用于跟踪和确定物体位置的方法和系统与流程

本发明涉及一种用于跟踪和确定物体的位置的方法。

另外，本发明还涉及一种用于跟踪和确定物体的位置的系统。

此外，本发明还涉及一种非暂时性计算机可读介质。

特别是，本发明的实施例涉及移动装置的传感器技术，更具体地涉及由多个传感器提供的信息的处理。本发明尤其涉及提高由移动装置或系统所测量的位置指示的精度。移动装置例如可以是腕上型电脑、移动电话或任何其他便携式装置。

背景技术：

来自gps(全球定位系统)传感器或位于手腕或身体其他地方上的由人所携带的装置中的其他基于卫星的导航系统的信号具有非常小的偏移误差，即系统误差，但是包含大量的噪声。在人行走或跑步的情况下，在1hz的测量频率下，与纯gps信号相比，纯粹基于gps的速度测量中的噪声可以是20-30％的量级。

由直接携带在人体上的传感器所测量和估计的方向或速度数据通常包含较少的噪声。然而，在这些测量信号中可能存在较大的偏移误差。

传感器融合意味着第一和第二传感器可以基于不同的操作原理，但是它们测量相同的物理变量。例如，可以使用卫星定位传感器或加速度传感器来测量水平速度。可以用于传感器融合的传感器例如可以是gps传感器、磁力计(罗盘)和加速度传感器。利用这种传感器，可以测量并在移动装置上，例如在腕上型计算机、移动电话或任何其他便携式装置的显示器上显示运动物体的加速度、速度和方向。

从gb2497153中已知了分别用第一和第二传感器来测量第一和第二物理变量，并通过测量第一物理变量来确定目标变量的估计。通过测量第二物理变量来确定误差估计，并且利用取决于误差估计的强度来过滤目标变量的估计。然而，在卫星信号丢失的期间，就像在仅有微弱或不可检测到的定位信号强度的阴影区域(例如隧道、后院和山区)中的情况那样，可能根本无法进行基于卫星的测量。

因此，需要一种定位系统，其在所有情况下都能够传递准确且不间断的位置数据以及从其中导出的其他数据。鉴于前述内容，提供一种用于跟踪和确定物体的位置的方法和系统将是有益的，该方法和系统能够提供不间断的位置数据以及从其中导出的其他数据。

技术实现要素：

本发明由独立权利要求的特征来限定。在从属权利要求中限定了一些特定的实施例。

本发明的某些实施例提供了一种用于确定移动装置中的定位和导航服务的新型方法和系统，以及相应的系统。本发明的目的特别是在变化的运动和环境条件下对gps定位服务或任何其他定位服务(例如无线定位服务、视觉定位服务或者用户给出的位置)进行补充，其中位置信息源自其他传感器。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于跟踪和确定物体的位置的方法，该方法包括：基于从外部定位系统中接收到的信号来确定主要位置指示，并且使用所述主要位置指示来确定所述物体的第一位置，使用惯性传感器信号或加速计传感器信号来记录物体的周期性运动部分的加速度数据，并在选定的时间段上对所述加速度数据进行积分，以确定物体的所述周期性运动部分相对于水平面的倾斜，基于使用磁力计传感器测量物体的周期性运动部分的外部磁场来记录所述运动物体的方向数据，以确定物体的所述周期性运动部分相对于外部磁场的取向，计算所述运动物体在任何方向上的速度，基于所述第一位置、所述方向数据和所述速度数据来确定所述物体的次要位置指示，并使用所述次要位置指示来确定所述物体的第二位置。

所述第一方面的各个实施例可包括如下所述的至少一项特征：

·如果用于所述主要位置指示的定位信号的质量或可用性低于预定阈值，则将所述次要位置指示用于确定所述物体的第二位置；

·通过连续地计算所述次要位置指示来跟踪运动物体的方向和速度；

·所选择的时间段对应于由加速计传感器或惯性传感器所检测到的所述物体的部分的周期性运动的检测序列；

·所述主要位置指示基于gps信号来确定；

·通过组合使用用于确定物体的部分的地磁方位的磁力计传感器、用于记录物体在任何方向上已经运动的时间的计时工具，以及用于确定加速度数据的加速计传感器或惯性传感器来确定次要位置指示；

·预定阈值基于外部定位系统的信号强度；

·通过空气压力传感器来测量空气压力，并且基于所述空气压力来确定所述物体的海拔高度；

·所述海拔高度映射到地形图与时间的曲线上；

·第二位置是所述物体的室内位置或室外位置；

·所跟踪的次要位置指示显示在系统的显示屏上，从该系统传输到另一个设备，或显示在可通过互联网获得的地图上；

·所述物体的至少一个次要位置指示实时地确定，或在更后的阶段中确定；

·基于从外部定位系统中接收到的信号来确定所述物体的至少两个不同位置的主要位置指示，并用于校准次要位置指示的跟踪；

·在随后的周期中确定所述周期性运动部分的特征位置；

·在所述特征位置中测量所述周期性运动部分的外部磁场。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于跟踪和确定物体的位置的系统，该系统包括用于接收来自外部定位系统的信号的接收器、至少一个惯性传感器或加速度计、磁力计、至少一个存储器单元，以及处理单元，所述处理单元包括至少一个处理核心，包括计算机程序代码的至少一个存储器，所述至少一个存储器和计算机程序代码配置为可通过所述至少一个处理核心来使所述系统至少：基于从所述外部定位系统中接收到的信号来确定主要位置指示，并且使用所述主要位置指示来确定所述物体的第一位置，使用来自所述惯性传感器或加速计传感器的传感器信号来记录物体的周期性运动部分的加速度数据，并在选定的时间段上对所述加速度数据进行积分，以确定物体的所述周期性运动部分相对于水平面的倾斜，基于使用磁力计传感器测量物体的周期性运动部分的外部磁场来记录所述运动物体的方向数据，以确定物体的所述周期性运动部分相对于外部磁场的取向，计算所述运动物体在任何方向上的速度，基于所述第一位置、所述方向数据和所述速度数据来确定所述物体的次要位置指示，其中，所述系统构造成在用于所述主要位置指示的定位信号的质量或可用性低于预定阈值时基于所述次要位置指示来提供所述物体的第二位置。

