CN102859388B - 使用传感器的多用户交互式运动跟踪 - Google Patents

Abstract

移动平台基于来自其相应惯性传感器的数据在三维公共参考系中交换其位置。移动平台例如通过彼此接触来建立公共参考系。每个移动平台的位置在其局部参考系中被更新，且该位置被转换成在公共参考系中的位置。在公共参考系中的位置随后可被传送给其他移动平台，该其他移动平台随后可基于接收到的公共参考系位置来确定这些移动平台之间的空间关系。每个移动平台可通过与新移动平台建立新参考系、生成从新参考系到公共参考系的转换以及将该转换提供给新移动平台来将公共参考系传递到附加的移动平台。

Description

使用传感器的多用户交互式运动跟踪

背景

诸如加速计和陀螺仪之类的惯性传感器正越来越多地用在移动应用中以进行位置或取向感知。移动平台中的惯性传感器在无需外部参考的情况下提供关于该移动平台的位置、取向和速度数据。位置、取向和速度数据可用于例如在步行导航中进行航位推算，尤其是在例如可使用卫星导航系统获得有效的起始位置时。惯性传感器的其他应用包括用户接口（例如，经由姿势）和游戏。

然而，惯性传感器提供相对于局部参考系的数据。每个移动平台的局部参考系受惯性传感器在安装到移动平台中时的精确取向以及一些传感器误差源所影响。因此，每个移动平台的局部参考系可被视为唯一性的，这使得难以在移动平台之间交换惯性传感器导出的位置。

概述

移动平台使用公共参考系来交换其基于惯性传感器的位置。公共参考系是通过移动平台之间的物理接触来建立的，该物理接触被用于定义公共参考系。每个移动平台的位置基于由其相应传感器提供的数据在其局部参考系中被更新，这些传感器可包括加速计、陀螺仪、磁力计和压力传感器。局部参考系中的位置被转换成公共参考系中的位置，公共参考系中的位置随后可被传送给其他移动平台。一旦接收到其他移动平台在公共参考系中的位置，随后就可确定这两个移动平台之间的空间关系。此外，若期望，每个移动平台可将公共参考系传递到一个或多个附加移动平台。例如，可通过物理接触在这些移动平台之一与新移动平台之间建立新参考系。随后可由该移动平台生成从该新参考系到公共参考系的转换并将其提供给新移动平台。

附图简述

图1解说基于来自惯性传感器的数据在其局部参考系中确定其位置并在公共参考系中交换其位置的两个移动平台。

图2是解说在公共参考系中交换移动平台的位置的方法的流程图。

图3解说两个移动平台之间的接触以及所得加速度矢量，所得加速度矢量可被用于推导公共参考系。

图4解说两个移动平台以公共参考系来无线地传达其相应位置。

图5解说将所建立的公共参考系传递到新移动平台。

图6解说三个移动平台以公共参考系来无线地传达其相应位置。

图7是能够与另一移动平台建立公共参考系、基于其惯性传感器在局部参考系中确定其位置以及在公共参考系中与该另一移动平台交换位置的移动平台的框图。

详细描述

图1解说基于来自其相应惯性传感器110A、110B的数据在其局部参考系102A、102B中确定其位置并在公共参考系104中交换其位置的两个移动平台100A和100B（有时是分别的且在本文被统称为移动平台100）。图2是解说使用公共参考系来交换移动平台的位置的方法的流程图。图1的移动平台100可以是诸如蜂窝电话或其他无线通信设备、个人通信系统（PCS）设备、个人导航设备（PND）、个人信息管理器（PIM）、个人数字助理（PDA）、膝上型设备或能够使用惯性传感器在三维空间中确定其位置并直接或经由短程无线、红外、有线连接或其他连接间接地与其他设备传送/接收无线通信的其他合适的移动设备之类的设备。移动平台100还能够诸如从卫星定位系统（SPS）接收导航信号，SPS通常包括发射机系统，这些发射机被定位成使得诸实体能够至少部分地基于接收自这些发射机的信号来确定其在地球上或其上方的位置。

如图1中所示，每个移动平台100A、100B分别具有其自己的局部参考系102A、102B，其被解说为三维笛卡尔坐标系。每个移动平台100A、100B的局部参考系102A、102B受惯性传感器110A、110B在移动平台100A、100B内的精确取向、以及影响惯性传感器110A、110B的一些误差源中的任何误差源的影响，误差源包括DC偏移和沿不同轴的不同灵敏度、以及惯性传感器内不同轴对之间的任何非正交性。因此，每个移动平台100A、100B的局部参考系可被认为是唯一性的，这使得难以在移动平台100A、100B之间在三维空间中交换位置。

参考图2的流程图，为了交换位置，移动平台与另一移动平台建立公共参考系，在该公共参考系中，这些移动平台可容易地彼此传达其相应位置（202）。公共参考系104可通过移动平台之间的物理接触来建立，即，例如在已请求移动平台100A、100B跟踪彼此的位置之后把这些移动平台轻碰在一起，如图1中所示。在移动平台100A、100B建立公共参考系104时，还建立参考时间（T0）。建立公共参考系包括生成局部参考系102与公共参考系104之间的转换。

