使用惯性传感器和短波低能耗设备的室内导航系统的制作方法
本发明涉及一种室内导航系统，并且特别地但非排他地涉及使用惯性传感器和蓝牙信标的室内导航系统。
背景技术：
电子导航系统是在20世纪40年代左右开发的。科学家能够利用无线电信号偏移的多普勒效应追踪人造卫星。卫星发送的信号可以被陆地接收器用于导航。这种系统通常被称为全球定位系统(gps)。
为了有效地使用gps卫星信号操作导航系统，gps接收器必须能够访问至少四颗卫星的标记。尽管可以使用来自三颗卫星的标记来计算gps接收器的估计位置，但是该位置是在gps接收器位于平均海平面的前提下计算的。如果gps接收器处于平均海平面，则该位置将相当准确。但是，如果gps接收器明显高于或低于平均海平面，则计算出的位置甚至不会接近实际位置。
在开放的地区中，诸如在空域中飞行或在公海中航行，通常相对容易同时获得访问四颗卫星。
但是，由于带有频率无线电波信号(1575.42mhz和1227.6mhz)的gps卫星信号被设计为可传播很长的距离，但穿透力却很低。当gps接收器天线位于被高大建筑物包围的城市内部或建筑物内部时，无法直接在视线范围内接收多个卫星信号。gps接收器无法准确计算当前位置。
用于在建筑物内导航的传统系统通常是昂贵的或无效的。例如，与建筑物内的射频记号的安装基座相关的安装和运营成本是不容易克服的重大障碍。另外，建筑物内射频导航信号的接收不佳，诸如基于卫星的导航系统(例如，全球定位系统)所使用的信号，妨碍了广泛接受。
技术实现要素：
本发明可以克服或改善现有技术的至少一个缺点，或提供一种有用的替代方案。
当考虑以下说明和附图时，本发明的其他优点将变得显而易见。
根据本发明的第一方面，提供了一种定位追踪设备，包括：无线模块，其用于从外部无线设备接收位置参考，并确定与所述外部无线设备的距离；惯性测量单元(imu)，其具有用于获得加速度矢量的加速度计和用于获得角速度矢量的陀螺仪；以及处理单元，其用于从所述位置参考确定相对于全局框架的第一估计坐标，并利用所述加速度矢量、角速度矢量和环境大气压力来计算相对于全局框架的第二估计坐标。
在第一方面的实施例中，所述imu还包括用于测量外部磁场的磁场矢量的磁力计和/或用于获得环境大气压力的压力传感器。
在第一方面的实施例中，所述imu适于对所述加速度计和陀螺仪执行自校准。
在第一方面的实施例中，所述imu包括用于对指示其移动的步数的数量进行计数的步数计数器。
在第一方面的实施例中，所述imu适于通过对所述加速度矢量和所述步数进行积分来得出步幅长度。
在第一方面的实施例中，所述处理单元适于利用从所述imu获得的角速度矢量来得出相对于所述全局框架的估计高度。
在第一方面的实施例中，所述处理单元适于利用从所述imu获得的角速度矢量和从所述imu获得的加速度矢量来得出相对于全局框架的估计位移矢量。
在第一方面的实施例中，所述处理单元适于利用所述位移矢量和所述第一估计坐标来得出所述第二估计坐标。
在第一方面的实施例中，所述处理单元适于将所述第二估计坐标转发给计算机处理器，其中，所述计算机处理器适于在局部地图上生成相对的当前位置。
在第一方面的实施例中，所述计算机处理器与显示屏相关联，以在所述显示屏上显示所述局部地图以及所述相对的当前位置。
在第一方面的实施例中，所述计算机处理器适于生成导航信息以在所述显示屏上显示。
在第一方面的实施例中，所述计算机处理器与语音模块相关联，以在扬声器上播放可听格式的导航信息。
在第一方面的实施例中，所述计算机处理器被配置在智能设备上。
在第一方面的实施例中，所述智能设备是智能电话、手持平板电脑、膝上型计算机、台式计算机、电子定位系统、车辆、飞机、无人机、机器人、船只和生物力学设备中的任何一种。
在第一方面的实施例中，定位追踪设备还包括硬件接口，以电连接到所述计算机处理器。
在第一方面的实施例中，定位追踪设备还包括用于安装在可穿戴设备上的装置。
在第一方面的实施例中，所述无线模块适于与电连接至所述计算机处理器的无线通信模块进行通信。
在第一方面的实施例中，所述无线模块适于通过无线协议与所述无线设备进行通信。
在第一方面的实施例中，无线协议是蓝牙协议、wi-fi协议和li-fi协议中的任何一个。
在第一方面的实施例中，所述位置参考被嵌入到数据分组中，所述数据分组包括所述无线设备的通用唯一标识符(uudi)和数据负载。