所述第二方面的各个实施例可包括如下所述的至少一项特征：

·所述系统构造成在用于所述主要位置指示的定位信号的质量或可用性低于预定阈值基于所述次要位置指示来确定所述物体的第二位置；

·所述处理单元构造成连续地计算和存储运动物体的方向和速度；

·所选择的时间段设定成对应于由加速计传感器或惯性传感器所检测到的所述物体的部分的周期性运动的检测序列；

·所述系统构造成基于gps信号来确定所述主要位置指示；

·所述系统构造成通过组合使用用于确定物体的部分的地磁方位的磁力计传感器、用于记录物体在任何方向上已经运动的时间的计时工具，以及用于确定加速度数据的加速计传感器或惯性传感器来确定次要位置指示；

·所述系统构造成通过计时工具来记录物体在任何方向上已经运动的时间；

·所述系统构造成通过加速度传感器来测量运动和物体运动的节奏；

·所述系统还包括陀螺仪；

·所述系统构造成在随后的周期中确定所述周期性运动部分的特征位置；

·所述系统构造成在所述特征位置中测量所述周期性运动部分的外部磁场。

根据本发明的第三方面，提供了一种非暂时性计算机可读介质，其上存储有一组计算机可读指令，当由至少一个处理器执行这一组计算机可读指令时，可以使得装置至少：基于从外部定位系统中接收到的信号来确定主要位置指示，并且使用所述主要位置指示来确定所述物体的第一位置，使用惯性传感器信号或加速计传感器信号来记录物体的周期性运动部分的加速度数据，并在选定的时间段内对所述加速度数据进行积分，以确定物体的所述周期性运动部分相对于水平面的倾斜，基于使用磁力计传感器测量物体的周期性运动部分的外部磁场来记录所述运动物体的方向数据，以确定所述周期性运动部分相对于外部磁场的取向，基于惯性传感器信号或加速计传感器信号来计算所述运动物体在所述方向上的速度数据，基于所述第一位置、所述方向数据和所述速度数据来确定所述物体的次要位置指示，并使用所述次要位置指示来确定所述物体的第二位置。

所述第三方面的各个实施例可包括对应于针对第一方面或第二方面所列出的特征中的至少一项特征。

通过本发明的某些实施例获得了相当大的优点。提供了一种用于跟踪和确定物体的位置的方法和系统。特别是，在卫星信号丢失的期间，就像在仅有微弱或不可检测到的定位信号强度的阴影区域(例如隧道、建筑物内或之间、后院和山区)中无法进行基于卫星的测量的情况那样，提供了一种定位方法和系统，其在所有情况下都能够传递准确且不间断的位置数据以及从其中导出的其他数据。

可以实时地和/或在稍后阶段提供次要位置指示数据和可从其中导出的其他数据。可以在根据本发明的至少一些实施例的系统的显示屏上、在另一装置上或在因特网中显示次要位置指示数据和可从其中导出的其他数据。

这些数据例如可以用于计算和/或监控覆盖距离，或者用于安全原因。跑步者可能想要在锻炼期间实时地和/或稍后知道覆盖距离。此外，例如在发生事故的情况下，越野行走的人可能希望知道实时位置。在这两种情况下，根据本发明的至少一些实施例的方法和系统可以提供准确且不间断的位置数据。

此外，可以通过本发明的某些实施例来计算室内位置。例如，可以计算隧道或诸如体育场的其他建筑物(在其中外部定位信号不可用或信号的质量不足)中的人的位置。所计算的位置指示例如可以在紧急情况下使用。所计算的位置指示例如可以传输到服务器，或通过智能手机应用程序传输给急救医生或其他急救机构，从而提高用户的安全性。

附图说明

图1显示了确定物体的运动方向的一个例子的示意图；

图2显示了时间-加速度图；

图3显示了运动的时间方向的图；

图4显示了使用不同方法所跟踪的地理路径的图；

图5显示了确定物体的运动方向的一个例子的另一示意图；

图6显示了卫星系统和根据本发明的至少一些实施例的系统；

图7显示了根据本发明的至少一些实施例的室外位置确定的一个例子的示意图；

图8显示了根据本发明的至少一些实施例的室外位置确定的另一个例子的示意图；

图9显示了根据本发明的至少一些实施例的室内位置确定的一个例子的示意图；

图10显示了根据本发明的至少一些实施例的位置确定的另一个例子的示意图；

图11显示了根据本发明的至少一些实施例的系统的一个例子。

具体实施方式

在图1中示出了确定物体的运动方向的一个例子的示意图。携带了根据本发明的某些实施例的系统1的人2将要沿着道路t跑步。系统1例如可以是连接在人2的右臂上的腕上型计算机。

