慣性裝置、方法和程序的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開(kāi)的一方面設(shè)及慣性裝置、方法和程序。
【背景技術(shù)】
[0002] 在不能使用全球定位系統(tǒng)（GP巧測(cè)量位置的諸如建筑物或者地下的地點(diǎn)處，在包 括加速度傳感器和磁場(chǎng)傳感器的慣性裝置上使用行人航位推算（PDR)技術(shù)W便于估計(jì)行 人的位置。
[0003] 利用慣性導(dǎo)航技術(shù)的傳統(tǒng)方法使用用于步行運(yùn)動(dòng)的估計(jì)模型估計(jì)用于每個(gè)步伐 的步幅的長(zhǎng)度和行進(jìn)方向，并計(jì)算現(xiàn)在和過(guò)去的步行流（專利文件1和2)。
[0004] 進(jìn)行慣性導(dǎo)航技術(shù)的傳統(tǒng)的慣性裝置需要附著到步行用戶的身體或者需要在用 戶采用慣性裝置之后校準(zhǔn)，使得慣性裝置W精確的方式估計(jì)步幅的長(zhǎng)度（專利文件3到6)。
[0005] 但是，在專利文件1和2中描述的傳統(tǒng)的技術(shù)校正用于步行用戶的每個(gè)步伐的行 進(jìn)距離和方向W估計(jì)地點(diǎn)。因此，基于用戶的運(yùn)動(dòng)（諸如步行）而估計(jì)地點(diǎn)的分辨率能力 限于"單個(gè)步伐"的單元，并且難WW更高的分辨率能力估計(jì)。
[0006] 在專利文件3到6中所述的傳統(tǒng)的技術(shù)中，用戶必須將裝置附著到他的腰部并且 保持他的姿態(tài)；或者在持有所述裝置之后校準(zhǔn)所述裝置而不保持他的姿態(tài)。因此，傳統(tǒng)的慣 性裝置對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是不方便的。
[0007] 如上所述，利用傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航技術(shù)的慣性裝置具有在步行運(yùn)動(dòng)中估計(jì)用戶地點(diǎn) 的低的分辨率能力（即，低的準(zhǔn)確性），并且對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是不方便的。
[0008] 本發(fā)明的實(shí)施例旨在提供改善用戶地點(diǎn)的估計(jì)的準(zhǔn)確性并減少用戶的不便的慣 性裝置、方法和程序。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 在一個(gè)方面中，本公開(kāi)提供大體上消除由現(xiàn)有技術(shù)的限制和缺點(diǎn)引起的一個(gè)或多 個(gè)問(wèn)題的慣性裝置、方法和程序。
[0010] 在本公開(kāi)的一方面中，提供慣性裝置，所述慣性裝置包括，慣性傳感器單元，配置 為產(chǎn)生表示持有所述慣性裝置的目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)的輸出；存儲(chǔ)單元，配置為存儲(chǔ)分別與由所述 慣性傳感器單元產(chǎn)生的不同的輸出相關(guān)聯(lián)的因素；產(chǎn)生單元，配置為通過(guò)使用對(duì)應(yīng)于由所 述慣性傳感器單元產(chǎn)生的輸出的因素的一個(gè)產(chǎn)生表示在預(yù)先確定的時(shí)段中所述慣性裝置 的速度的變化的波形；組合單元，配置為將所述波形與已經(jīng)由所述產(chǎn)生單元產(chǎn)生的一個(gè)或 多個(gè)之前的波形組合；W及估計(jì)單元，配置為使用從所述組合的波形獲得的速度估計(jì)慣性 裝置當(dāng)前所處于的位置。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供方法，所述方法包括，使用慣性傳感器產(chǎn)生表示持 有慣性裝置的目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)的輸出；通過(guò)使用對(duì)應(yīng)于所述輸出的因素的一個(gè)產(chǎn)生表示在預(yù)先 確定的時(shí)段中的慣性裝置的速度的變化的波形，所述因素與將由所述慣性傳感器產(chǎn)生的不 同的輸出相關(guān)聯(lián)；將所述波形與在所述波形的產(chǎn)生步驟中已經(jīng)產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)之前的波 形組合；并且使用從所述組合的波形獲得的速度估計(jì)所述慣性時(shí)段當(dāng)前所處于的位置。