专利名称：定位装置及其使用方法
技术领域：
本发明的各实施方式涉及定位装置及其定位方法，尤其是用于在没有GPS信号的区域的定位装置及其定位方法。
背景技术：
随着科学技术和经济的发展，越来越多的领域和用户需要使用定位服务。目前全球定位系统(GPS)已经能够为用户提供非常精确的定位服务。然而，使用该全球定位系统必须要接受由卫星或天线发射的无线GPS信号。这对于无法接收到该信号或信号质量很差的区域，例如隧道、地下设施、室内、干扰屏蔽环境等来说，无法通过GPS信号来定位。而很多领域需要在无法接收GPS信号的特殊环境中获得定位信息，并对该环境中的某些指标进行监测分析，获得某些指标的区域分布信息。为了能在各种环境下定位，并获得与运动路径对应的各位置的监测信息，需要一种能在没有GPS信号的环境中获得定位信息的装置及方法。
发明内容
本发明提供一种定位装置及其使用方法，其适用于在没有GPS信号的环境中定位并获得各种用户感兴趣的信息，并由此获得运动路径和该信息的区域分布信息。根据本发明的一个方面，提供一种定位装置，包括
原始数据采集单元，包括陀螺仪，用于采集该装置的运动角速度信息；加速度计，用于采集该装置的运动加速度信息；气压计，用于采集该装置的大气压力信息；
无线通信单元，用于将原始数据采集单元采集的信息传送给处理终端，由该处理终端计算该装置的位置信息。根据本发明的另一方面，其中还包括数据处理单元，用于利用原始数据采集单元采集的信息计算该装置的位置信息；所述无线通信单元替换为用于将数据处理单元计算的该装置的位置信息传送给处理终端。根据本发明的另一方面，其中原始数据采集单元还包括磁力计，用于采集该装置所处位置的磁场方向。根据本发明的另一方面，其中还包括功能信息采集单元，用于采集该装置所处位置的用户所感兴趣的信息；所述无线通信单元还将该功能信息采集单元采集的信息发送到处理终端。根据本发明的另一方面，其中所述用户所感兴趣的信息包括网络信号信息、空气质量信息、福射信息、化学成分浓度信息。根据本发明的另一方面，其中还包括GPS信号接收单元，用于接收GPS信号。根据本发明的另一方面，其中还包括通用数据接口，用于提供至少标准格式的位置信息和/或地图信息。
根据本发明的另一方面，提供一种以上各定位装置的使用方法，包括将该定位装置这样固定在与其一同运动的物体上定位装置中代表正前方向的坐标轴在水平面的投影与运动物体运动方向的坐标轴在水平面的投影之间的夹角尽可能的小。根据本发明的另一方面，提供一种以上各定位装置的使用方法，包括原始数据采集单元采集定位装置运动路径中的多个位置的数据，通过计算各位置的数据获得各位置的相对坐标，从而获得定位装置的相对运动路径。根据本发明的另一方面，其中该定位装置的原数据采集单元从具有GPS信号的位置开始采集数据，GPS信号接收单元接收该位置的GPS信号，原始数据采集单元然后采集定位装置运动路径中的多个位置的数据，从而基于具有GPS信号的开始位置的绝对坐标和定位装置的相对运动路径而获得定位装置的绝对运动路径。根据本发明的另一方面，其中用户将相对或绝对运动路径中的一个或多个位置的确定的相对坐标信息输入处理终端，处理终端根据该一个或多个位置的确定的相对坐标而校正其他位置的相对坐标或绝对坐标，或用户将相对或绝对运动路径中的一个或多个位置的确定的绝对坐标输入处理终端，对于只有相对路径的情况，处理终端根据该一个或多个位置的确定的绝对坐标计算其他位置的绝对坐标从而获得绝对路径；对于具有绝对路径的情况，处理终端根据该一个或多个位置的确定的绝对坐标校正其他位置的绝对坐标。本发明的其他特征和优点将从所附权利要求书和实施方式的以下详细描述而显而易见。