进一步依赖于以下观察：跑步是周期性运动。周期意味着由跑步者的手臂或步对进行前后运动。在本发明中，做出以下假设：

1.与完成一个周期所花费的时间相比，跑步者的跑步形式演变得非常缓慢，并且

2.跑步者的质心的水平速度是恒定的，并且垂直速度的积分是零。

这些假设意味着跑步者的手腕或身体的任何其他部分在周期结束时与在周期开始时处于相同的取向。

通常，跑步者的前臂并不指向跑步者的运动方向。在跑步时，人2的手臂相对于人2的身体周期性地运动。例如，周期性运动6可以是成角度的或线性的。换句话说，人2的第一部分沿第一方向3运动，而人2的第二部分相对于人2的第一部分周期性运动。术语“周期性运动”意味着在特定的时间间隔内重复该运动。

出于校准系统1的原因，基于从外部定位系统所接收到的信号来确定人2的第一部分(即人2的身体)的第一方向3。例如，基于两个分开的点p1、p2之间的gps信号来确定人2的第一部分的第一方向3。在图1所示的示例中，第一方向3朝向北方。

使用加速度计或惯性传感器在多个周期上记录第一点p1和第二点p2之间的人2的第二部分(即在系统1连接到人2的手臂上的位置处)的加速度数据。加速度计或惯性传感器连接到人2的第二部分，即连接到人2的右臂上。由于加速度计或惯性传感器由腕上型计算机构成，加速度数据被记录在腕上型计算机的位置处。加速度计的采样频率例如可以是104hz。换句话说，身体的加速度(即可以导出人2的速度和位置的数据)以及腕上型计算机所连接到的手臂的加速度由于人2的手臂的周期性运动而不同。

可以在周期性运动的后续周期中确定特征位置。例如，每个周期的特征位置可以是在最大或最小的加速度值处。确定周期的一种方法是考虑总加速度并汇总对应于该步子的峰值。然后，每隔一个步子或一个峰值完成一个周期。也可以使用例如自适应峰值寻找算法。提供n秒滑动窗口以计算平均值和标准偏差。在信号低于平均值减去系数乘以标准偏差后，接受最大值。

当在整个周期上对加速度数据进行积分时，动态加速度(即手臂相对于身体的运动)的积分为零。仅留下针对各个轴的重力乘以周期持续时间。换句话说，可以通过在整个周期上对加速度数据进行积分来消除由手臂相对于身体的加速度所引起的误差，并且可以确定加速度计13或惯性传感器相对于水平面的取向。

可以在每个周期的特征位置处确定或估计加速度计13或惯性传感器相对于水平面的取向，即倾斜。加速度计的倾斜例如可以使用公式：

来确定或估计，其中是人2的第二部分的加速度，是总体坐标系中的重力，是倾斜，而t是时间。

另外，使用磁力计来测量外部磁场，以确定物体2的周期性运动部分相对于外部磁场的取向。例如，使用磁力计来确定每个周期的特征位置中人2的第二部分的地磁第一方位，即前进方向。磁力计的采样频率例如可以是10hz。随后，可以确定人2的第二部分的第一取向与人的第一部分的第一方向3之间的第一角度。

在第二点p2和第三点p3之间，人2正在沿第二方向4移动。在图1所示的示例中，第二方向4朝向东方。在点p1和p2之间记录加速度数据。此外，在整个周期上对加速度数据进行积分，以确定加速度计13或惯性传感器相对于水平面的倾斜。此外，在随后的周期中确定特征位置。另外，使用磁力计来确定每个周期的特征位置中人2的第二部分的地磁第二方位。现在可以基于人的第二部分的地磁第一方位和地磁第二方位之间的倾斜和偏差来确定人2的第一部分的第二方向4。可以确定人2的第二部分的地磁第一方位和地磁第二方位之间的第二角度。人2的第二部分的地磁第二方位与人2的第一部分的第二方向4之间的第三角度与第一角度相同，因此第二方向4可以基于人2的第二部分的地磁第一方位和地磁第二方位之间的偏差来确定。换句话说，人2的第二部分的地磁第一方位和地磁第二方位之间的偏差与人2的第一方向3和第二方向4之间的偏差相同。

在第三点p3和第四点p4之间，人2正在沿第三方向5移动。在图1所示的示例中，第三方向5朝向南方。在点p3和p4之间记录加速度数据。此外，在整个周期上对加速度数据进行积分，以确定加速度计13或惯性传感器相对于水平面的倾斜。此外，确定特征位置。另外，使用磁力计来确定每个周期的特征位置中人2的第二部分的地磁第三方位。现在可以基于人的第二部分的地磁第二方位和地磁第三方位之间的偏差来确定人2的第一部分的第三方向5。可以确定人的第二部分的地磁第二方位和地磁第三方位之间的第二角度。人的第二部分的地磁第三方位与人的第一部分的第三方向5之间的第三角度与第一角度相同，因此第三方向5可以基于人2的第二部分的地磁第二方位和地磁第三方位之间的倾斜和偏差来确定。换句话说，人2的第二部分的地磁第二方位和地磁第三方位之间的偏差与人2的第二方向4和第三方向5之间的偏差相同。

根据某些实施例，可以跟踪移动的人2的第一部分的每个方向3、4、5和速度，因此可以计算人的位置。通过组合使用不同系统来确定人2的第一部分的位置。出于校准的原因，使用外部定位系统来确定人2的第一部分的第一方向3。采用加速度计或惯性传感器来确定加速度数据。采用磁力计来测量人的第二部分的地磁第一方位、地磁第二方位，以及任何其它的地磁方位。还采用计时工具来记录物体在任何方向3、4、5上已经运动的时间。人2的第一部分的跟踪位置可以显示在系统的显示器上，从系统发送到另一个设备，或者显示在可通过互联网获得的地图上。跟踪位置可以是室内或室外的位置。跟踪位置可以实时确定，或在稍后阶段确定。