在第一方面的实施例中，所述数据分组由所述无线设备以预定时间周期广播。
在第一方面的实施例中，所述无线设备被配置为在一个预定时间周期中广播多个数据分组，其中，每个数据分组包括所述无线设备的uudi和所述负载中的不同位置参考。
在第一方面的实施例中，数据负载被加密。
在第一方面的实施例中，所述无线设备适于通过安全信道与服务器通信，使得所述服务器适于远程配置所述无线设备。
在第一方面的实施例中，所述处理单元适于将所述位置参考转发给所述计算机处理器，其中，所述计算机处理器适于从具有所述位置参考的位置数据库中检索全局坐标。
在第一方面的实施例中，位置数据库被安装在服务器上。
在第一方面的实施例中，计算机处理器与网络模块相关联，以通过网络与服务器通信。
在第一方面的实施例中，无线模块还被布置为确定距至少一个信标设备的距离。
在第一方面的实施例中，信标设备包括蓝牙信标。
在第一方面的实施例中，信标设备被布置为单向辐射。
在第一方面的实施例中，信标设备包括单向天线。
根据本发明的第二方面，提供了一种使用定位追踪设备和一个或多个无线设备的室内导航方法，包括以下步骤：从所述一个或多个无线设备接收位置参考，并确定与所述设备的距离；从所述位置参考确定相对于全局框架的第一估计坐标，通过所述定位追踪设备的惯性测量单元(imu)的加速度计获得加速度矢量，通过所述imu的陀螺仪获得角速度矢量，以及利用所述加速度矢量、角速度矢量和环境大气压计算相对于全局框架的第二估计坐标。
在第二方面的实施例中，该方法还包括以下步骤：通过用于在所述imu上测量的磁力计获得外部磁场的磁场矢量；和/或通过所述imu的压力传感器获得环境大气压。
在第二方面的实施例中，该方法还包括以下步骤：对所述加速度计和陀螺仪执行自校准。
在第二方面的实施例中，该方法还包括以下步骤：经由所述imu的步数计数器获得指示移动的步数的数量。
在第二方面的实施例中，该方法还包括以下步骤：通过对所述加速度矢量和所述步数进行积分来得出步幅长度。
在第二方面的实施例中，该方法进一步包括以下步骤：利用从所述imu获得的角速度矢量得出相对于所述全局框架的估计高度。
在第二方面的一个实施例中，该方法还包括以下步骤：利用所述角速度矢量和加速度矢量，得出相对于全局框架的估计位移矢量。
在第二方面的实施例中，该方法还包括以下步骤：利用所述位移矢量和所述第一估计坐标得出所述第二估计坐标。
在第二方面的实施例中，该方法还包括以下步骤：将第二估计坐标转发给智能设备，其中该智能设备适于在局部地图上生成相对的当前位置。
在第二方面的实施例中，所述智能设备与显示屏相关联，以在所述显示屏上显示所述局部地图以及所述相对的当前位置。
在第二方面的实施例中，智能设备适于生成导航信息以显示在显示屏上。
在第二方面的实施例中，智能设备与语音模块相关联，以在扬声器上以可听格式播放导航信息。
因此，本发明的一个优点是提供一种在封闭环境中的导航系统，特别是提供一种室内导航系统。
有利地，导航系统利用惯性传感器和射频信号来确定当前位置。
本发明的另一个优点是提供一种使用惯性传感器和射频信标两者的室内导航系统，以向用户提供准确的导航信息。
附图说明
现在将参考附图通过示例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1是示出根据本发明的实施例的室内导航系统的示意图；
图2是图1的室内导航系统的硬件平台的示意图；
图3是用于计算图1的室内导航系统的当前位置的过程的示意图；
图4是图1的室内导航系统的捷联导航算法的示意图；
图5是图1的室内导航系统的导航处理的示例的示意图；
图6是两个辐射全向信号的信标的示例操作的示意图；
图7是示出检测从单一源在三个不同位置发射的全向信标信号的示意图；
图8是示出两个辐射单向信号的信标的示例操作的示意图；以及
图9是示出检测从单个源在三个不同位置发射的单向信标信号的示意图。
具体实施方式
发明人通过他们自己的研究、试验和实验，已经设计出便携式设备可以用于定位追踪对象以及基于被定位追踪的位置来提供实时导航信息。
