[發明專利]基于智能設備的高精度步行方向檢測方法

有效

• 申請號: 201310659422.5
• 申請日: 2013-12-06
• 公開（公告）號: CN103675338A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 張蘭;李向陽;劉云浩
• 申請（專利權）人: 無錫清華信息科學與技術國家實驗室物聯網技術中心
• 主分類號: G01P13/02
• 分類號: G01P13/02
• 代理公司: 無錫市大為專利商標事務所 32104
• 代理人: 曹祖良;韓鳳

技術領域

本發明涉及一種基于智能設備的高精度步行方向檢測方法，屬于定位技術領域。

背景技術

現有的人員定位技術分為三類：(1)基于測距的定位技術，包括GPS，基于無線信號強度的定位技術，基于聲波測距的定位技術等。GPS定位需要用戶攜帶帶有GPS模塊的手機或者導航儀，通過與衛星的通訊來進行定位，但是在室內沒有GPS信號的地方，該技術無法使用。基于信號強度的定位技術需要無線信號設備，由于信號干擾、阻擋、多徑反射等原因，無法實現高精度的定位?；诼暡ǖ亩ㄎ患夹g通常需要特殊的超聲波設備，或者需要多設備進行時間同步或通信。這些定位技術都需要錨點來輔助定位。(2)基于位置指紋的定位技術，通常需要對不同位置進行信號指紋采集，而信號指紋的不唯一、時變等特性常使得該方法無法提供精準的定位，同時該方法也只能提供房間級別的定位。(3)基于慣性導航的定位技術。用戶持設備從一個已知位置出發，通過對加速度計的讀數進行計算，得到用戶前進的距離和方向，從而確定用戶的前進路徑和距離。

隨著當前加速度，陀螺儀，磁場等傳感器的普遍應用，大部分移動智能設備都配備了以上傳感器，于是出現了大量基于加速度計的慣性導航技術。慣性導航技術不需要輔助錨點，不需要多設備通信，無需特殊設備部署，具有實現簡單，適用范圍廣泛的特點。慣性導航技術廣泛用于隧道內導航，各種健康相關的手機應用，智能手表，智能運動鞋等。現有慣性導航系統普遍著力于解決前進距離的計算，利用加速度積分，步長乘以步數的方式能較準確的計算到用戶的前進距離。然而現有方法存在最大的問題及是無法準確計算人員的前進方向，導致其無法為用戶提供高質量的定位和導航。

本發明基于普通的移動智能設備，如智能手機，平板電腦的低精度加速度計和方向傳感器，利用實時坐標變換，智能步頻檢測，加速度濾波等技術，實現高精度的用戶步行方向的測量。相較于現有方法，本發明具有如下優勢：采用普通低精度智能設備，成本低，適用范圍廣的特點；該方法的一系列處理技術，得到的前進方向精度高，能為各種慣性導航的應用提供精準的方向數據。

發明內容

本發明的目的是利用普通移動智能設備，如手機平板等設備，提出一種基于智能設備的高精度步行方向檢測方法，實現高精度的人員步行方向檢測，為各種基于慣性導航和運動方向的應用提供可靠的運動方向檢測結果。

本發明所述的基于智能設備的高精度步行方向檢測方法，該方法包括以下步驟：

(1)加速度坐標轉換：通過智能設備的方向傳感器的三個讀數，即圍繞X，Y，Z軸的旋轉角度，得到當前智能設備相對于大地坐標系的旋轉矩陣R，將旋轉矩陣R乘以以當前智能設備為參考系的加速度向量A，將加速度轉換為以大地坐標系為參考系的加速度A_E=(a_N，a_E，a_G)^T；a_N，a_E，a_G分別為在北、東、重力方向上的加速度；

(2)基于重力方向上加速度的步子和步頻檢測：將重力方向上加速度采用截止頻率為5Hz的低通濾波器進行濾波，對濾波后的加速度尋找相鄰的一組穿過0點的波谷和波峰，則該波谷到下一波谷之間為一步；計算當前步子加速度包含的采樣點數得到當前步頻f_w；

(3)純步行加速度水平分量計算：根據當前步頻f_w，用通帶為[3f_w／4，3f_w／2]的帶通濾波器對北和東方向上的加速度a_N，a_E分別進行濾波，得到濾波后的a_N’，a_E，對a_N’，a_E進行向量求和，得到水平方向上的和加速度；

(4)步行方向計算：利用步驟(2)得到的步子檢測結果，確定當前步子的時間范圍，找到該時間范圍內水平方向上的和加速度最大的時刻t，濾波后的時刻t的東方向上加速度和北方向上加速度分別為a′_Nt、a′_Et，則該步前進的方向與正北之間的夾角為tan^-1(a′_Et／a′_Nt)。

設圍繞Z軸的旋轉角度為α，圍繞X軸的旋轉角度為β，圍繞Y軸的旋轉角度為γ，則旋轉矩陣R為

sinγsinβsinα+cosγcosα????cosβsinα????cosγsinβsinα-sinγcosα