协作惯导定位的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种协作惯导定位。当一移动设备的惯导误差远大于邻近的移动设备时，它利用邻近的移动设备来优化其惯导位置。基于测量出的两个设备之间相对位置，优化后的位置等于邻近设备的惯导位置与相对位置之矢量和。
【专利说明】协作惯导定位
[0001] 本申请要求申请号为61/830, 105、申请日为2013年6月2日的美国专利申请的优 先权。
【技术领域】
[0002] 本发明涉及移动电子设备领域，更确切地说，涉及惯导定位。
【背景技术】
[0003] 惯导定位（dead reckoning)是一种利用一时间间隔内的已知或估算速度、通过该 时间间隔开始时的位置来推算该时间间隔结束时位置的方法。对于一名携带移动设备10 的移动用户来说，惯导定位利用移动设备10的传感器(包括加速度传感器和指南针)来定位 (图1A)。基于加速度传感器的读数，移动设备10确定用户是否走了一步（图1A和图1B中 的每个点代表一步)，并相应地算出移动用户的位移。基于指南针的读数，移动设备10确定 移动用户每一步伐的方向。这些数据-位移和方向-组成了移动用户每一步伐的移动矢量 Sit)
[0004] 如图1A所示，一区域含有多个参考点R1、R2···。在每个参考点处，移动设备10的位 置可以被精确地确定。参考点可以是一路标。路标具有特别的传感器读数(即传感器特征)， 其例子包括建筑物入口或电梯。参考点也可以是一地面真实事件（ground truth event)的 发生地。地面真实事件是指为用户或用户自己确定移动设备位置的事件，如用户手动输入 其位置，或获取一与其位置相关的图像。当移动用户路过一参考点时，其定位误差重新置 零。
[0005] 惯导定位以如下方法估算位置：从一个参考点开始，惯导定位将一移动用户所有 步伐的移动矢量相加，从而估算出他现在的位置(惯导位置)。由于移动设备的传感器质量 较差，惯导位置的误差(惯导误差）是一积累误差，它与用户步伐数(从上一参考点算起）的 立方成正比（图2)。惯导误差曲线具有一锯齿形状：随着步伐数的增加，惯导误差逐步增 大，在达到下一个参考点时重置到零，然后再逐步增大。当移动用户在两个参考点之间不走 直线时，惯导误差可能会变得很大。例如说，图1A中的路径P沿长方形ABCD绕了一圈，绕 这一圈时用户走的多余步伐导致了极大的惯导误差（图2中的误差曲线E)。
[0006] Kramer等提出了一种采用对等惯导定位来提高惯导精确度的方法（peer-to-peer dead reckoning)(参见《A-GNSS a different approach》，Inside GNSS 杂志，2009 年 9 月 /10月，第52-61页)。当两个具有不同惯导误差的移动设备相遇时(如在图IB的相遇点M)， 它们的共同惯导位置等于它们各自惯导位置的加权平均（以它们各自误差的倒数为权重)。 如果第一设备的惯导误差远远大于第二设备，则第二设备的位置实际上被用作这两个设备 的共同惯导位置，该共同惯导位置的误差约等于该第二设备的惯导误差。如图2中的误差 曲线E*所示，在相遇点M，第一移动设备10的惯导误差降至第二移动设备10*的惯导误差。 由于第二设备10*的惯导误差仅沿路径P*积累，它远远小于第一设备10。因此，对等惯导 定位能降低惯导定位的误差。
[0007] 虽然对等惯导定位能降低惯导误差，但是它受限于两个移动设备相遇（Kramer要 求两个设备的距离小于2米）的概率。而两个移动设备相遇的概率取决于该区域中移动设 备的密度，它是一个完全随机的变量。因此，对等惯导定位基本上没有实际应用。
【发明内容】
[0008] 本发明的主要目的是提高惯导定位的精确度。
[0009] 本发明的另一目的是使对等惯导定位能实际应用。