在一个示例实施例中，可以使用产生位置和方位数据的便携式设备以便于在建筑物内的移动。该设备可以是例如手持式的或固定在拐杖上的。导航数据来自内表面和航位推测传感器的反射。该便携式设备包括：第一传感器，被配置为提供转速数据；以及第二传感器，被配置为基于反射信号提供距离数据；处理器，耦合到第一传感器和第二传感器，并配置成使用转速数据和距离数据执行算法，以确定相对于地标的位置和相对于地标的航向中的至少一个。该现有技术取决于设备的传感器，该传感器由于偏置、噪声、闪烁、漂移和其他环境干扰而可能不准确。
在替代示例中，提供了一种导航设备，该导航设备用于使用现有的蜂窝电话作为显示内容和导航的移动应用来在室内和室外的城市环境中引导人们。该移动应用包括以下步骤：a)加载局域/设施地图；b)用无线射频(rf)信标确定当前位置；c)在蜂窝电话上显示所述当前位置；d)在局域/设施地图上所示的信标位置之间导航；e)基于显示设备的位置接收局部内容，该位置由附近信标的信标标识符标识。
在又一示例实施例中，可以使用具有在局部区域周围部署的一系列rf信标以创建基础设施的导航系统。所公开的移动应用可以利用rf信标来确定用户相对于局域的位置，并将其在相关地图上的位置通知用户。该移动应用包括以下步骤：使用移动设备扫描任何局部信标信号；以及解码信标信号以获得所述包括的已知的各个信标物理位置信息，并确定所述移动设备在所述至少一个封闭结构的封闭结构的所述内部内的当前位置，其中，基于所述移动设备的所述当前位置基于从所述接收的信标信号解码的各个信标物理位置信息来确定。
现在将参考附图详细描述本发明的实施例，这些附图被提供作为本发明的说明性示例，以便使本领域技术人员能够实施本发明。值得注意的是，下面的附图和示例并不意味着将本发明的范围限制为单个实施例，而是可以通过互换所描述或图示的一些或全部元件来实现其他实施例。此外，在可以使用已知组件部分或完全实现本发明的某些元件的情况下，将仅描述理解本发明所必需的那些已知组件的那些部分，并且为了避免混淆本发明这些已知组件的其他部分的详细描述将省略。被描述为以软件实现的实施例不限于此，而是可以包括以硬件或软件和硬件的组合实现的实施例，反之亦然，如对本领域技术人员显而易见的，除非本文另外指明。在本说明书中，示出单个部件的实施例不应被认为是限制性的。相反，除非本文另外明确指出，否则本发明旨在涵盖包括多个相同组件的其他实施例，反之亦然。此外，除非明确提出，否则申请人不希望说明书或权利要求书中的任何术语具有不常见或特殊的含义。此外，本发明涵盖本文通过举例说明所指的已知组件的当前和将来的已知等效件。
本发明涉及一种使用惯性传感器和无线电(rf)频率信标的室内导航系统。在本发明的一个实施例中，提供了一种与射频低能耗信标和惯性传感器多层室内导航系统结合的智能设备。
在图1所示的一个实施例中，提供了一种室内导航系统10，其包括手持设备12，该手持设备具有一个或多个用于位置校准和检测的惯性传感器，以及存储单元，用于存储室内地图；射频处理单元，用于接收和处理由一个或多个外部射频信标14广播的射频信号。
在本发明的室内导航系统的一个优选实施例中，该系统包括：rf使能可穿戴设备，具有特定内置软件应用和室内数字地图的智能设备；以及和一个或多个rf信标。在优选实施例中，rf信标是适于通过蓝牙协议进行通信的蓝牙或蓝牙低能耗(ble)信标。在另一个实施例中，rf信标是适于通过wi-fi协议进行通信的wi-fi信标。在又一个实施例中，rf信标是适于通过li-fi协议进行通信的li-fi信标。
在如图2所示的本发明的一个实施例中，提供了一种定位追踪设备20，其包括：低能耗无线模块(ble模块)26，用于从一个外部低能耗无线设备(ble设备)14接收位置参考，并确定与外部低能耗设备的距离；惯性测量单元(imu)28具有用于测量加速度矢量的加速度计和用于测量角速度矢量的陀螺仪，用于从位置参考确定第一估计全局坐标并利用加速度矢量、角速度矢量和环境大气压计算第二估计全局坐标的处理单元22。
可选地，imu28还可包括用于测量外部磁场的磁场矢量的磁力计和/或用于获得环境大气压力的压力传感器。这些附加检测器可以提供补充信息，用于确定定位追踪设备的实时位置。
在一个优选实施例中，处理单元22可以用于配置一种或多种算法以确定第一估计全局坐标和第二估计全局坐标中的一个或多个。在另一实施例中，用于确定第一估计全局坐标和第二估计全局坐标中的一个或多个的算法被预编程并存储在与处理单元22相关联的存储单元中。
