专利名称：一种步行定位设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及微机械(MEMQ定位技术领域，尤其涉及一种步行定位设备。
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。
实用新型内容有鉴于此，本实用新型提供了一种步行定位设备，利用步行的加速度与位移之间的关系，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。本实用新型提供的步行定位设备包括加速度测量仪、姿态数据测量仪、坐标转换�？椤⒒衷怂隳？楹筒叫泄旒；袢∧？椋铀俣纫呛妥颂莶饬恳欠直鹩胱曜荒？榈缌樱曜荒？橛牖衷怂隳？榈缌樱衷怂隳？橛氩叫泄旒；袢∧？榈缌樱渲兴黾铀俣炔饬恳牵糜谠诰植孔晗抵胁饬咳颂褰哦嗽硕募铀俣龋鼍植孔晗涤肴颂褰哦讼喙探樱枋鋈颂褰哦嗽硕幕迹凰鲎颂莶饬恳牵糜谠谌肿晗抵胁饬咳颂褰哦说淖颂荩凰鲎曜荒？椋糜诟菟鲎颂萁霾饬康募铀俣茸坏饺肿晗担鋈肿晗滴枋鋈颂褰哦嗽硕颂驮硕旒５幕迹凰龌衷怂隳？椋糜诙栽谄鸩降铰洳绞奔涠文谧坏饺肿晗档募铀俣冉谢衷怂阋缘玫矫坎降奈灰屏浚凰霾叫泄旒；袢∧？楦萑颂褰哦说淖颂葜械暮较蚴莺退雒坎降奈灰屏炕袢∪颂宀叫泄旒Ｒ允迪秩颂宥ㄎ�。优选地，所述设备进一步包括加速度修正�？椋曜荒？橥ü眯拚？榉直鹩诩铀俣纫呛妥颂莶饬恳堑缌樱蛩鲎曜荒？榛褂糜诮亓铀俣茸坏剿鼍植孔晗担凰黾铀俣刃拚？橛盟霾饬康募铀俣燃跞プ坏骄植孔晗档闹亓铀俣鹊玫叫拚铀俣龋员憬眯拚铀俣茸坏饺肿晗到谢衷怂�。优选地，所述积分运算�？榘ú教卸献幽？楹突衷怂阕幽？椋昧阶幽？榈缌樱霾教ㄆ鸩�、移步和落步状态，则所述姿态数据测量仪还用于测量人体脚端运动的角速度；所述步态判断子�？榕卸纤鲎颂莶饬恳遣饬康慕撬俣仁欠竦扔谠ど璺е的冢绻牵虿阶宋鸩交蚵洳剑Ｖ勾シ⒒衷怂阕樱蝗绻瘢虿教撇剑シ⒒衷怂阕幽？�。进一步优选地，所述设备进一步包括误差消除子�？椋衷怂阕幽？橥ü媚？橛氩教卸献幽？榈缌樱媚？橛糜诖シ⒒衷怂阕幽？槎约铀俣冉谢衷怂阋缘玫狡鸩降铰洳绞奔涠文诘睦刍俣龋唤隼刍俣瘸砸桓龌盅纺诘幕肿艽问玫剿俣绕骄蟛睿谙乱桓龌盅肥庇糜杉铀俣冉忻看位衷怂愕玫降乃俣戎导跞ニ鏊俣绕骄蟛睿衷怂阕幽？槎愿眉跞ニ俣绕骄蟛詈蟮慕峁谢衷怂阋缘玫矫坎轿灰屏浚凰龌盅肺鸩降铰洳绞奔涠文诘幕止�。本实用新型通过测量人体步行过程中的加速度，并在全局坐标系中对该加速度进行积分运算，从而得到每步的位移量，然后结合人体脚端的姿态航向数据得到人体步行的运动轨迹，从而实现人体步行定位。与现有技术相比，本实用新型的人体步行的步幅不再是固定值，而是实际的步伐长度，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。
图1为本实用新型的实施例的第一工作流程图；图2为本实用新型的实施例的第二工作流程之参考坐标系示意图；图3为本实用新型的实施例的第三工作流程图；图4为本实用新型的实施例的第三工作流程之加速度修正示意图；图5为本实用新型的实施例的第四工作流程之步态判断示意图；图6为本实用新型的实施例的组成框图。
具体实施方式
本实用新型的主要思想是将局部坐标系下测得的人体脚端运动的加速度转换到全局坐标系中，通过对转换到全局坐标系下的加速度进行积分运算得到步行位移量，并结合人体脚端的航向数据获取人的步行轨迹，从而实现人身定位。为使本领域技术人员能进一步了解本实用新型的特征及技术内容，
以下结合附图和实施例，对本实用新型的技术方案进行详细描述。第一工作流程当一个人通过步行方式从一个已知起点变动到某个终点时，如果要实现人体定位，则至少应当知道人体移动的位移量和移动的方向，根据这两个数据即可描述出人体的运动轨迹，从而实现人身定位。如前所述，通过用移动的步数乘以平均步幅得到位移量，实现定位的方法，其技术效果因人而异、因时而异，不能准确地定位人体的运动轨迹。本实用新型的实施例给出了一种人体步行定位设备，有效解决了上述技术问题。参见附图1，本实用新型的设备实施例的一种工作流程包括步骤SlOl 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。