转并将所 获得的模型与所述平台航向一起应用来获得包括所述平台的位置、所述平台的速度、或所 述平台的位置和速度两者的骑行定位推算解决方案。
[0037] 提供了一种用于或提供用于骑行平台的增强的导航解决方案的系统，所述骑行平 台内包括至少一个设备，所述骑行平台能通过踏板轮转来移动，其中所述设备能定位在相 对于所述平台的任何定向上，其中所述设备能位于所述骑行平台的骑行者的身体上的任何 位置处，所述设备包括：能够通过传感器读数的传感器组装件；接收机，其用于接收来自外 部源的与所述设备有关的绝对导航信息并产生绝对导航信息输出；以及处理器，其耦合以 接收所述传感器读数和所述绝对导航信息输出并能用于：检测所述踏板轮转；以及检测所 述踏板轮转并将所获得的模型与所述平台航向一起应用来获得包括所述平台的位置、所述 平台的速度、或所述平台的位置和速度两者的骑行定位推算解决方案。
[0038] 提供了一种用于或提供用于骑行平台的增强的导航解决方案的系统，所述骑行平 台内包括至少一个设备，所述骑行平台能通过踏板轮转来移动，其中所述设备能定位在相 对于所述平台的任何定向上，其中所述设备能位于所述骑行平台的骑行者的身体上的任何 位置处，所述设备包括：能够通过传感器读数的传感器组装件；接收机，其用于接收来自外 部源的与所述设备有关的绝对导航信息并产生绝对导航信息输出；以及处理器，其