因为可以显著地减少外部定位系统(例如gps定位系统)的使用，因此可以减少根据本发明的至少一些实施例的系统1的电池消耗。根据某些实施例，外部定位系统仅用于系统1的校准。根据某些实施例，外部校准系统以某些时间间隔使用，例如每30秒或每60秒。根据某些实施例，外部定位系统用于不断地校准系统1。根据某些实施例，当信号强度超过某一阈值时，使用外部定位系统。

在图2中示出了时间加速度图。使用连接到人2的第二部分上的加速度计或惯性传感器来在多个周期上记录如图1所示的人2的第二部分(其相对于人2的第一部分周期性运动)的加速度数据。可以基于后续周期中的加速度数据来确定特征位置。对于每个周期来说，特征位置例如可以是人2的第二部分的位置，其中借助于加速计或惯性传感器来测量最大加速度值，即峰值。当在整个周期上对加速度数据进行积分时，动态加速度(即人2的第二部分相对于第一部分的运动)积分为零，并且可以确定加速计13或惯性传感器相对于水平面的倾斜。可以使用磁力计来进一步测量外部磁场，以确定周期性运动部分相对于外部磁场的取向。例如，可以使用连接到人2的第二部分上的磁力计来确定人2的第二部分的地磁方位。

在将人的第一部分的方向从第一方向3改变到第二方向4之后，可以在特征位置中确定人的第二部分的另一个地磁方位，由此可以基于人2的第二部分的地磁第一方位和地磁第二方位之间的偏差来确定人2的第一部分的运动的第二方向4。

在图3中示出了运动的时间-方向图。使用用于确定物体的运动方向的不同方法来显示跑步者的随时间的运动方向。以下述方式来计算运动方向：基于使用本领域已知的gps定位系统的方法(标记为“gpsheading”)，根据本发明的至少一个实施例的用于确定物体的运动方向的方法(标记为“heading”)，以及根据本发明的至少一个实施例的用于确定物体的运动方向但其中已经校正了某些误差的方法(标记为“correctedheading”)。

除了由于跑步者的下臂相对于跑步者的运动方向的未对准所引起的恒定偏差之外，还存在其他误差源，例如磁力计和加速度计轴线的未对准、校准偏差和积分误差。所有这些误差的综合影响是：真实误差和估计误差之间的差异取决于前进方向。例如，这可以建模为：

θest.-θtrue＝cos(θest.+α)·β+γ.

这些参数可在能够获得基准方向时进行校准。

可以看出，在根据本发明的至少一个实施例中，用于确定物体的运动方向的方法所确定的运动方向(其中已经校正了某些误差)相对于基于gps的运动方向的偏差看起来非常小。

因此，根据本发明的至少一个实施例的用于确定物体的运动方向的方法提供了用于确定物体的运动方向的足够精度。特别地，在根据本发明的至少一些实施例的系统校准之后，该系统例如可以用在阴影区域中，如在结合图7-10中进一步描述的那样。

在图4中示出了使用不同方法所跟踪的几何路径的图。以如下方式来计算几何路径：基于使用本领域已知的gps定位系统的方法(标记为“gps”)，根据本发明的至少一个实施例的用于确定物体的运动方向的方法(标记为“original”)，以及根据本发明的至少一个实施例的用于确定物体的运动方向但其中如图3所示地已经校正了某些误差的方法(标记为“corrected”)。

可以通过由所描述的罗盘形成的坐标系中的所提供的罗盘系统来跟踪物体的位置。这样的坐标系例如在图4中示出。在这样的第一坐标系中形成的道路可以与第二坐标系(例如地理坐标系)对齐，因此道路可以与地图相关地显示出来。在此之后，甚至可以通过校准由如所述罗盘所形成的坐标系来将道路与地理道路对齐。

因此，根据本发明的至少一个实施例的用于确定物体的运动方向的方法提供了用于确定物体的几何路径和/或确定物体的位置的足够精度。特别地，在根据本发明的至少一些实施例的系统校准之后，该系统例如可以用在阴影区域中，如在结合图7-10中进一步描述的那样。

在图5中示出了确定物体的运动方向的示例的另一示意图。当一个人在划艇2上划船时，他的手臂相对于其身体周期性地运动。另一方面，划桨也相对于划艇2的船体周期性地运动。因此，根据本发明的至少一些实施例的系统可以连接到人的手臂上，或者是连接在划桨上或与之形成一体。在第一种情况下，可以确定人的运动方向。在后一种情况下，可以确定划艇2的运动方向。换句话说，该文献中的术语“物体”必须被理解为人、动物或任何其他三维体。

通过使用连接到周期性运动部分上的加速度计13或惯性传感器在多个周期上记录所述周期性运动部分的加速度数据来确定物体2的周期性运动部分的周期性运动，在至少一个运动周期上积分所述加速度数据以确定物体2的周期性运动部分相对于水平面的倾斜，使用磁力计12来测量物体2的所述周期性运动部分的外部磁场以确定物体2的所述周期性运动部分相对于外部磁场的取向，并基于物体2的周期性运动部分的倾斜和取向来确定物体2的运动方向，从而确定运动方向。

只要物体2的所述周期性运动部分的取向保持恒定或基本恒定，那么运动方向3就保持恒定。取向的变化表明周期性运动已经改变，或者运动方向已经改变。例如，可以通过倾斜的变化来检测周期性运动的变化。

可以通过所描述的罗盘所形成的坐标系中的所提供的罗盘系统来跟踪物体的位置。如果周期性运动相对于物体的运动方向以某个角度发生，则可使用参考系统来校准所计算的方向，或者如果局部磁场没有指向与参考系统相同的方向(例如由于磁偏角的原因)，则可使用参考系统来对该方向进行校准。当然，如果周期性运动相对于物体的运动方向以某个角度发生并且如果局部磁场没有指向与参考系统相同的方向，则参考系统也可以用于校准所计算的方向。