图I示意性示出了根据本发明一个实施方式的定位装置的结构 图2A示出了根据本发明一个实施方式的定位装置的固定方式的俯视 图2B示出了根据本发明一个实施方式的定位装置的固定方式的侧视 图3示出了根据本发明一个实施方式的使用定位装置获得运动路径的示意 图4示出了根据本发明一个实施方式的使用定位装置校正运动路径的示意图。
具体实施例方式图I示意性示出了根据本发明一个实施方式的定位装置的结构图。如图I所示，定位装置包括原始数据采集单元101，其包括陀螺仪1011，用于采集该装置的运动角速度信息；加速度计1012，用于采集该装置的运动加速度信息；气压计1013，用于采集该装置的大气压力信息。优选的，该原始数据采集单元还包括磁力计1014，用于采集定位装置所处位置的磁场信息。原始数据采集单元101可使用各种现有传感器进行上述数据采集。上述信息的采集已是本领域的公知技术，因而不做赘述。该定位装置还包括无线通信单元102，用于将原始数据采集单元采集的信息传送给处理终端，由该处理终端计算该装置的位置信息。无线通信单元102可以使用各种无线通信方式与处理终端通信连接，例如WLAN，万维网，以太网，局域网，蓝牙，红外线，WIFI
坐寸o在另一优选实施例中，该定位装置还包括数据处理单元103，用于利用原始数据采集单元采集的信息计算该装置的位置信息。而该无线通信单元102替换为用于将数据处理单元计算的该装置的位置信息传送给处理终端。利用原始数据采集单元101采集的定位装置的运动角速度、加速度、大气压力等信息，本领域技术人员可以根据公知的物理知识确定定位装置的运动方向及距离等信息，从而获得定位装置的运动相对运动路径。利用原始数据采集单元采集的磁场方向还可以对计算的位置信息进行修正。因而利用上述信息定位的计算算法是本领域技术人员容易明了的。然而，为了进一步说明利用上述信息定位的可行性，此处示例性的介绍一种优选的定位算法。
在一优选的定位算法中，陀螺仪采集到的数据用于运动中的方向检测；加速度计采集到的数据用于进行位移的计算，同时还可以用于配合陀螺仪进行方向修正；磁力计通过检测地球磁场获取方向，从而对陀螺仪的方向进行修正。气压计通过检测大气压力来计算海拔高度信息。通过确定运动方向、运动位移及高度信息，就可以完成独立自主的室内导航。应当理解，上述算法只是用于说明通过该定位装置采集的原始数据可以实现定位，而不应理解为对该定位装置所使用的定位算法的一种限制。该定位装置可使用各种基于已知物理规律，利用该定位装置采集的上述数据的算法来进行定位。优选的，该定位装置还包括功能信息采集单元104，用于采集该装置所处位置的用户所感兴趣的信息。该用户所感兴趣的信息包括但不限于网络信号信息、空气质量信息、辐射信息、化学成分浓度信息等。针对不同的信息采集任务可选择安装不同的传感器即可。通过将定位信息与特定功能信息相结合，即可获得特定信息在运动路径上的分布信息。例如，通过该定位装置采集不同位置的网络信号质量，即可获得网络信号质量的区域分布信肩、O无线通信单元102还将该功能信息采集单元采集的信息发送到处理终端，供处理终端对信息进行分析、统计，获得直观的结果，并可对结果进行输出。优选的，无线通信单元102还接收处理终端的指令，根据该指令采集各种信息、数据和/或向处理终端传送各种信息、数据。通过无线通信单元对数据终端各种指令的上传下达，实现对定位装置的远程控制。优选的，定位装置还包括GPS信号接收单元105，用于接收GPS信号。通过接收部分位置的GPS信号获得部分位置的绝对位置信息，再结合定位装置的相对运动路径，即可获得定位装置的绝对运动路径。得定位装置的绝对运动路径的方法将在下面进行介绍。