在优选实施例中，智能设备12可以是智能电话、手持式平板电脑、膝上型计算机、台式计算机、电子定位系统、车辆、飞机、无人机、机器人、船只和生物力学设备中的任何一种。在另一个实施例中，智能设备可以是单板计算机，甚至是微处理器。
如图2所示，在另一个优选实施例中，可穿戴设备和智能设备包括定位电路或微控制器。定位电路20具有处理核心，诸如数字信号处理器(dsp)、现场可编程门阵列(fpga)、可编程逻辑设备(pld)、可编程微控制器或计算机处理器。处理单元中的不同组件可以被设计为在定位追踪过程中执行不同的任务。例如，dsp可以适于执行复杂的计算和任务调度，fpga或pld可以适于在并行和接口控制中执行高速数字信号处理。rf单元26和惯性测量单元(imu)28用于接收rf信号和惯性数据，它们通过fpga的i/o连接到处理器。imu28可以包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计和高度计或气压传感器。另外，定位电路20上的所有单元可以共享相同的时钟，该时钟可以是温度补偿晶体振荡器(tcxo)、柱箱控制晶体振荡器(ocxo)或其他外部时钟。
优选地，三轴加速度计可以被包括在优选实施例的可穿戴设备或智能设备的内部，其适于测量加速度，该加速度是物体速度的变化率。本发明的实施例的测量单位是米/平方秒(m/s2)或重力(g)。通常，加速度计适于感测加速度的静态或动态力。静态力包括重力，而动态力可以包括振动和移动。因此，加速度计可用于感测系统中的振动或定向应用。
imu28内的加速度计或任何其他传感器适于在imu中的模拟、数字或脉宽调制的连接接口上进行通信。
在应用级别中，imu28中的加速度计或其他传感器适用于为每个应用编程接口调用返回传感器值的多维数组。例如，在单个传感器事件期间，加速度计返回三个坐标轴的加速度数据，而陀螺仪返回三个坐标轴的转速数据。这些数据值与其他imu参数一起以浮点数组(值)形式返回。
在优选实施例中，imu框架使用标准的3轴坐标系来表达数据值。对于大多数传感器，当设备保持在其默认方向时，坐标系相对于主体框架，该主体框架相对于可穿戴设备或智能设备12的屏幕限定。以默认方向握住设备时，x轴为水平并指向右侧，y轴为垂直并指向上方，z轴指向屏幕表面的外部。在此系统中，屏幕后面的坐标具有负z值。当设备的屏幕方向改变时，这些轴不会交换-也就是说，传感器的坐标系不会随着设备的移动而改变。在另一个实施例中，可以使用相对于全局框架的坐标系。
在另一个实施例中，imu28提供温度补偿模块以增加航位推测情况下的精度。
另一方面，陀螺仪是测量或保持旋转移动的设备。mems(微机电系统)陀螺仪是用于测量角速度的小型廉价传感器。角速度只是旋转速度的度量。在一个实施例中，陀螺仪传感器的测量单位是转/平方秒(rad/s2)。本发明的实施例的imu28的陀螺仪传感器也可以用于确定方位并且可以在大多数自主导航系统中找到。
优选地，可以在定位过程的开始使用加速度传感器和陀螺仪传感器来对准和校准加速度传感器和陀螺仪。接收外部rf信标信号并将其用于辅助该过程，例如以确定定位追踪设备20的初始参考位置。
当对准和校准完成时，加速度计和陀螺仪数据然后被集成到rf信标信号中以确定可穿戴设备或智能设备12的速度和位置。
本发明的优选实施例的imu28的磁力计传感器是适于检测沿三个垂直轴x，y和z的地球磁场的设备。霍尔效应传感器产生与沿每个传感器指向的轴线的磁场的强度和极性成正比的电压。感测到的电压被转换为代表磁场强度的数字信号。磁力计读数以微特斯拉单位(μt)报告。
可选地，本发明的实施例的imu28还可包括高度计或气压传感器。高度计或气压传感器适用于测量其周围空气的绝对压力。该压力随天气和海拔高度而变化。在一实施例中，imu28包括温度补偿模块以增加确定大气压力的精度。
在本发明的另一优选实施例中，imu28还可包括其他移动传感器、位置传感器和环境传感器。例如，在一个实施例中，imu28包括步数计数器，用于对自从传感器被激活后的最后一次重启以来用户所行进的步数进行计数。在imu28上也可以使用其他传感器，诸如环境温度传感器、光传感器和相对湿度传感器。可替代地，加速度计和/或陀螺仪传感器可以作为具有适当步数计数算法的步数计数器来操作。