[0010] 为了实现上述目的，本发明提出了一种协作惯导定位。它利用邻近的移动设备来 优化本移动设备的惯导位置。与对等惯导定位不同的是，协作惯导定位不要求两个移动设 备相遇，它可以让两个处于不同位置的移动设备相互协作。假设第一移动设备的惯导误差 大于第二移动设备，为了利用第二设备较小的惯导误差，首先测量两个设备之间的相对位 置(包括它们之间的距离和方向）。该测量最好采用声学(或电磁）测量法。声学(或电磁） 测量法的误差很小，一般在2%左右。对于10米的距离测量，误差在20厘米左右。接着，计 算第一设备的推导位置，它等于第二设备的惯导位置与第一第二设备之间相对位置的矢量 和。第一设备优化后的位置(称为其协作惯导位置）等于第一设备的推导位置和其惯导位 置的加权平均（以它们各自误差的倒数为权重)。如果第一设备的惯导误差远远大于第二设 备，则第一设备的推导位置实际上被用作其协作惯导位置，该协作惯导位置的误差约等于 该第二设备的惯导误差。因此，协作惯导定位能极大地降低惯导误差。更重要的是，因为协 作惯导定位不要求两个设备相遇，它比对等惯导定位具有更为广泛的实际应用。
[0011] 相应地，本发明提出一种协作惯导定位系统，其特征在于含有：一含有第一惯导模 块的第一移动设备，该第一惯导模块获取该第一设备的第一位置；一含有第二惯导模块的 第二移动设备，该第二惯导模块获取该第二设备的第二位置；一测量该第一和第二设备相 对位置的相对位置测量模块；其中，如果该第一位置的误差大于该第二位置的误差，至少部 份通过所述相对位置和所述第二位置获取该第一设备的优化位置。
[0012] 本发明还提出一种协作惯导定位方法，其特征在于含有如下步骤：1)通过第一惯 导模块获取第一设备的第一位置；2)通过第二惯导模块获取第二设备的第二位置；3)测量 该第一和第二设备的相对位置；如果该第一位置的误差大于该第二位置的误差，至少部份 通过所述相对位置和所述第二位置获取该第一设备的优化位置。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1A显示一移动设备10经过的路径P ;图1B显示两个相向运动的移动设备10、 10*，它们经过路径P和P*并在点Μ相遇。
[0014] 图2比较图1Α和图1Β中移动设备10的误差曲线Ε、Ε*。
[0015] 图3显示采用协作惯导定位时几个移动设备各自的位置和误差。
[0016] 图4显示一种协作惯导定位法的多个步骤。
[0017] 图5是一种协作惯导定位系统的功能框图。
[0018] 图6披露了一种测量移动设备之间相对位置的方法。
[0019] 注意到，这些附图仅是概要图，它们不按比例绘图。为了显眼和方便起见，图中的 部分尺寸和结构可能做了放大或缩小。在不同实施例中，相同的符号一般表示对应或类似 的结构。
【具体实施方式】
[0020] 在本说明书中，符号"/"表示"和"或"或"的关系。移动设备的"位置"是指其坐 标，它是一矢量；"惯导位置"是指通过惯导定位确定的位置；"协作惯导位置"是指通过协 作惯导定位确定的位置。矢量由大写字母表示，标量由小写字母表示。
[0021] 图3和图4披露了协作惯导定位的一个典型流程。区域X包括携带移动设备a、 b、c、d的多个移动用户。每个移动设备可以是不同类设备中的一类，不同移动设备可以是 同类设备，也可以是不同类设备。例如说，移动设备可以是手机、便携式电脑、上网本、平板 电脑、个人电脑、移动工作站、娱乐设备、游戏机、车载电脑等。移动设备可以是含有海量存 储器和强大处理器的高端设备，也可以是含有少量存储器和较差处理器的低端设备。由于 协作惯导定位的概念可以应用到水下导航，移动设备也可以是潜水艇。
[0022] 携带第一移动设备a的第一用户从参考点&开始沿路径Pa步行，并通过惯导定位 来估测其位置(步骤ll〇a)。这时，其估测的位置是惯导位置10a，它由位置矢量L a来表示 (步骤120a)，圆20a表示惯导位置10a的方差。类似地，携带第二移动设备b的第二用户从 参考点R 2开始沿路径Pb步行，并通过惯导定位来估测其位置(步骤ll〇b)。这时，其估测的 位置是惯导位置l〇b，它由位置矢量L b来表示(步骤120b)，圆20b表示惯导位置10b的方 差。