优选的，定位装置还包括通用数据接口 106，其优选包括通用位置信息接口和通用地图信息接口。该通用位置信息接口用于将计算得到的各位置的位置信息以各应用程序可使用的通用格式打包，该通用地图信息接口用于将获得的各位置信息合成运动路径地图，并打包成可供各应用程序使用的通用格式。在定位装置与各处理终端通信连接时，定位装置通过各通用数据接口将位置信息、地图信息等数据包发送到处理终端，供处理终端使用。通过设置通用数据接口，使得各处理终端的各软件可获得标准数据格式的位置信息和地图信息，从而直接获得位置信息和运动路径地图信息。优选的，该定位装置还包括固定装置107，用于将该定位装置固定在与其一起运动的物体上，从而获得与运动物体相同的运动路径。该固定装置优选为皮带、绳、扣、吸盘、磁铁、粘钩等。通过固定装置可将定位装置固定在人腿、腰部、背部、胸前，或移动机器人、小车、飞行器等运动物体上。优选的，定位装置中的各单元固定在一便于携带的结构紧凑的壳体内，以便于附着在运动物体上。该定位装置优选设置一基准方向，与方向相关的参数的测量仪器，如陀螺仪1011，加速度计1012，磁力计1014，以及采集用户所感兴趣的信息中与方向有关的信息的其他仪器的基准方向与该定位装置设定的基准方向对齐，以使各仪器采集到的方向基准与定位装置的运动方向基准一致。优选的，以定位装置预定安装在运动物体上后朝向正前方方向作为基准方向，而定位装置朝向该正前方的面作为基准面，上述仪器以该基准方向固定在定位装置中。在使用该定位装置时，将该定位装置这样固定在与其一同运动的物体上定位装置中代表正前方向的坐标轴在水平面的投影与运动物体运动方向的坐标轴在水平面的投影之间的夹角的理想值为零。如图2A所示，Dl表示人体的运动方向。定位装置201固定在人体背后，D2表示定位装置代表正前方向的坐标轴(定位装置的基准方向)。在俯视图 中，D1、D2的箭头方向相当于向水平面投影，在Dl和D2投影后之间的夹角保持为零(D1、D2投影共线或平行)时，定位装置的各仪器采集到的水平方向的运动参数与运动物体水平方向的运动是一致的。然而，实际使用中很难保持该夹角为零。在误差允许的范围内，一定的夹角是可以接受的。在使用中应保持Dl和D2投影后之间的夹角尽可能小以获得与实际运动路径尽可能一致的测量参数。如图2B所示，从侧面看，定位装置201的代表正前方向的坐标轴D2在垂直方向与人体的运动方向Dl间存在夹角。然而，这样固定并不影响定位装置对运动物体在水平方向的运动参数采集，只要该定位装置的基准方向Dl在水平面的投影与Dl在水平面的投影之间的夹角尽可能的小即可。当然，这是不考虑运动物体在垂直方向的运动。然而，可以通过前述的气压计检测的大气压力来计算海拔高度信息以获得定位装置的垂直方向的运动信息。需要注意的是，在使用该定位装置时，该定位装置最好保持相对运动物体尽可能小的相对位移，以提闻定位精度，减小误差和干扰。下面将结合图3和图4介绍该定位装置的使用方法。图3示出了根据本发明一个实施方式的使用定位装置获得运动路径的示意图。在图3中，为了获得定位装置的一个绝对运动路径，定位装置先在具有GPS信号的初始位置Pl接收一来自GPS信号源301的GPS信号，获得位置Pl的绝对坐标PlA (N39°，E115° )。该GPS信号源可以是卫星或基站等各种能发射GPS信号的源。同时，定位装置采集该位置的原始数据信息，并对该位置设定相对坐标Pl (0, 0)。然后，定位装置随同运动物体进入到没有GPS信号的区域，根据指令，在多个位置P2，P3, P4分别采集该位置的原始数据信息，计算各位置的相对坐标。这些相对坐标可以都是基于初始位置Pl的相对坐标，也可以是基于上一个记录位置的相对坐标。在获得各位置的相对坐标后，一个完整的相对运动路径便获得了。而为了获得绝对运动路径，只需在各位置的相对坐标的基础上加上初始位置Pl的绝对坐标P1A，即可获得各位置的绝对坐标，从而获得完整的绝对运动路径。优选的，初始位置与其相邻的下一个没有GPS信号的采集位置之间的距离应尽可能的�。约跎俪跏嫉南喽晕蟛�。优选以靠近无GPS信号区域的边缘的有GPS信号的位置作为初始位置，以缩短相邻定位位置间在有GPS信号的区域内的距离，从而引入尽可能小的误差。