本发明实施例的定位电路20包括用于处理由rf信标和其他rf设备广播的rf信号的rf单元26。在一个实施例中，rf单元包括具有微控制器的蓝牙低能耗(ble)模块，微控制器用于处理来自ble信标14的信号。
在本发明的实施例中，rf单元26为可穿戴设备或智能设备提供双向无线链路以与智能设备10通信。它被用于将惯性传感器数据发送到应用以进行数据处理。
本发明的实施例的智能设备12可以是具有内置rf或ble技术的任何智能电话，并且能够运行专用应用。智能设备是导航系统的核心。惯性传感器与周围的ble信标信号一起为应用提供了必要的数据，以估算用户的实时位置和速度。
本发明的室内导航系统10包括rf或ble信标14中的一个或多个。在其他实施例中，可以实现为wi-fi信标或led信标。这些rf或ble信标14中的一个或多个安装在室内基础设施或封闭环境中。小型的通常由电池供电的rf或蓝牙发射器发出信号，应用使用该信号来计算精确到1米的位置。ble技术可使电池运行超过两年，而无需使用外部电源。它适用于几乎所有当前的操作系统。
在一优选实施例中，rf信标使用ble设备进行数据传输。ble设备设置为仅在广播模式或广告模式下运行。使用商定协议广播数据分组的每个ble设备都包含数据分组，该数据分组包括指纹或标识符以及位置数据。在一个实现方式中，数据分组包括：通用唯一标识符(uuid)、主要值和次要值。uuuid是一个128位的值，用于标识信标区域。主要值是一个16位无符号整数，可用于对具有相同邻近uuid的相关信标进行分组。次要值是一个16位无符号整数，用于区分具有相同邻近uuid和主要值的信标。
ble设备通常以固定间隔在短时间内广播数据。这些ble设备可以在预定的覆盖距离处校准信号强度，从而允许接收设备估计到发射器的距离并通过外部维护的数据库获得信标位置。覆盖距离越小，位置数据的精度越高。但是，需要更多的ble设备来覆盖同一区域。通常，覆盖距离设置为1米，以方便计算。
在一实施例中，位置数据是参考位置。当智能设备12接收参考位置时，它将与服务器16通信以检索位置矩阵或坐标数据以进行进一步处理，如图1所示。在另一个实施例中，智能设备12将映射信息存储在存储器中。已安装的软件应用可以从智能设备12中存储的映射信息中搜索位置矩阵或坐标数据。当智能设备12收听后台服务中的ble广播时，估计并以固定的时间间隔中继汇总的ble设备距离估计和相应的信标标识信息到中央服务器。从接收信号强度的强度和覆盖距离处的校准信号强度的强度得出这些距离值。
在智能设备12得出估计的信标距离之后，它将进一步为每个估计的距离分配一定的权重，使得较大的距离估计(其固有地更容易产生噪声)对最终位置估计的影响较小。最佳权重。然后将数据用于搜索瞬时位置。
在一种实现方式中，主要值和次要值是加密的数据，使得外部设备难以拦截信号。在一个实施例中，主要值和次要值包括公共密钥和使用对应的私有密钥或哈希值(hash)的加密参考。当智能设备12接收到信号时，它可以使用公共密钥和加密的消息或散列来验证广播信号的真实性，并将加密的消息发送回服务器以检索位置信息。
在另一个实施例中，ble设备14被配置为周期性地广播一系列位置参考。例如，1号ble设备广播它距离区域1的距离为0米。然后，它广播另一个信号，其表明距离区域2的距离为1.5米。然后，它广播另一个信号，其表明距离区域3的距离为1.3米。当智能设备12从两个或更多个ble设备接收到循环广播信号时，其可以交叉引用该信号，以便检测ble设备14中的任何错误、篡改或黑客攻击。
在另一个实施例中，服务器16适于创建与ble设备14通信的安全信道。服务器16将为ble设备14提供对时间敏感的加密密钥以对广播信号进行加密。当智能设备12接收到广播信号时，它可以与服务器16一起验证数据的流通性和有效性。由于加密密钥是时间敏感的，因此服务器16可以检测到加密数据是最新的还是过时的。
在本发明的一种实现中，imu28的惯性传感器可以提供足够的数据以实时地(相对于原点)估计相对位置。该相对位置通常可以用作校准的参考。为了将相对位置坐标与预定的环境rf或ble信标14信号指纹相结合，智能设备12可以将绝对实时位置绘制在数字地图上并提供导航指令。
