专利名称：一种步行定位方法与设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及微机械(MEMQ定位领域，尤其涉及一种步行定位方法与设备。
背景技术：
随着定位技术的发展，人身定位的应用越来越广泛。提及目标物体的定位，人们通常想到的是GPS定位技术，但是除军用GPS定位的精度较高外，民用GPS定位往往误差范围较大，不能满足实际应用需要。此外，GPS定位依赖于卫星信号，在诸如矿井、隧道、地下室等处卫星信号较差，GPS几乎不能发挥作用，阻碍了定位技术的广泛应用。正是由于GPS存在这些缺点，市场上出现了一些辅助定位技术，如使用D-GPS、手机信号、WiFi、Zigbee、RFID 以及UWB等辅助信号进行定位，然而，这些方式的主要缺点在于需要耗费巨资安装大量的辅助基础设施，定位效果因基础设施的安装位置、建筑结构的不同而存在差异。目前，一种简易方便、成本低廉的人身定位技术是采用电子计步器，该设备内部安装有加速度计和类似指南针的航向仪器，加速度计用于根据人步行前进过程中起步与落步的加速度变化测量人行走的步数，然后将事先获知的平均步幅作为固定输入计算出每步的位移变化，再结合航向仪器的航向数据得出人的步行轨迹，从而实现定位。但是，这种方法每次输入的步伐长度(步幅)相对固定，而实际上步幅大小因人而异、因时不同，即使同一个人在不同的状态下的步幅也可能不一样，因而使用该技术无法实现人身的精确定位。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种步行定位的方法与设备，利用加速度与位移之间的物理关系，在测得加速度后对加速度值进行积分运算求得每步的位移，再结合航向数据以实现人身的精确定位。本发明提供的步行定位的方法包括在局部坐标系中测量人体脚端运动的加速度，所述局部坐标系为运动参考坐标系，该坐标系与人体脚端相固接，用于作为描述人体脚端运动的基准；在全局坐标系中测量人体脚端的姿态数据，根据所述姿态数据将所述测量的加速度转换到全局坐标系，所述全局坐标系为定参坐标系，用于作为描述人体脚端运动姿态和运动轨迹的基准；对在起步到落步时间段内转换到全局坐标系的加速度进行积分运算以得到每步的位移量；根据人体脚端的姿态数据中的航向数据和所述每步的位移量获取步行轨迹以实现人体定位。优选地，所述局部坐标系为以人体脚端质心为坐标原点，以垂直人体步行方向且指向右侧的方向为X轴，以人的步行方向为Y轴，以垂直OXY平面指向上方的方向为Z轴的坐标系；所述全局坐标系为以人的步行起点为坐标原点，以水平指向东为χ轴，以水平指向北为Y轴，以垂直地面指向天顶为Z轴的坐标系；所述姿态数据包括人体脚端运动的俯仰角和横滚角，则所述将局部坐标系中测量的加速度转换到全局坐标系通过将所述测量的加速度与旋转矩阵相乘实现转换，所述旋转矩阵为
权利要求
1.一种步行定位方法，其特征在于，该方法包括在局部坐标系中测量人体脚端运动的加速度，所述局部坐标系为运动参考坐标系，该坐标系与人体脚端相固接，用于作为描述人体脚端运动的基准；在全局坐标系中测量人体脚端的姿态数据，根据所述姿态数据将所述测量的加速度转换到全局坐标系，所述全局坐标系为定参坐标系，用于作为描述人体脚端运动姿态和运动轨迹的基准；对在起步到落步时间段内转换到全局坐标系的加速度进行积分运算以得到每步的位移量；根据人体脚端的姿态数据中的航向数据和所述每步的位移量获取步行轨迹以实现人体定位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述局部坐标系为以人体脚端质心为坐标原点，以垂直人体步行方向且指向右侧的方向为X轴，以人的步行方向为Y轴，以垂直OXY 平面指向上方的方向为Z轴的坐标系；所述全局坐标系为以人的步行起点为坐标原点，以水平指向东为X轴，以水平指向北为Y轴，以垂直地面指向天顶为Z轴的坐标系；所述姿态数据包括人体脚端运动的俯仰角和横滚角，则所述将局部坐标系中测量的加速度转换到全局坐标系通过将所述测量的加速度与旋转矩阵相乘实现转换，所述旋转矩阵为cos θ sin θ · sin φ cos φ · ηθ 0 cos φ- sin φ-sin θ cos θ · η φ cos θ · cos φ 式中θ ^分别为人体脚端运动的俯仰角和横滚角。