实现人体定位，首先需要选好坐标系，坐标系是刻画和描述目标物体状态的平台， 尽管如何具体地选取坐标系并不改变目标物的运动状态，但适当的选取坐标系有利于直观、快速、方便地实现物体定位。一般而言，描述物体的运动轨迹需要选取两个坐标系，一个是定参坐标系，一个是运动参考坐标系，前者相对于观察者静止，用于呈现运动物体的运动轨迹；后者相对于运动物体本身静止，即该坐标系固着在运动物体上，运动坐标系相对于定参坐标系的变化即是运动物体的运动轨迹。选好坐标系后，进行数据测量与收集需要将测量仪器放置在适当位置，由于人体步行时最能体现人的位移变化的是人的脚部，因此测量仪器可以设置在鞋上或者绑定在人的脚端上，对于放置在脚端的具体什么位置本工作流程并不作特殊限定，这可以根据实际情况灵活处理。步骤S102 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。人步行过程中，脚端的姿态并不固定，可能忽儿上忽儿下，由此在全局坐标系中形成俯仰角，该俯仰角是局部坐标系绕着全局坐标系转动形成的夹角，也可能发生左右倾斜滚动从而形成横滚角，还可能左右摇摆导致航向发生变化，因此，人的脚步姿态可通过上述三个角度值进行刻画，在进行测量时可使用角速度仪进行测量，最常见的角速度仪器是陀螺仪；通过陀螺仪测量得到的姿态数据是用于实现第一加速度由局部坐标系到全局坐标系的转换，脚部的不同姿态使得局部坐标系到全局坐标系的每个时刻的具体转换度量不同， 但通常这种转换可通过转移矩阵实现，由于人行走时步行向前，两种坐标系之间的转换关系主要取决于俯仰角和横滚角，而脚端运动的航向角在一个跨步中的变化近乎可以忽略， 因此，转移矩阵主要是关于俯仰角与横滚角的一个矩阵。步骤S103 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得到每步的位移量。人的一个步行过程可行划分为三个步态起步、移步和落步，各阶段的加速度变化不同，从起步到移步阶段，速度由零迅速增加，加速度骤然变大，在平移步子阶段速度平缓， 加速度变化较�。右撇降铰洳浇锥危铀俣扔址⑸本绫浠�。由于不同阶段不同时刻加速度的数值不同，因此求算一个步伐的位移量需要分阶段进行积分，积分的时间间隔划分越�。峁阶既罚旨涓粼酱螅峁酱致裕旨涓羧【鲇诓裳德剩铀俣炔饬恳瞧鞑饬考铀俣鹊钠德试礁撸裳涓粼叫。旨涓艟驮叫。纱丝杉绻枰岣呔龋梢栽黾硬裳德剩挥刹饬康玫降募铀俣冉幸淮位衷怂憧傻玫剿俣龋俳幸淮位旨纯傻玫轿灰屏浚捎诰嵌允奔浣邢咝曰郑虼艘部芍苯佣约铀俣冉卸鼗忠缘玫轿灰屏浚挥霉奖硎旧鲜龌止涛�
i=n Sj = \\aidt + \\a2dt + ···+ \\a dt = Σ \\a,dt
tOhtIi-IZ._l h-\ 式中h第j步的位移量，Bi是积分区段[tg，tj内的加速度，η为从起步时刻点T0到落步时刻点Tn的一个积分循环内的积分总次数。步骤S104 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。人的运动轨迹是由每步的位移组成，通过上述步骤得到各步骤位移后，再结合测量人体脚端的姿态数据时测得的航向角，即可获得人体步行的轨迹，从而在已知起点基础上加上步行轨迹即可得到人运动到的终点位置的坐标，由此实现人身定位。本工作流程在局部坐标系中测量人体步行过程中的加速度，然后将该加速度转换到全局坐标系中，并在全局坐标系中对该加速度进行二重积分运算，从而得到每步的位移量，然后结合人体脚端的姿态航向数据得到人体步行的运动轨迹，从而实现人体步行定位。 与现有技术相比，本工作流程中人体步行的步幅不再是固定值，而是实际的步伐长度，通过航向数据即可得到更加精确的描述人的运动轨迹，较好地解决了现有技术的技术问题。第二工作流程上述工作流程中已经提及坐标系的选取虽然不能改变人体步行的轨迹，但是，适当选取坐标系可以起到方便观测、简化计算、提高效率的作用。本工作流程优选按照下述的方法建立坐标系，参见附图2。