现在参考图3，其中公开了本发明的优选实施例的惯性导航过程。惯性导航过程依赖于可穿戴设备或智能设备10中imu28的三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计来估计用户的速度和航向角。
从图3可以看出，加速度计32、陀螺仪34和磁力计36将采取电流测量方法来校准设备的噪声。
此后，室内导航系统10将继续基于三轴加速度计数据以及同时通过使用将要确定的某种算法的方位角48来估计速度。在该过程中，加速度计数据和陀螺仪数据被积分以得出室内可穿戴设备或智能设备12的携带位置42。
在本发明的实施例中，基于由气压计测量的气压随着高度增加而减小的特性来估计高度或地面变化44。
在图3所示的本发明中，加速度计数据、陀螺仪数据和磁力计数据被积分以得出高度估计滤波器46。该高度估计滤波器46与携带位置42、用户活动和加速度计数据相结合，用于确定可穿戴设备或智能设备10的航向角48。
替代地或可选地，可以结合诸如卡尔曼滤波器之类的其他滤波器以基于在定位追踪设备的操作期间由这些传感器中的一个或多个传感器重复且周期性地观察到的测量来提高位置或移动检测的准确性。
在如图3所示的一个实施例中，加速度计数据还可以用于得出所行进的步数52并估计步幅长度54。在另一实施例中，imu28包括用于对所行进的步数进行计数的步数计。
基于人的生理特征，三轴加速度计模量值的波形描述了周期性变化。周期性的变化也可以用来检测人们的步数。
可穿戴设备或智能设备的估计室内位置56可以通过海拔或地面变化估计值44，航向角48和步幅长度54得出。
惯性导航过程可以总结如下：
1、惯性传感器校准
2、使用蓝牙信标信号检测人体位置(导航的起点)
3、用户活动模式检测
4、脚步检测
5、可变步幅长度模型和校准
6、高度估计
7、速度估计
8、位置更新逻辑
9、在数字地图上绘制位置
10、导航信息的生成
在一个实施例中，以上步骤在智能设备12上的软件应用中执行。在另一实施例中，在微机电系统(mems)中执行多个以上步骤。
本发明的实施例的惯性导航是一种独立的导航技术，其中由加速度计和陀螺仪提供的测量被用于定位追踪物体相对于已知起点的位置和方向，方向和速度。惯性测量单元(imu)28通常包括三个正交的陀螺仪和三个正交的加速度计，分别测量角速度和线性加速度。通过处理来自这些设备的信号，可以定位追踪设备的位置和方向。
使用从三轴加速度计和三轴陀螺仪获得的测量结果，惯性导航系统(ins)可以定位追踪其在三维空间中的位置。惯性导航系统使用称为航位推算的过程得出当前位置。航位推算的实际过程涉及从某些来源(在这种情况下为陀螺仪和加速度计)获取信息，并将其转变为可以添加到最后一个已知位置的移动以得出当前位置。
参照图4，提供了用于捷联惯性导航过程100的算法。在智能设备12从ble设备14接收到广播信号之后，智能设备12能够从服务器16获取初始位置。然后，智能设备12执行捷联惯性导航算法以改进当前位置。
在捷联惯性导航过程100中，智能设备12首先通过过程105得出带有陀螺仪信号的方向101。在过程105中，通过将来自陀螺仪的角速度信号积分到imu28上来定位追踪方向。由于陀螺仪数据相对于主体框架，因此智能设备12将相对于全局框架转换数据。可以从以下方程式得出时间间隔为t时智能设备12的高度：
在本发明的一个实施例中，imu28在每个确定的时间间隔将陀螺仪的读数或角速度存储在存储器寄存器中。智能设备12适于在从最后一次陀螺仪读数被放置在存储寄存器中起经过了一段时间δt之后从存储器寄存器中读取角速度值。智能设备12被配置为使得将δt限制在非常小的范围内，即，留在存储器寄存器上的两个陀螺仪读数之间的时间间隔很小。
在另一实施例中，imu28提供用于存储陀螺仪读数或角速度值的存储器堆栈。新数据将被写入堆栈的顶部，而旧值将被推入堆栈的底部。智能设备可以同时访问一系列历史读数。
在本发明的一个实施例中，imu28适于以预定的时间间隔提供角速度读数。由于智能设备12无法获得实例读数，而是依赖于特定时间间隔上的采样数据，因此智能设备12必须基于采样数据来估计当前高度。在一个实施例中，假设从最后一次读数开始经过的时间δt很小，并且可以从以下方程式得出高度：