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供程序，W使得慣性裝置進(jìn)行方法，所述方法包括， 使用慣性傳感器產(chǎn)生表示持有所述慣性裝置的目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)的輸出；通過(guò)使用對(duì)應(yīng)于所述輸 出的因素的一個(gè)產(chǎn)生表示在預(yù)先確定的時(shí)段中的慣性裝置的速度的變化的波形，所述因素 與將由所述慣性傳感器產(chǎn)生的不同的輸出相關(guān)聯(lián)；將所述波形與在所述波形的產(chǎn)生步驟中 已經(jīng)產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)之前的波形組合；并且使用從所述組合的波形獲得的速度估計(jì)所述 慣性時(shí)段當(dāng)前所處于的位置。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的慣性裝置的概覽的示意圖。
[0014] 圖2是示出用于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的慣性裝置的配置的概覽的示意圖。
[0015] 圖3是用于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的慣性裝置的功能性配置的框圖。
[0016] 圖4是示出計(jì)算姿態(tài)的手續(xù)的概覽的示意圖。
[0017] 圖5是示出在時(shí)間更新手續(xù)處計(jì)算姿態(tài)（滾動(dòng)、傾斜和偏航角度）的操作的示意 圖。
[0018] 圖6是示出在時(shí)間更新手續(xù)處計(jì)算姿態(tài)（滾動(dòng)、傾斜和偏航角度）的操作的示意 圖。
[0019] 圖7是示出在時(shí)間更新手續(xù)處計(jì)算姿態(tài)（滾動(dòng)、傾斜和偏航角度）的操作的示意 圖。
[0020] 圖8是示出在第一測(cè)量更新手續(xù)處計(jì)算姿態(tài)的操作（滾動(dòng)和傾斜角度）的示意 圖。
[0021] 圖9是示出在第二測(cè)量更新手續(xù)處計(jì)算姿態(tài)的操作（偏航角度）的示意圖。
[0022] 圖10是示出檢測(cè)峰值的手續(xù)的示意圖。
[0023] 圖11是示出計(jì)算移動(dòng)速度特征的水平分量的手續(xù)的示意圖。
[0024] 圖12是示出計(jì)算移動(dòng)速度特征的水平分量的手續(xù)的示意圖。
[00巧]圖13是示出判定手續(xù)的示意圖。
[0026] 圖14是示出判定在水平方向中移動(dòng)速度的變化的手續(xù)的示意圖。
[0027] 圖15是示出估計(jì)行進(jìn)方向的手續(xù)的示意圖。
[0028] 圖16是示出使用TRIAD算法計(jì)算姿態(tài)的手續(xù)的示意圖。
[0029] 圖17是用于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的慣性裝置的功能性配置的框圖.
[0030] 圖18是用于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的慣性裝置的速度估計(jì)單元的功能性配置的框 圖。
[0031] 圖19是存儲(chǔ)在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的慣性裝置中管理的參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中表的示 例。
[0032] 圖20是示出由根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的慣性裝置產(chǎn)生的速度波形的示意圖。
[0033] 圖21是示出的由根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的慣性裝置組合的速度波形示意圖。
[0034] 圖22是用于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的慣性裝置的絕對(duì)位置數(shù)據(jù)輸入單元的、絕對(duì) 位置估計(jì)單元W及地圖匹配單元的功能性配置的框圖。
[0035] 圖23是示出無(wú)線電場(chǎng)強(qiáng)度的信噪比W及接收無(wú)線電信號(hào)的間隔之間的關(guān)系的示 意圖。
[0036] 圖24是示出了在時(shí)間更新手續(xù)中的當(dāng)前位置的計(jì)算的示意圖。