可以仅基于取向来跟踪坐标系中的物体的位置。然而，在该坐标系应该与地理坐标系对齐的情况下，基于所述物体2的先前确定的方向3和物体2的周期性运动部分的取向来确定物体2的运动方向。例如，可以使用诸如gps系统的外部定位系统10来确定先前确定的方向3。

在图6中示出了卫星系统和根据本发明的至少一些实施例的系统的示意图。其中示出了卫星10的示意图，其例如可以是gps卫星。根据本发明的系统1配备有磁力计12和加速度传感器13。系统1例如可以是如图1所示的系统。

基于从外部定位系统10接收的信号14来确定系统1的主要位置指示。从这些信号14中还可以确定人的第一运动方向。

可以基于加速计传感器13的信号以下述方式来计算系统1的地磁方位：在选定的时间段上对所测量的加速度数据进行积分以确定物体2的所述周期性运动部分相对于水平面的倾斜，并且测量特征位置中的周期性运动部分的外部磁场以确定所述周期性运动部分相对于外部磁场的取向。如果该运动是有节奏的或周期性的(其几乎总是在人携带该装置时)，可以从系统1的地磁方位上获得该人的任何进一步的方向。

然后例如可以基于相同或不同的加速计传感器13的信号或任何其他速度传感器、轮式传感器、转速计、叶轮或皮托管来计算速度数据，并且可以基于已知的先前位置、方向数据、速度数据和计时工具来获得系统的次要位置指示。如果卫星信号的质量或可用性低于预定的阈值，则可以使用次要位置指示而不是主要位置指示来确定系统1的位置。

在图7中示出了根据本发明的至少一些实施例的室外位置确定的示例的示意图。携带根据本发明的某些实施例的系统1的人2将要沿着山区m1、m2中的道路t跑步或行走。由于山区m1和m2的原因，卫星定位信号具有沿着道路t的其中卫星信号微弱或不存在的阴影区域s1和s2。沿着道路t偶尔能提供卫星信号覆盖，如辐射图案c1、c2和c3所示。

在点p1处，系统1在其进入阴影区域s1时失去与卫星导航系统的联系。s1则是基于卫星导航系统的最后已知的“好”位置，即主要位置指示。阴影区域s1中的用户2的方向和速度由系统中的处理单元通过基于来自卫星系统的信号c1计算主要位置指示来确定，以确定用户在点p1处的位置。

在点p1和p2之间，系统1的处理单元使用来自系统中的加速度计的传感器信号来记录用户的运动数据，并基于传感器信号如结合图1所描述的那样计算用户2的运动方向。处理单元将用户2的方向数据记录在存储器单元中，以便确定用户2的当前方向。它还计算用户2在每个方向上的速度。方向和速度数据存储在存储器单元中，以便跟踪和存储用户沿着道路t的次要位置指示，其被计算为距p1处的最后已知位置的距离。然后，系统1可以基于点p2处的次要位置指示提供该点处的用户2的第二位置。在点p2和p3之间再次提供了卫星覆盖c2，并且基于来自卫星系统的信号c2用点p2处的新的主要位置指示来更新用户2的位置。当用户2在点p3处进入阴影区域s2时，则开始与阴影区域s1中相同的过程。在点p4处，则可再次得到基于来自卫星系统的信号c3的主要位置指示。

对于越野跑的跑步者，除了水平面中的任何方向之外，还可以记录跑步者的垂直z方向，即高度的变化。可以通过使用例如由空气压力传感器测得的空气压力数据所计算的高度数据来执行垂直z方向的记录。将此信息映射到地形图与时间的关系，可以提供跑步者的地面速度和位置的信息。

在图8中示出了根据本发明的至少一些实施例的户外位置确定的另一示例的示意图。携带根据本发明某些实施例的系统1的人2即将沿着不同建筑物之间的市区中的道路t跑步或行走。由于建筑物的原因，卫星定位信号具有沿着该道路的其中卫星信号微弱、不存在或模糊的阴影区域s1和s2。沿着道路t偶尔能提供卫星信号覆盖，如辐射图案c1、c2、c3和c4所示。

在点p1处，系统1在其进入阴影区域s1时失去与卫星导航系统的联系。s1则是基于卫星导航系统的最后已知的“好”位置，即主要位置指示。阴影区域s1中的用户2的方向和速度由系统中的处理单元通过基于来自卫星系统的信号c1计算主要位置指示来确定，以确定用户在点p1处的位置。

在点p1和p2之间，系统1的处理单元使用来自系统中的加速度计的传感器信号来记录用户的运动数据，并基于传感器信号如结合图1所描述的那样计算用户的运动方向。处理单元将用户的方向数据记录在存储器单元中，以便确定用户2的当前方向。它还计算用户在每个方向上的速度，并确定人在任意方向上已经运动的时间。方向和速度数据存储在存储器单元中，以便跟踪和存储用户2沿着道路t的次要位置指示，其被计算为距p1处的最后已知位置的距离。然后，系统1可以基于点p2处的次要位置指示提供该点处的用户2的第二位置。在点p2和p3之间再次提供了卫星覆盖c2，并且基于来自卫星系统的信号c2用点p2处的新的主要位置指示来更新用户的位置。

当用户2在点p3处进入阴影区域s2时，卫星信号c3被建筑物h2反射，因此人的位置是模糊的。系统1的处理单元使用来自系统中的加速度计的传感器信号来记录用户的运动数据，并基于传感器信号如结合图1所描述的那样计算用户2的运动方向。处理单元将用户2的方向数据记录在存储器单元中，以便确定用户2的当前方向。它还计算用户在每个方向上的速度，并确定人在任意方向上已经运动的时间。方向和速度数据存储在存储器单元中，以便跟踪和存储用户2沿着道路t的次要位置指示，其被计算为距p3处的最后已知位置的距离。在点p4处，则可再次得到基于来自卫星系统的信号c4的主要位置指示。