由于可以从ble设备获得智能设备12的初始高度c(0)或c(t)，因此该方法可以大大减少imu28固有的传播误差。此外，由于可以通过两种不同的方法获得智能设备12的初始高度c(0)或c(t)，可以将这些值进行比较以得出更好的校准算法以减少误差。
智能设备12适于使用以下方程式根据来自imu28的加速度计信号来计算位置：
在本发明的一个实施例中，imu28在每个确定的时间间隔将加速度计读数存储在存储器寄存器中。智能设备12适于在从最后一次加速度计读数被放置在存储寄存器中起经过了一段时间δt之后从存储器寄存器中读取加速度计的值。智能设备12被配置为使得δt被限制在非常小的范围内，也就是说，留在存储器寄存器上的两个加速度计读数之间的时间间隔很小。
在另一个实施例中，imu28提供用于存储加速度计读数的存储器堆栈。新数据将被写入堆栈的顶部，而旧值将被压入存储器堆栈的底部。智能设备可以同时访问一系列历史读数。
由于智能设备12无法获得实例加速度计读数，而是依赖于特定时间间隔的采样数据，因此智能设备12必须基于采样数据来估计当前位移。在一个实施例中，假设从最后一次读数开始经过的时间δt很小，并且可以从以下方程式得出位移：
现在参考图5，其中示出了航位推测的简化2d示例。对于3d导航，磁力计和压力传感器可以提供高度信息。
参照图5，智能设备502是静止的并且与图像成直角对准，其x轴指向上方。然后，图像显示了其他三个位置以及它们之间的传感器记录的信息。在一个实施例中，智能设备502将每秒更新其位置数十或数百次，但是在该示例中，仅在发生密钥改变时示出位置更新，以便于理解。
因此，在时间零，智能设备502是静止的(并且不知道它在哪里)。
在此示例中，智能设备502然后在x轴加速度计上记录5m/s2的加速度1秒，这使它的速度为5m/s(或18km/h)。然后立即停止运行-检测-10m/s2的加速度0.5秒。
由于在其他传感器上未记录其他测量值，因此，捷联导航仪可以轻松确定智能设备502已沿x轴方向移动了3.75m。
智能设备502一旦在位置更新1处停止，z轴陀螺仪检测90°/s的值0.5秒；因此知道智能设备502刚刚沿顺时针方向旋转了45°。
一旦完成该移动，智能设备502就在x轴加速度计上记录加速度。这次10秒的10m/s2，然后是2秒的-5m/s2。
使用与以前相同的技术，智能设备可以算出它现在已经从位置更新1的位置以45°角进一步移动了60米。这意味着智能设备的位置更新是相对于最后一个已知位置的。
最后的移动与之前的不同。在位置更新2处，智能设备502已经旋转，因此其具有与最初相同的取向。但是，当智能设备502朝位置3移动时，它记录着它相对于其测量轴(imu框架)成一定角度移动-它向后移动，并以135°的方向向右。
由于此移动，加速度在x轴和y轴上同时记录。没有负加速度引起智能设备502停止-因此，尽管加速度计上的测量值在1秒后降为零，imu28能够得出其仍然具有速度。在这种情况下，它以7.07m/s(约25km/h)的速度移动，并且位置更新3在智能设备502离开位置更新2后1.5秒发生。此时，智能设备502覆盖了7.95米。
在一个实施例中，智能设备502的mems能够从周围的ble设备接收位置数据，使得它可以计算和交叉参考智能设备的确切位置。智能设备502可以提供软件应用以从存储设备检索局域地图或将局域地图从服务器16下载到智能设备。然后，智能设备在智能设备的显示器上显示当前地图以及当前位置。
在另一个实施例中，软件应用适于从用户接收目的地数据。该软件应用还可以允许用户搜索目的地。然后，软件应用计算从第一位置或当前位置到目的地的一条或多条路线，并将该路线显示在智能设备502的显示器上。
在一个实施例中，软件应用适于周期性地引导用户沿着路线移动到目的地。智能设备502可以周期性地更新当前位置和路线，以便定位追踪用户导航到目的地的进度。
在一实施例中，软件应用适于检测智能设备已从室内环境移至室外环境。这可以通过接收足以得出当前位置的gnss信号，并丢失室内可用的ble设备标志来实现。当软件应用检测到从室内环境到室外环境的机会时，软件应用将从室内导航系统切换到gnss。同样，当软件应用检测到从室外环境到室内环境的机会时，软件应用将从gnss切换到ins。