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将局部坐标系中测量的加速度转换到全局坐标系之前，所述方法进一步包括将重力加速度转换到所述局部坐标系；用所述测量的加速度减去所述转换到局部坐标系的重力加速度得到修正加速度，以便将该修正加速度转换到全局坐标系进行积分运算以得到位移量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述起步到落步时间段的判定步骤包括 测量人体脚端运动的角速度，判断所述角速度是否等于预设阀值，如果是，则将步行姿态判定为起步或落步，该起步或落步所在时刻作为起步到落步时间段的起点或终点。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在对加速度进行积分运算以得到每步位移量的步骤包括对加速度进行积分运算以得到起步到落步时间段内的累计速度，该速度为剩余速度； 将所述剩余速度除以一个积分循环内的积分总次数得到速度平均误差，以便在下一个积分循环时，用由加速度进行积分运算得到的速度值减去所述速度平均误差，所述积分循环为起步到落步时间段内的积分过程；对上述减去速度平均误差后的结果进行积分运算以得到每步位移量。
6.一种步行定位设备，其特征在于，该设备包括加速度测量模块、姿态数据测量模块、坐标转换模块、积分运算模块和步行轨迹获取模块，其中所述加速度测量模块，用于在局部坐标系中测量人体脚端运动的加速度，所述局部坐标系为运动参考坐标系，该坐标系与人体脚端相固接，用于作为描述人体脚端运动的基准；所述姿态数据测量模块，用于在全局坐标系中测量人体脚端的姿态数据； 所述坐标转换模块，用于根据所述姿态数据将所述测量的加速度转换到全局坐标系， 所述全局坐标系为定参坐标系，用于作为描述人体脚端运动姿态和运动轨迹的基准；所述积分运算模块，用于对在起步到落步时间段内转换到全局坐标系的加速度进行积分运算以得到每步的位移量；所述步行轨迹获取模块，用于根据人体脚端的姿态数据中的航向数据和所述每步的位移量获取步行轨迹以实现人体定位。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括加速度修正模块，则所述坐标转换模块还用于将重力加速度转换到所述局部坐标系；所述加速度修正模块用于在将局部坐标系中测量的加速度转换到全局坐标系之前，调用所述坐标转换模块将重力加速度转换到所述局部坐标系，并用所述测量的加速度减去所述转换到局部坐标系的重力加速度得到修正加速度，以便将该修正加速度转换到全局坐标系进行积分运算以得到位移量。
8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述积分运算模块包括步态判断子模块和积分运算子模块，所述步态包括起步、移步和落步状态，则所述姿态数据测量模块还用于测量人体脚端运动的角速度；所述步态判断子模块调用所述姿态数据测量模块得到人体脚端的角速度后，判断所述角速度是否等于预设阀值，如果是，则将步行姿态判定为起步或落步，并停止调用积分运算子模块对加速度进行积分运算；如果否，则将步态判定为移步，并调用积分运算子模块对加速度进行积分运算以得到每步位移量。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述积分运算模块进一步包括误差消除子模块，该模块用于调用积分运算子模块对加速度进行积分运算以得到起步到落步时间段内的累积速度，该速度为剩余速度；将所述剩余速度除以一个积分循环内的积分总次数得到速度平均误差，在下一个积分循环时用由加速度进行每次积分运算得到的速度值减去所述速度平均误差，以便积分运算子模块对该减去速度平均误差后的结果进行积分运算得到每步位移量；所述积分循环为起步到落步时间段内的积分过程。
全文摘要
本发明提供了一种步行定位方法。该方法包括在局部坐标系中测量人体脚端运动的加速度，局部坐标系为运动参考坐标系；在全局坐标系中测量人体脚端的姿态数据，根据姿态数据将加速度转换到全局坐标系，全局坐标系为定参坐标系；对在起步到落步时间段内的转换到全局坐标系的加速度进行积分运算得到每步的位移量；根据人体脚端的姿态数据中的航向数据和每步的位移量获取步行轨迹以实现人体定位。本发明还提供了一种步行定位设备。本发明的人体步行的步幅是实际的步伐长度，通过航向数据即可得到更加精确的人体定位，较好地解决了现有技术的技术问题。
文档编号G01C21/16GK102278988SQ20111018367
公开日2011年12月14日 申请日期2011年7月1日 优先权日2011年7月1日
发明者周尤, 赵铁军 申请人:微迈森惯性技术开发(北京)有限公司