可以从外部定位系统在特定的时间间隔内(例如每30秒或每分钟)确定主要位置指示。外部定位系统的信号质量也可以在特定的时间间隔内确定。用于确定主要位置指示的时间间隔和用于确定外部定位系统的信号质量的时间间隔可以是不同的或相同的。例如，可以基于信号强度和/或可用性来确定外部定位系统的信号质量。如果信号强度低于特定阈值，或者根本不能从外部定位系统接收信号，则可以计算用户2的次要位置指示。次要位置指示的计算也可以永久地进行。所跟踪的次要位置指示也可以显示在系统1的显示器上，例如结合地图地显示。

在图9中示出了根据本发明的至少一些实施例的室内位置确定的示例的示意图。携带根据本发明某些实施例的系统1的人2即将沿着通过隧道或隧道系统的道路t跑步或行走。隧道有一个入口entr和两个独立的出口e1、e2。沿着道路t偶尔能提供卫星信号覆盖，如辐射图案c1和c2所示。由于隧道的原因，卫星定位信号在点p1处的隧道入口entr和点p2处的隧道出口e1之间丢失。

通过基于来自卫星系统的信号c1来计算主要位置指示以确定用户2在点p1处的位置，从而由系统中的处理单元来确定用户2在隧道中的方向和速度。

在点p1和p2之间，系统1的处理单元使用来自系统中的加速度计的传感器信号来记录用户的运动数据，并基于传感器信号如结合图1所描述的那样计算用户的运动方向。处理单元将用户2的方向数据记录在存储器单元中，以便确定用户2的当前方向。它还计算用户2在每个方向上的速度，并确定人在任意方向上已经运动的时间。方向和速度数据存储在存储器单元中，以便跟踪和存储用户2沿着道路t的次要位置指示，其被计算为距p1处的最后已知位置的距离。然后，系统1可以基于点p2处的次要位置指示提供该点处的用户2的第二位置。在点p2处再次提供了卫星覆盖c2，并且基于来自卫星系统的信号c2用点p2处的新的主要位置指示来更新用户的位置。因此，可以计算和/或监控隧道或隧道系统内人的位置。特别地，可以计算和/或监视人2位于或已经位于隧道或隧道系统的哪个部分。

由于在点p1和p2之间沿着道路t没有可用的卫星信号，因此例如可以基于特定时间间隔内的所述主要位置指示、所述方向数据和所述速度数据来确定人2的次要位置指示。时间间隔例如可以是1秒、5秒或10秒。换句话说，只要在点p1和p2之间没有可用的卫星信号，就例如可以每秒进行一次次要位置指示的计算和/或监测。因此，次要位置指示数据、速度数据和方向数据可以每秒地存储在根据本发明的某些实施例的系统的存储器中。根据本发明的某些实施例，次要位置指示数据、速度数据和方向数据可以额外地或替代地经由无线连接发送到服务器基础设施或任何其他计算设备。当然，这些数据也可以在稍后阶段读出。

根据本发明的一些实施例，可以在系统的显示器上显示出次要位置指示数据、速度数据和方向数据中的至少一个。特别地，次要位置指示数据可以显示在系统显示器上的地图上。次要位置指示数据可以实时地或在稍后阶段显示出来。根据某些实施例，所跟踪的次要位置指示数据可以实时地或在稍后阶段显示在另一设备的显示器上的地图上。根据某些其他实施例，所跟踪的次要位置指示数据可以实时地或在稍后阶段显示在可通过互联网访问的地图上。此外，可以在根据本发明的一些实施例的系统的显示器上、在另一个设备上或在因特网中显示可从次要位置指示数据、速度数据和方向数据中的至少一个中所导出的数据。当然，也可以在根据本发明的一些实施例的系统的显示器上、在另一个设备上或在因特网中显示可从主要位置指示数据中所得到或导出的数据。

此外，点p1和p2处的两个外部定位信号可用于校准运动方向、次级位置指示的计算和系统1的传感器中的至少一个。通常可采用任何两个或更多个外部定位信号来进行校准。校准可以永久地进行，即例如也可以在外部定位信号可用时或在特定时间间隔内发生。由于在外部定位信号不可用或信号质量不足的情况下提供了良好校准的系统，因此对两个不同外部定位信号之间的次级位置指示的计算进行永久性校准是有益的。校准可以是个性化的。例如，人可以以手表的形式佩戴根据本发明的一些实施例的系统1。不同的人在行走或跑步时会不同地移动他们的手臂，因此即使当人们以相同的速度行走或跑步时，加速度传感器也会测量到不同的加速度。由于发生这种不同的加速度，每个系统1可以不同地校准。换句话说，系统1的校准可以是个性化的，特别是通过永久地校准次级位置指示的计算。

在图9的隧道示例中，在点p2处所计算的次要位置指示与在点p2处从外部定位系统接收的新的主要位置指示相同。次要位置指示和新的主要位置指示之间的任何偏差可用于校准多个参数。独立的参数例如可以是速度和方向。可采用数学优化算法来校准多个参数。例如，可以使用最小二乘法或单纯形法。例如，通过最小化来自曲线的点的偏差的平方和，可以使用数学过程来找到给定点集合的最佳拟合曲线。当应用这种所谓的最小二乘拟合时，使用偏差的平方和而不是绝对值。当偏差的平方和最小时，最小二乘法就找到了其最优解。因此，可以平衡不同误差源的影响，以便最好地拟合人的位置。