[0037] 圖25是示出了在時(shí)間更新手續(xù)中的當(dāng)前位置的計(jì)算的示意圖。
[0038] 圖26是示出了在時(shí)間更新手續(xù)中的當(dāng)前位置的計(jì)算的示意圖。
[0039] 圖27是示出了在時(shí)間更新手續(xù)中的當(dāng)前位置的計(jì)算的示意圖。
[0040] 圖28是示出擴(kuò)展卡爾曼過(guò)濾器（現(xiàn)有技術(shù)）的等式的示意圖。
[0041] 圖29是示出在時(shí)間更新手續(xù)（現(xiàn)有技術(shù)）中使用的變量的示意圖。
[0042] 圖30是示出在測(cè)量更新手續(xù)（現(xiàn)有技術(shù)）中所使用的變量的示意圖。
[0043] 圖31是示出在垂直方向中的步行的運(yùn)動(dòng)特性的示意圖。
[0044] 圖32是示出在水平方向中的步行的運(yùn)動(dòng)特性的示意圖。
[0045] 圖33是示出步行運(yùn)動(dòng)的估計(jì)速度的結(jié)果的示意圖。
[0046] 圖34是示出步行運(yùn)動(dòng)的估計(jì)位置的結(jié)果的示意圖。
[0047] 圖35是示出步行運(yùn)動(dòng)的估計(jì)位置的結(jié)果的示意圖。
[0048] 圖36是示出使用絕對(duì)位置數(shù)據(jù)校正估計(jì)的結(jié)果的結(jié)果的示意圖。
[0049] 圖37是示出用于步行運(yùn)動(dòng)的測(cè)量誤差的估計(jì)的值的變化的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0050] 在該里將參考示意性實(shí)施例描述本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員將承認(rèn)可W使用本發(fā)明 的教導(dǎo)實(shí)現(xiàn)許多8可替換的實(shí)施例，并且本發(fā)明不限于為了解釋的目的而描述的實(shí)施例。
[0051] 應(yīng)注意的是，在附圖的注釋中，相同的部件被給定相同的參考標(biāo)號(hào)，并且注釋不被 重復(fù)。
[OOW]1.概哈
[0053] 圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的慣性裝置的概覽的示意圖。圖1示出了與慣性 裝置1步行的用戶。在本說(shuō)明書中，用戶步行的方向被表示為X-軸，垂直于X-軸的并且與 地面平行的方向被表示為y-軸，并且垂直于X-軸和y-軸兩者的方向被表示為Z-軸。
[0054] 慣性裝置1是便攜式的并且可W由用戶攜帶（例如，蜂窩電話、智能電話、個(gè)人數(shù) 字助理或者筆記本PC)。慣性裝置1具有慣性傳感器（例如，加速度傳感器、角速度傳感器、 磁場(chǎng)傳感器等），所述慣性傳感器被實(shí)現(xiàn)在普通的智能電話中。慣性裝置1可W檢測(cè)加速度 和角速度W及慣性裝置1的方向的變化。
[0055] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的慣性裝置1可W獲得所需要的包括在=個(gè)軸上的加速度 (3軸加速度）、在=個(gè)軸上的角速度（3軸角速度）W及在=個(gè)軸上的磁場(chǎng)的強(qiáng)度（3軸磁 場(chǎng)強(qiáng)度）的傳感器數(shù)據(jù)。坐標(biāo)系統(tǒng)取決于裝置或傳感器類型，所述坐標(biāo)系統(tǒng)可W被稱為"裝 置坐標(biāo)系統(tǒng)"。因此，在裝置坐標(biāo)系統(tǒng)中獲得的測(cè)量的值被轉(zhuǎn)換為絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)。
[0056] 慣性裝置1在絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)中可W獲得轉(zhuǎn)換的加速度（矢量）。特別地，慣性裝 置1可W從傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系統(tǒng)W及從轉(zhuǎn)換的傳感器數(shù)據(jù)移除重力，獲得加速度 (轉(zhuǎn)換的3軸加速度）的垂直分量和水平分量。慣性裝置1可W使用指示在按需要所獲得 并存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)換的3軸加速度的垂直方向中的轉(zhuǎn)換的加速度的變化的波形，識(shí)別當(dāng)在中屯、點(diǎn) 腳落地之后目標(biāo)的一只腳超過(guò)另一只腳的時(shí)間。由于時(shí)間指示當(dāng)下轉(zhuǎn)向點(diǎn)（下峰值）示出 在波形中的時(shí)間，所述時(shí)間被稱為"峰值時(shí)間"或者"峰值位置"。
