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、坐标转换模块、积分运算模块和步行轨迹获取模块，加速度仪和姿态数据测量仪分别与坐标转换模块电连接，坐标转换模块与积分运算模块电连接，积分运算模块与步行轨迹获取模块电连接，其中所述加速度测量仪，用于在局部坐标系中测量人体脚端运动的加速度，所述局部坐标系与人体脚端相固接，为描述人体脚端运动的基准；所述姿态数据测量仪，用于在全局坐标系中测量人体脚端的姿态数据；所述坐标转换模块，用于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人体步行轨迹以实现人体定位。优选地，所述设备进一步包括加速度修正模块，坐标转换模块通过该修正模块分别于加速度仪和姿态数据测量仪电连接，则所述坐标转换模块还用于将重力加速度转换到所述局部坐标系；所述加速度修正模块用所述测量的加速度减去转换到局部坐标系的重力加速度得到修正加速度，以便将该修正加速度转换到全局坐标系进行积分运算。优选地，所述积分运算模块包括步态判断子模块和积分运算子模块，该两子模块电连接，所述步态包括起步、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；所述步态判断子模块判断所述姿态数据测量仪测量的角速度是否等于预设阀值内，如果是，则步姿为起步或落步，停止触发积分运算子；如果否，则步态为移步，触发积分运算子模块。进一步优选地，所述设备进一步包括误差消除子模块，积分运算子模块通过该模块与步态判断子模块电连接，该模块用于触发积分运算子模块对加速度进行积分运算以得到起步到落步时间段内的累积速度；将所述累积速度除以一个积分循环内的积分总次数得到速度平均误差，在下一个积分循环时用由加速度进行每次积分运算得到的速度值减去所述速度平均误差，积分运算子模块对该减去速度平均误差后的结果进行积分运算以得到每步位移量；所述积分循环为起步到落步时间段内的积分过程。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， 加速度变化较小，从移步到落步阶段，加速度又发生急剧变化。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小，结果越准确，积分间隔越大，结果越粗略，积分间隔取决于采样频率，加速度测量仪器测量加速度的频率越高，采样间隔越小，积分间隔就越小，由此可见，如果需要提高精度，可以增加采样频率；由测量得到的加速度进行一次积分运算可得到速度，再进行一次积分即可得到位移量，由于均是对时间进行线性积分，因此也可直接对加速度进行二重积分以得到位移量；用公式表示上述积分过程为
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、坐标转换模块、积分运算模块和步行轨迹获取模块，加速度仪和姿态数据测量仪分别与坐标转换模块电连接，坐标转换模块与积分运算模块电连接，积分运算模块与步行轨迹获取模块电连接，其中所述加速度测量仪，用于在局部坐标系中测量人体脚端运动的加速度，所述局部坐标系与人体脚端相固接，为描述人体脚端运动的基准；所述姿态数据测量仪，用于在全局坐标系中测量人体脚端的姿态数据；所述坐标转换模块，用于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模块，坐标转换模块通过该修正模块分别于加速度仪和姿态数据测量仪电连接，则所述坐标转换模块还用于将重力加速度转换到所述局部坐标系；所述加速度修正模块用所述测量的加速度减去转换到局部坐标系的重力加速度得到修正加速度，以便将该修正加速度转换到全局坐标系进行积分运算。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述积分运算模块包括步态判断子模块和积分运算子模块，该两子模块电连接，所述步态包括起步、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；所述步态判断子模块判断所述姿态数据测量仪测量的角速度是否等于预设阀值，如果是，则步态为起步或落步，并停止触发积分运算子模块；如果否，则步态为移步，触发积分运算子模块。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述积分运算模块进一步包括误差消除子模块，积分运算子模块通过该模块与步态判断子模块电连接，该模块用于触发积分运算子模块对加速度进行积分运算以得到起步到落步时间段内的累积速度；将所述累积速度除以一个积分循环内的积分总次数得到速度平均误差，在下一个积分循环时用由加速度进行每次积分运算得到的速度值减去所述速度平均误差，积分运算子模块对该减去速度平均误差后的结果进行积分运算得到每步位移量；所述积分循环为起步到落步时间段内的积分过程。
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、坐标转换模块、积分运算模块和步行轨迹获取模块，加速度仪和姿态数据测量仪分别与坐标转换模块电连接，坐标转换模块与积分运算模块电连接，积分运算模块与步行轨迹获取模块电连接，加速度测量仪测得加速度后，由坐标转换模块利用姿态数据测量仪测得的姿态数据对加速度进行坐标转换，对转换后的加速度进行积分运算得到每步的位移量，步行轨迹获取模块根据每步的位移量和姿态数据中的航向数据得到步行轨迹以实现人体定位。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