在图10中示出了根据本发明的至少一些实施例的室内位置确定的另一示例的示意图。携带根据本发明某些实施例的系统1的人2将要沿着建筑物h1(例如体育场)内的道路t跑步或行走。建筑物h1具有入口entr和出口e1。卫星定位信号在沿着道路t的点p1处的建筑物h1的入口entr和点p2处的建筑物h1的出口e1之间丢失。

通过基于来自卫星系统的信号c1来计算主要位置指示以确定用户2在进入建筑物h1的点p1处的位置，从而由系统中的处理单元来确定用户2在建筑物h1中的位置、方向和速度。

在点p1和p2之间，系统1的处理单元使用来自系统中的加速度计的传感器信号来记录用户的运动数据，并基于传感器信号如结合图1所描述的那样计算用户2的运动方向。处理单元将用户2的方向数据记录在存储器单元中，以便确定用户2的当前方向。它还计算用户2在每个方向上的速度，并确定人在任意方向上已经运动的时间。方向和速度数据存储在存储器单元中，以便跟踪和存储用户2沿着道路t的次要位置指示。

在建筑物h1内，人2例如可以沿着400米的跑道跑步或行走特定距离。借助于根据本发明的一些实施例的系统1，可以在建筑物h1内计算和/或监视用户2的位置、速度和方向以及覆盖距离。特别地，还可以计算和/或监视用户的速度和方向的变化。换句话说，系统1被配置为计算点p1和p2之间的任何位置。该计算还特别包括移动的人2的方向的改变。在图10的示例中，人2沿着400m一圈的跑道的一半朝着点p2移动，然后再沿着该400m一圈的跑道的一半朝向点p1移动，之后再沿着该400m一圈的跑道的一半朝向点p2移动。可以使用所提供的磁力计数据由系统来计算这种方向变化。因此，系统1可以计算和/或监视点p1和p2之间(其中外部定位信号不可用或质量不足)的人2的任何轨迹。

当在点p2处经由出口e1离开建筑物h1时，系统1然后可以基于点p2处的次要位置指示在该点处提供用户2的第二位置。在点p2处，再次提供卫星覆盖c2，并且基于来自卫星系统的信号c2用点p2处的新的主要位置指示来更新用户的位置。因此，可以在点p1和p2之间计算和/或监视建筑物h1内的人2的位置、速度和方向。

在图11中示出了根据本发明的至少一些实施例的系统的示例。图示的是系统600，其例如可以包括读出系统，或者包括具有读出和分析功能的集成系统。处理器610包括在系统600中，其例如可以包括单核或多核处理器，其中单核处理器包括一个处理核心，而多核处理器包括一个以上处理核心。处理器610可包括一个以上的处理器。处理核心例如可以包括由armholdings公司制造的cortex-a8处理核心，或由advancedmicrodevices公司生产的steamroller处理核心。处理器610可以包括至少一个qualcommsnapdragon和/或intelatom处理器。处理器610可以包括至少一个专用集成电路asic。处理器610可以包括至少一个现场可编程门阵列fpga。处理器610可以是用于执行系统600中的方法步骤的装置。处理器610可以至少部分地由计算机指令配置以执行动作。

系统600可以包括存储器620。存储器620可以包括随机存取存储器和/或永久存储器。存储器620可以包括至少一个ram芯片。例如，存储器620可以包括固态、磁性、光学和/或全息存储器。存储器620可以至少部分地可由处理器610访问。存储器620可以至少部分地包括在处理器610中。存储器620可以是用于存储信息的装置。存储器620可以包括处理器610被配置为来执行的计算机指令。当被配置为使处理器610执行某些动作的计算机指令被存储在存储器620中，以及系统600整体上被配置为使用来自存储器620的计算机指令而在处理器610的指导下运行时，处理器610和/或其至少一个处理核心可认为被配置为执行所述特定动作。存储器620可以至少部分处在系统600之外，但可由系统600访问。

系统600可以包括发射器630。系统600可以包括接收器640。发射器630和接收器640可以被配置为根据至少一个通信标准分别发送和接收信息。发射器630可包括一个以上的发射器。接收器640可包括一个以上的接收器。发射器630和/或接收器640可以被配置为例如根据全球移动通信系统gsm、宽带码分多址wcdma、5g、长期演进技术lte、is-95、无线局域网wlan，以太网和/或全球微波接入互操作性wimax标准来操作。接收器640被配置为从外部定位系统接收信号，例如gps卫星信号。系统600可包括单个接收器640，或多个不同的接收器640。

系统600可以包括读出电路650。系统600可以包括用户界面ui660。ui660可以包括显示器、键盘、按钮、触摸屏、振动器(其设置成通过使系统600振动来向用户发送信号)、扬声器和麦克风中的至少一个。用户能够通过ui660来操作系统600，例如以开始和停止位置数据的监视。

处理器610可以配备有发射器，其配置成经由系统600内部的电引线从处理器610输出信息到系统600中的其他系统。这种发射器可以包括配置成例如通过至少一个电引线输出信息到存储器620以便存储在其中的串行总线发射器。作为串行总线的替代，发射器可以包括并行总线发射器。同样地，处理器610可以包括接收器，其配置为经由系统600内部的电引线从系统600内的其它系统中接收处理器610中的信息。这样的接收器可以包括串行总线接收器，其配置为例如经由至少一个电引线接收来自接收器640的信息，以用于在处理器610中进行处理。作为串行总线的替代，接收器可以包括并行总线接收器。