[0057] 接下來(lái)，慣性裝置1可W在峰值位置附近的預(yù)先確定的時(shí)段中積分轉(zhuǎn)換的加速度 的水平分量。該里，計(jì)算的值被稱為"轉(zhuǎn)換的速度矢量的水平分量"。慣性裝置1可W通過(guò) 使用轉(zhuǎn)換的速度矢量的計(jì)算的水平分量；目標(biāo)的移動(dòng)動(dòng)作的周期；W及轉(zhuǎn)換的加速度的垂 直分量的峰值或者峰值幅度（在垂直方向中的峰值加速度的值）判定獲得的數(shù)據(jù)是否指示 目標(biāo)的實(shí)際步行運(yùn)動(dòng)（或，行進(jìn)動(dòng)作）。該里，目標(biāo)的移動(dòng)動(dòng)作的周期被稱為"移動(dòng)周期"。 移動(dòng)周期的示例是人類的步行周期。此外，目標(biāo)的實(shí)際步行運(yùn)動(dòng)或者行進(jìn)動(dòng)作被簡(jiǎn)單地表 示為"步行運(yùn)動(dòng)"（然而包括除了 "步行"W外的任何動(dòng)作）。
[005引接下來(lái)，當(dāng)慣性裝置1判定數(shù)據(jù)源自于實(shí)際步行運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣性裝置1可W在當(dāng)數(shù)據(jù) 被獲得的時(shí)間附近組合轉(zhuǎn)換的速度矢量的水平分量，并且慣性裝置1可W按需要計(jì)算指示 用戶邁出一步的行進(jìn)方向矢量。其后，慣性裝置1可W估計(jì)由上一行進(jìn)方向矢量和之前的 方向矢量的組合指示的行進(jìn)方向。
[0059] W此方法，由于慣性裝置1可W估計(jì)行進(jìn)方向而不需要傅里葉變換（FT)或主分量 分析，由于用于目標(biāo)的步行運(yùn)動(dòng)的加速度信號(hào)的低頻率，慣性裝置1不需要進(jìn)行高速率傳 感器采樣。此外，由于慣性裝置1對(duì)多個(gè)步行步伐不需要進(jìn)行FT，所W改善了每步的估計(jì)的 行進(jìn)方向的準(zhǔn)確性W及估計(jì)的響應(yīng)。該使減少成本并且縮小裝置成為可能。
[0060] 此外，由于不限制用戶持有慣性裝置的方式，可W改善可用性。當(dāng)慣性裝置為用戶 提供導(dǎo)航的功能時(shí)該優(yōu)點(diǎn)是特別有益的。
[0061] 慣性裝置1可W實(shí)現(xiàn)為除了上述裝置之外的諸如音樂(lè)播放器、健康監(jiān)控器、手表 等的裝置。此外，慣性裝置1可W被結(jié)合在另一的裝置中（例如，步行機(jī)器人或者用于動(dòng)物 的領(lǐng)子）。該使對(duì)在某個(gè)周期中在垂直方向中做運(yùn)動(dòng)的各種類型的生物或物體的行進(jìn)方向 的估計(jì)成為可能。
[0062] 2.硬件配晉
[0063] 圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的慣性裝置1的配置的概覽的示意圖。在圖2所 示的示例中，慣性裝置1被實(shí)現(xiàn)為諸如智能電話的移動(dòng)裝置。
[0064] 慣性裝置1具有CPU1URAM12、R0M13、加速度傳感器14、角速度傳感器15、磁場(chǎng) 傳感器16、麥克風(fēng)17、揚(yáng)聲器18、通信模塊19、藍(lán)牙（TM)通信模塊20、GI^S接收器模塊21、 顯不器22、觸摸面板23、電池24、大氣壓力傳感器25和總線26。
[0065] CPU11可W執(zhí)行程序控制慣性裝置1。RAM12可W作為用于CPU11的工作區(qū)域。 ROM13可W存儲(chǔ)由CPU11執(zhí)行的程序W及執(zhí)行程序所需要的數(shù)據(jù)。加速度傳感器14可W 檢測(cè)在慣性裝置1所使用的裝置坐標(biāo)系統(tǒng)中的在X'-軸、r-軸和Z'-軸方向中的加速度。 角速度傳感器15 (或巧螺儀）可W檢測(cè)在慣性裝置1所使用的裝置坐標(biāo)系統(tǒng)中的X' -軸、 r-軸和Z'-軸方向中的角速度。磁場(chǎng)傳感器16可W輸出使指南針指北的3維矢量并且 可W被用于檢測(cè)慣性裝置1的一方面。大氣壓力傳感器25可W測(cè)量空氣壓力并且檢測(cè)慣 性裝置1的海拔。
[0066] 麥克風(fēng)17可W將語(yǔ)音轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)。揚(yáng)聲器18可W將電子信號(hào)輸出為聲音。 通信模塊