优选的，如果测试人员不手动在某个位置控制开始无GPS信号定位，定位装置可自动在进入没有GPS信号处时立即启动原始数据采集单元采集数据来进行定位。当然，也可以在运动过程中的一个或数个有GPS信号的位置获得该一个或数个位置的绝对坐标，从而结合各位置相对坐标而获得各位置的绝对坐标。如果仅为了获得相对运动路径，则无需接受GPS信号。仅通过原始数据采集单元采集的数据即可计算出各位置的相对坐标。当然，GPS信号接收单元也就可以省去。图4示出了根据本发明一个实施方式的使用定位装置校正运动路径的示意图。为了提高定位精度，用户如果能通过其他手段获知运动路径中的一个或数个位置的准确的相对坐标，例如使用尺子、激光、图纸等，通过手动输入将位置P3的相对坐标修正为P3’(9，-I)，则其他各位置P2，P4的相对坐标就可以通过在原相对坐标的基础上加上P3’与P3的差值而校正。当然,获得准确坐标的位置越多,被校正的值也就越准确。如果被校正的都是相对坐标，则初始位置也可以作为一个具有准确相对坐标的基准位置而无需被校正，因为其他位置的相对坐标都是基于该初始位置的相对坐标而定的。而如果被校正的是绝对坐标，且初始位置的绝对坐标不是通过GPS信号获得的，即初始位置在绝对坐标系中不能作为一基准位置，因而其也需要被校正。用户如果能通过其他手段获知运动路径中的一个或数个位置的准确的绝对坐标，则对于仅获得的相对运动路径来说，可以按上述方法获得各个位置的绝对坐标从而获得绝对运动路径；而对于已经获得绝对运动路径的情况，通过将用户手动输入的一个或数个位置的绝对坐标，以及借以获得绝对运动路径的通过GPS信号获得的绝对坐标一同作为基准，便可对其他位置的绝对坐标进行校正。基于多个位置的绝对坐标对运动路径进行校正的算法，可以使用各种已知的数学的误差修正算法。用户手动输入的一个或数个位置的准确坐标可以通过位于处理终端上的输入�？槔词淙耄部梢栽诙ㄎ蛔爸蒙仙柚酶檬淙肽？楣┯没г谠硕墓讨兴媸笔淙搿８米既返淖晖ü碇斩嗽怂愣云渌恢米杲行Ｕ�。上述的处理终端可以是各种具有相应处理功能的通用计算终端，如计算机，也可能是与该定位装置配套定制的各种数据处理设备。应当理解，以上所述的定位装置和各种定位装置的使用方法都可以用于完全具有GPS信号的区域，或GPS信号微弱的区域。上述定位装置及使用方法尤其适用于进入室内、地下、隧道、水下等环境，尤其适用于在以上环境中进行特定物理参数采集，如网络信号、空气质量、辐射剂量、化学成分等，从而获得区域分布信息。通过该定位装置及其使用方法，使在无GPS信号的环境下获得定位信息成为可能，也为各种需要在特殊环境定位采集信息的行业提供了有效的数据采集装置和方法。已经出于示出和描述的目的给出了本发明的说明书，但是其并不意在是穷举的或者限制于所公开形式的发明。本领域技术人员可以想到很多修改和变体。本领域技术人员应当理解，本发明实施方式中的方法和装置可以以软件、硬件、固件或其组合实现。因此，实施方式是为了更好地说明本发明的原理、实际应用以及使本领域技术人 员中的其他人员能够理解以下内容而选择和描述的，即，在不脱离本发明精神的前提下，做出的所有修改和替换都将落入所附权利要求定义的本发明保护范围内。