处理器610、存储器620、发射器630、接收器640、读出电路650和/或ui660可以通过多种不同方式由系统600内部的电引线互连。例如，上述系统中的每一个可以分别连接到系统600内的主总线，以允许系统交换信息。然而，如技术人员将理解的那样，这仅是一个示例，并且取决于实施例的情况，可以选择在上述系统中互连至少两个的各种方式而不脱离本发明的范围。

根据某个实施例，系统600还包括x、y、z加速度计和x、y、z磁力计。空气压力传感器可以是附加的可选特征。即，系统600包括用于测量三维加速度、用于测量三维方向以及用于测量空气压力的器件。可以从结合主要位置指示的测量数据中导出用户的方向、速度和位置。该系统还被配置为通过计时工具来记录物体在任何方向上已经运动的时间。

根据另一特定实施例，系统600还包括x、y、z加速度计，x、y、z陀螺仪，以及x、y、z磁力计以及空气压力传感器。可以将陀螺仪添加到系统中，以减轻磁干扰的影响以及当周期性运动受到干扰时(例如当人在摆手时)的情况。如果在开始时已知了方向，则理论上积分陀螺仪数据可以告知在任何稍后的时间点处的方向。由于传感器误差的原因，陀螺仪测量需要与其他传感器测量相结合。陀螺仪为系统增加了额外的误差源。可以使用数据的行为来估计陀螺仪误差。假设运动方向没有改变，陀螺仪信号在选定的后续周期上的积分应该为零。因此，除了加速度计和磁力计数据之外，还可以通过使用陀螺仪数据来确定运动方向。此外，陀螺仪能够以不同的方式定义周期。如果根据加速度计信号中的峰值来估计周期，则存在一些延迟，这是因为峰值不会被立即接受。然而，可使用陀螺仪信号的过零点来估计该周期，以进行无延迟的检测。这意味着无需缓冲陀螺仪数据以进行积分。在腕式设备的情况下，根据函数f＝wy-wz的过零点来计算周期是方便的，其中wy是陀螺仪测量数据，并且假定x方向指向运动方向。

根据一些实施例，系统600例如可以是智能电话或平板电脑。根据其他实施例，该系统可以是腕上式计算机。上述装置可以全部包含在单个设备中，或者在系统的不同设备中彼此分离。例如，加速度计、陀螺仪、磁力计、空气压力传感器和被配置为从外部定位系统中接收信号的接收器可以包含在腕上式计算机中。根据另一特定实施例，加速计、磁力计和空气压力传感器可以包含在腕上式计算机中。配置成从外部定位系统接收信号的接收器和处理器610可以包含在单独的计算设备中。然后，腕上式计算机和计算设备被配置为经由个人局域网络发送和接收数据。换句话说，加速度数据、方向数据和压力数据可以由腕上式计算机测量，并传输到计算设备。外部定位信号可以额外地由计算设备接收。然后，可以基于加速度计传感器信号由计算设备计算所述运动物体在所述方向上的速度，并且由计算设备确定所述物体的次要位置指示。最后，所跟踪的次要定位信号可以由计算设备显示。

系统600可以包括图11中未示出的另一设备。在一些实施例中，系统600可以缺少至少一个上述设备。

应理解，所公开的本发明的实施方案不限于本文公开的具体结构、工艺步骤或材料，而是延伸至如相关领域的普通技术人员所认识到的其等同物。还应该理解，本文采用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，而不是限制性的。

本说明书中对一个实施例或实施例的引用意味着针对该实施例所描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书各处出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指同一个实施例。在使用术语如“大约”或“基本上”来说明某一数值时，也同时公开了精确的数值。

如本文所使用的，为方便起见，可以在共同列表中呈现多个项目、结构元素、组成元素和/或材料。但是，这些列表应该被解释为好像列表中的每个成员都被单独标识为一个独立且独特的成员。因此，此类列表中的任何个别成员不应仅仅根据其在一个共同组中的陈述而被解释为该列表中任何其他成员的事实上的等同物，除非有相反的指示。另外，本文中的各种实施方案和实施例可以与其各种组分的替代物一起提及。应当理解，这些实施例、示例和替代方案不应被解释为彼此事实上的等同物，而是应被视为本发明的单独和自主的表示。

此外，所描述的特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。在以下描述中，提供了许多具体细节，例如长度、宽度、形状等的示例，以提供对本发明实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者利用其他方法、组件、材料等来实践本发明。在其他情况下，众所周知的结构、材料或操作未详细示出或描述，以避免使本发明的各个方面不突出。

虽然前述示例在一个或多个特定应用中说明了本发明的原理，但是对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的原理和概念的情况下，可以在形式、使用和实现细节的情况下进行多种修改。因此，除了下面提出的权利要求之外，本发明并不受到限制。

动词“包括”和“包含”在本文中用作开放性限制，其既不排除也不要求也存在未记载的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中所述的特征可相互自由组合。此外，应该理解，在整个本文件中使用“一个”(即单数形式)并不排除多个。

工业应用性

本发明的至少一些实施例在确定物体的运动方向中具有工业应用性。

缩写词列表

gps全球定位系统

gsm全球移动通信系统

lte长期演进技术

ui用户接口

wcdma宽带码分多址移动通信系统

wimax微波存取全球互通

wlan无线局域网

附图标记列表

1系统

2物体

3第一方向

4第二方向

5第三方向

6周期性运动

10卫星

12磁力计

13加速度计

14信号

600系统

610处理器

620存储器

630发射器

640接收器

650读出电路

660用户接口

c1-c4卫星信号

e1第一出口

e2第二出口

entr入口

h1-h2建筑物

m1-m2山

p1第一点

p2第二点

p3第三点

p4第四点

t道路

peak峰值

mean平均值

引用文献

专利文献gb2497153