参考图6，在一个示例实施例中，定位追踪设备20被布置成接收和处理从一个或多个信标设备(诸如蓝牙信标或ble信标)辐射的rf信号。例如，无线模块或rf单元26可以包括能够确定距信标设备的距离的蓝牙模块。通过处理rf信号的参数或属性，诸如信号的传播时间和/或信号的强度，可以确定或估计信标与设备之间的距离。
在该示例中，蓝牙信标64可以被设计为全向的，即信标64在所有方向上辐射rf信号。全向天线覆盖了附近信标的传输可能重叠的空间或区域。
参照图6，设备20在两个信标62的重叠区域处接收数据，每个信标62包括在所有方向上发射波束的全向天线。接收器20位于两个信标无线电覆盖范围的附近，并且由于重叠信号的干扰和衰减，在某些情况下对定位追踪设备20的位置的确定可能不是很准确。
还参考图7，如果这样的全向信标62用作位置登记或导航系统的参考点，则智能设备或定位追踪设备20可能不容易区分其是否位于位置①，②或③，因为位于位置①，②或③的任何定位追踪设备都会收到信标62广播的相同身份信息。
在替代实施例中，参考图8，蓝牙信标82可以是单向的。信号源可以辐射彼此不重叠的rf信号。
例如，每个蓝牙信标82可以包括定向天线，该定向天线在特定方向上辐射或接收信号，从而扩大了位置确定的范围和准确性，并减少了来自不希望的源的干扰。
优选地，使用定向天线的信标82可以被包括在系统中并且操作为位置登记或导航系统的参考点。参考图9，定位追踪设备20可以精确地识别其在位置③的位置。另一方面，如果定位追踪设备20位于位置①或②，则智能设备20将不会从信标82接收任何身份信息。因此，将带有定向天线的信标用作参考点将提高我们位置登记或导航应用的准确性。
在一些示例实施例中，纯粹基于imu和其他传感器的导航可能由于环境引起的信号的可能干扰和/或由于定位追踪设备在实际使用情况下的不完善条件导致的错误检测而遇到错误。当用户定位追踪他在室内环境中的移动时，可能需要定期重置基于imu传感器的定位追踪过程，以更正位置的确定。
优选地，信标可以以预定间隔安装在室内环境中的期望位置中，以使得信标覆盖环境内的合理覆盖范围。可替代地，信标可以被安装在诸如位置的路径的拐角或出口的选定位置处，以进行位置登记。在检测到从信标发射的信号时，定位追踪设备可以通过确定设备的重建/更新的初始位置来重置或重新启动整个过程，然后基于通过移动传感器和/或气压计/压力传感器获得的检测结果继续定位追踪用户的移动。
通过将航位推算方法和基于信标的定位追踪设备的频繁更新的位置结合起来，可以显着改善导航过程，从而消除基于定位追踪设备中不完美移动传感器的可能的错误检测。这也可能允许使用精度较低的传感器，以提高系统的成本效益。
这些实施例在导航信息被提供给在基于卫星的定位系统不能很好地工作的室内区域内或建筑物内移动的定位追踪设备的用户时可以是有利的。结合移动检测和参考位置确定技术，可以实时更新用户的当前位置。
有利地，该系统可以在没有其他人太多帮助的情况下帮助具有视觉障碍的用户在诸如购物中心或医院之类的建筑物内导航，因此用户可能不再需要仅依赖地面上的触觉路径。
另外，通过使用单向信标或信号源，基于信标信号的位置确定可以更加有效，因此可以进一步提高定位追踪过程中初始位置确定以及随后的错误纠正步骤的准确性。
尽管不是必需的，但是参考附图描述的实施例可以被实现为应用编程接口(api)或被开发人员使用的一系列库，或者可以被包括在诸如终端或个人计算机操作系统或便携式计算设备操作系统的另一软件应用内。通常，由于程序模块包括有助于执行特定功能的例程、程序、对象、组件和数据文件，因此本领域技术人员将理解，软件应用的功能可以分布在多个例程、对象或组件上以实现与此处所需的功能相同。
还应当理解，在本发明的方法和系统可以全部由计算系统实现或部分由计算系统实现的情况下，可以利用任何适当的计算系统架构。这将包括独立计算机、网络计算机和专用硬件设备。在使用术语“计算系统”和“计算设备”的情况下，这些术语旨在覆盖能够实现所述功能的计算机硬件的任何适当布置。
本领域技术人员将认识到，在不脱离如广泛描述的本发明的精神或范围的情况下，可以对具体实施方式中所示的本发明进行多种变化和/或修改。因此，本实施例在所有方面都应被认为是说明性的而非限制性的。
除非另有说明，否则本文所包含的对现有技术的任何引用均不应视为该信息是公知常识。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！