局部坐标系固着在人体脚部，该坐标系的坐标原点为人体脚端质心，以垂直人的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；全局坐标系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。实际上坐标系的选择还可以有其他多种方式，比如局部坐标系的坐标原点不一定必须在人体脚端质心，还可以是其他位置点，甚至可以设置在鞋的某一部位，由于这些点均能代表人体步伐的运动状态，因而如何选取坐标原点并不影响本实用新型的实用新型目的的实现。同样地，全局坐标系的坐标原点也不限于以步行者的步行起点为原点，还可以设置在其他便于观察者观察的点上，只要事先预知人体步行起点的坐标值，在得到位移量和航向数据后仍能计算出人体终点所在位置的坐标值，从而实现定位。按照本工作流程建立附图2所示的坐标系后，两个坐标系的转换关系即固定下来，由于本实用新型的实施例中测量加速度仪器可以测量三个轴向上的加速度，因此两个坐标系之间的转换可以通过转移矩阵(RGL)作为中介实现。转移矩阵(RGL)按照如下式子定义
权利要求1.一种步行定位设备，其特征在于，该设备包括加速度测量仪、姿态数据测量仪、坐标转换�？椤⒒衷怂隳？楹筒叫泄旒；袢∧？椋铀俣纫呛妥颂莶饬恳欠直鹩胱曜荒？榈缌樱曜荒？橛牖衷怂隳？榈缌樱衷怂隳？橛氩叫泄旒；袢∧？榈缌樱渲兴黾铀俣炔饬恳牵糜谠诰植孔晗抵胁饬咳颂褰哦嗽硕募铀俣龋鼍植孔晗涤肴颂褰哦讼喙探樱枋鋈颂褰哦嗽硕幕迹凰鲎颂莶饬恳牵糜谠谌肿晗抵胁饬咳颂褰哦说淖颂荩凰鲎曜荒？椋糜诟菟鲎颂萁霾饬康募铀俣茸坏饺肿晗担� 所述全局坐标系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所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括加速度修正�？椋曜荒？橥ü眯拚？榉直鹩诩铀俣纫呛妥颂莶饬恳堑缌樱蛩鲎曜荒？榛褂糜诮亓铀俣茸坏剿鼍植孔晗担凰黾铀俣刃拚？橛盟霾饬康募铀俣燃跞プ坏骄植孔晗档闹亓铀俣鹊玫叫拚铀俣龋员憬眯拚铀俣茸坏饺肿晗到谢衷怂恪�
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述积分运算�？榘ú教卸献幽？楹突衷怂阕幽？椋昧阶幽？榈缌樱霾教ㄆ鸩健⒁撇胶吐洳阶刺蛩鲎颂莶饬恳腔褂糜诓饬咳颂褰哦嗽硕慕撬俣龋凰霾教卸献幽？榕卸纤鲎颂莶饬恳遣饬康慕撬俣仁欠竦扔谠ど璺е担绻牵虿教鸩交蚵洳剑⑼Ｖ勾シ⒒衷怂阕幽？椋蝗绻瘢虿教撇剑シ⒒衷怂阕幽？�。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述积分运算�？榻徊桨ㄎ蟛钕幽？椋衷怂阕幽？橥ü媚？橛氩教卸献幽？榈缌樱媚？橛糜诖シ⒒衷怂阕幽？槎约铀俣冉谢衷怂阋缘玫狡鸩降铰洳绞奔涠文诘睦刍俣龋唤隼刍俣瘸砸桓龌盅纺诘幕肿艽问玫剿俣绕骄蟛睿谙乱桓龌盅肥庇糜杉铀俣冉忻看位衷怂愕玫降乃俣戎导跞ニ鏊俣绕骄蟛睿衷怂阕幽？槎愿眉跞ニ俣绕骄蟛詈蟮慕峁谢衷怂愕玫矫坎轿灰屏浚凰龌盅肺鸩降铰洳绞奔涠文诘幕止�。
专利摘要本实用新型提供了一种步行定位设备。该设备包括加速度测量仪、姿态数据测量仪、坐标转换�？�、积分运算�？楹筒叫泄旒；袢∧？椋铀俣纫呛妥颂莶饬恳欠直鹩胱曜荒？榈缌樱曜荒？橛牖衷怂隳？榈缌樱衷怂隳？橛氩叫泄旒；袢∧？榈缌樱铀俣炔饬恳遣獾眉铀俣群螅勺曜荒？槔米颂莶饬恳遣獾玫淖颂荻约铀俣冉凶曜唬宰缓蟮募铀俣冉谢衷怂愕玫矫坎降奈灰屏浚叫泄旒；袢∧？楦菝坎降奈灰屏亢妥颂葜械暮较蚴莸玫讲叫泄旒Ｒ允迪秩颂宥ㄎ�。本实用新型的人体步行位移是实际的步伐长度，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G01C21/16GK202304842SQ20112023187
公开日2012年7月4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
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