[0023] 由于路径Pa远比路径Pb长，惯导位置10a的方差20a远大于惯导位置10b的方差 20b。如果方差20a超过一预定值，第一设备a可以向其附近的设备，尤其是附近具有较小 惯导误差的设备，寻求"帮助"。另一方面，如果一设备的惯导误差较小（如小于一预订值)， 则它可以为附近的设备，尤其是附近具有较大惯导误差的设备，提供"帮助"。
[0024] -旦第二设备b被招募来提供"帮助"，则首先测量两个设备a、b之间的相对位 置矢量L ba (包括它们之间的距离和方向）（步骤130)。该相对位置的测量误差(厘米级） 一般远远小于惯导误差(至少米级）（参见图6)。为了充分利用第二设备b较小的惯导误 差，第二设备b的位置被用来推导第一设备a的位置。这个被推导出来的、第一设备a的 位置被称为推导位置l〇a*。其位置矢量L a*等于第二设备b的位置矢量Lb和设备a、b之 间相对位置矢量Ua之和，即k*=L b+Lba (步骤140)。相应地，其方差也是两者方差之和，即 var (La*) =var (Lb) +var (Lba)。由于 var (Lba)与 var (Lb)相比可以忽略不计，推导位置 10a* 的方差约等于设备b位置的方差，即var (La*)?var (Lb)。
[0025] 第一设备a优化后的位置被称为其协作惯导位置10a'。其位置矢量La'等于其推 导位置L a*和惯导位置La的加权平均（以它们各自误差的倒数为权重）(步骤150)。它可以 表达为：
【权利要求】
1. 一种协作惯导定位系统，其特征在于含有： 一含有第一惯导模块的第一移动设备，该第一惯导模块获取该第一设备的第一位置； 一含有第二惯导模块的第二移动设备，该第二惯导模块获取该第二设备的第二位置； 一测量该第一和第二设备相对位置的相对位置测量模块； 其中，如果该第一位置的误差大于该第二位置的误差，至少部份通过所述相对位置和 所述第二位置获取该第一设备的优化位置。
2. -种协作惯导定位方法，其特征在于含有如下步骤： 1) 通过第一惯导模块获取第一设备的第一位置； 2) 通过第二惯导模块获取第二设备的第二位置； 3) 测量该第一和第二设备的相对位置； 如果该第一位置的误差大于该第二位置的误差，至少部份通过所述相对位置和所述第 二位置获取该第一设备的优化位置。
3. 根据权利要求1和2所述的协作惯导定位系统和方法，其特征还在于：所述第一和 第二设备的相对距离大于两米。
4. 根据权利要求1和2所述的协作惯导定位系统和方法，其特征还在于：所述第一和 第二惯导模块含有加速度传感器、指南针和/或陀螺仪。
5. 根据权利要求1和2所述的协作惯导定位系统和方法，其特征还在于：通过至少两 个物理空间分离的接收器测量该相对位置。
6. 根据权利要求1和2所述的协作惯导定位系统和方法，其特征还在于：用声波测量 该相对位置。
7. 根据权利要求6所述的协作惯导定位系统和方法，其特征还在于：所述声波包括可 听声和超声波。
8. 根据权利要求1和2所述的协作惯导定位系统和方法，其特征还在于：用电磁波测 量该相对位置。
9. 根据权利要求8所述的协作惯导定位系统和方法，其特征还在于：所述电磁波包括 激光、红外线和微波。
10. 根据权利要求1和2所述的协作惯导定位系统和方法，其特征还在于：优化后的位 置误差小于第一位置的误差。
【文档编号】G01C21/16GK104215240SQ201410243722
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年6月3日 优先权日:2013年6月2日
【发明者】张国飙 申请人:杭州海存信息技术有限公司