权利要求
1.一种定位装置，包括 原始数据采集单元，包括 陀螺仪，用于采集该装置的运动角速度信息； 加速度计，用于采集该装置的运动加速度信息； 气压计，用于采集该装置的大气压力信息； 无线通信单元，用于将原始数据采集单元采集的信息传送给处理终端，由该处理终端计算该装置的位置信息。
2.根据权利要求I所述的装置，其中 还包括数据处理单元，用于利用原始数据采集单元采集的信息计算该装置的位置信息； 所述无线通信单元替换为用于将数据处理单元计算的该装置的位置信息传送给处理终端。
3.根据权利要求I或2所述的装置，其中 原始数据采集单元还包括磁力计，用于采集该装置所处位置的磁场方向。
4.根据权利要求I或2所述的装置，其中 还包括功能信息采集单元，用于采集该装置所处位置的用户所感兴趣的信息；所述无线通信单元还将该功能信息采集单元采集的信息发送到处理终端。
5.根据权利要求4所述的装置，其中 所述用户所感兴趣的信息包括网络信号信息、空气质量信息、辐射信息、化学成分浓度f目息。
6.根据权利要求I或2所述的装置，其中还包括GPS信号接收单元，用于接收GPS信号。
7.根据权利要求I或2所述的装置，其中还包括通用数据接口，用于提供至少标准格式的位置信息和/或地图信息。
8.根据权利要求1-7之一的定位装置的使用方法，包括 将该定位装置这样固定在与其一同运动的物体上定位装置中代表正前方向的坐标轴在水平面的投影与运动物体运动方向的坐标轴在水平面的投影之间的夹角尽可能的小。
9.根据权利要求1-7之一的定位装置的使用方法，包括 原始数据采集单元采集定位装置运动路径中的多个位置的数据，通过计算各位置的数据获得各位置的相对坐标，从而获得定位装置的相对运动路径。
10.根据权利要求9所述的方法，其中 该定位装置的原始数据采集单元从具有GPS信号的位置开始采集数据，GPS信号接收单元接收该位置的GPS信号，原始数据采集单元然后采集定位装置运动路径中的多个位置的数据，从而基于具有GPS信号的开始位置的绝对坐标和定位装置的相对运动路径而获得定位装置的绝对运动路径。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中 用户将相对或绝对运动路径中的一个或多个位置的确定的相对坐标信息输入处理终端，处理终端根据该一个或多个位置的确定的相对坐标而校正其他位置的相对坐标或绝对坐标，或用户将相对或绝对运动路径中的一个或多个位置的确定的绝对坐标输入处理终端，对于只有相对路径的情况，处理终端根据该一个或多个位置的确定的绝对坐标计算其他位置的绝对坐标从而获得绝对路径；对于具有绝对路径的情况，处理终端根据该一个或 多个位置的确定的绝对坐标校正其他位置的绝对坐标。
全文摘要
本发明的实施方式提供了一种定位装置及其使用方法，该定位装置包括原始数据采集单元，包括陀螺仪，用于采集该装置的运动角速度信息；加速度计，用于采集该装置的运动加速度信息；气压计，用于采集该装置的大气压力信息；该装置还包括无线通信单元，用于将原始数据采集单元采集的信息传送给处理终端，由该处理终端计算该装置的位置信息。该定位装置的使用方法通过确定的位置坐标校正其他位置的坐标。该装置及方法能在没有GPS信号的区域确定物体的相对或绝对运动路径。
文档编号G01C21/16GK102645221SQ201210081519
公开日2012年8月22日 申请日期2012年3月26日 优先权日2012年3月26日
发明者冯剑, 吴华平, 李金平, 王贤清, 苏红胜 申请人:北京华虎兄弟科技有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