图3解说移动平台100A和移动平台100B之间的接触以建立公共参考系104的更近视图。图3中还解说了源自移动平台100A、100B的碰撞且由惯性传感器110A、110B检测到的加速度矢量106A、106B。可由加速度矢量通过将公共参考系104的一个轴（例如，Y轴）与加速度矢量106A和106B的方向对准来定义公共参考系104。例如，公共参考系104的正Y轴可由从碰撞点向右延伸的加速度矢量（例如由移动平台100B检测到的加速度矢量106B）来定义，而负Y轴可由从碰撞点向左延伸的加速度矢量（例如由移动平台100A检测到的加速度矢量106A）来定义。碰撞点的右和左可基于在碰撞之前或之后检测到的移动平台100A、100B的运动来确定。公共参考系104的Z轴可通过在进行物理接触时将移动平台100A、100B的侧面（例如，背面）对准来确定。移动平台可被放置在平面（例如，墙或桌子）上，从而在初始化期间可达成对这些移动平台的侧面的更准确对准。由对准的侧面限定的平面可被用于定义Z轴。随后可根据右手定则来确定X轴和Z轴。公共参考系104的原点可以是移动平台100A、100B之间的接触点。公共参考系104的原点可容忍例如2cm-5cm的模糊性。若期望，可使用移动平台之间的附加接触或轻碰来提供附加信息。例如，可从与第一接触位于不同位置的第二接触确定两个接触之间的直线。该直线可用作参考轴。第二接触也可提供关于移动平台的哪些侧面正处于接触的信息。应理解，本文提供的具体示例仅仅用于解说而非限定。例如，公共参考系104的轴可具有任何期望取向。此外，可使用除笛卡尔以外的参考系。此外，可使用建立公共参考系104的其他方法。例如，若期望，可使用移动平台100A、100B之间的双接触，其中由两次单独接触所产生的加速度矢量可被用于定义公共参考系104的X-Y平面。如以上所讨论的，公共参考系的一个轴随后可与第一或第二加速度矢量对准，而其余轴通过右手定则来定义。

参考图2，在个体移动平台的局部参考系102A、102B中更新每个移动平台的从加速度、速度和航向计算出的位置、取向和海拔（有时统称为位置）（204）。可使用由惯性传感器110A、110B提供的数据在局部参考系中更新移动平台的位置。在移动平台100A、100B向彼此报告其相应位置之前，在局部参考系中的位置被转换成在公共参考系104中的位置（206）。移动平台100A、100B可传送其在公共参考系中的相应位置（208）。该传输可相对于参考时间被加时戳，即自时间T0起流逝的时间。因此，每个移动平台100A、100B接收另一移动平台在公共参考系中的位置（210）。图4作为示例解说移动平台100A、100B以公共参考系104来无线地传达其相应位置。

移动平台100A、100B之间的数据传输可联合包括无线广域网（WWAN）、无线局域网（WLAN）、无线个域网（WPAN）等在内的各种无线通信网络来实现。术语“网络”和“系统”往往被可互换地使用。WWAN可以是码分多址（CDMA）网络、时分多址（TDMA）网络、频分多址（FDMA）网络、正交频分多址（OFDMA）网络、单载波频分多址（SC-FDMA）网络、长期演进（LTE）等等。CDMA网络可实现诸如cdma2000、宽带CDMA（W-CDMA）等一种或多种无线电接入技术（RAT）。cdma2000包括IS-95、IS-2000和IS-856标准。TDMA网络可实现全球移动通信系统（GSM）、数字高级移动电话系统（D-AMPS）、或其他某种RAT。GSM和W-CDMA在来自名为“第三代伙伴项目”（3GPP）的联盟的文献中描述。Cdma2000在来自名为“第三代伙伴项目2”（3GPP2）的联盟的文献中描述。3GPP和3GPP2文献是公众可获取的。WLAN可以是IEEE 802.11x网络，并且WPAN可以是蓝牙网络、IEEE802.15x、或其他某种类型的网络。这些技术也可联合WWAN、WLAN和/或WPAN的任何组合来实现。

在接收另一移动平台在公共参考系104中的位置之后，每个移动平台可确定这些移动平台之间的空间关系（212），其可被存储在存储器中。例如，在接收用时间T1加时戳的移动平台100B在公共参考系104中的位置之后，移动平台100A可将其自己在时间T1时在该公共参考系中的位置与移动平台100B的位置作比较。替换地，可在将接收到的位置转换到局部参考系中之后在局部参考系中确定空间关系。对每个移动平台的位置的转换和传输（即，图2中的框206和208）可按相同频率且同步地执行，从而被比较的位置来自相同的参考时间。时间同步可基于无线协议参考时钟。无线收发机通过基站或通过对等严格时间同步来彼此同步。例如，在蓝牙的情形中，主参考时间可被用作时戳的参考。蓝牙协议支持读取主时钟以及与主时钟有偏移的从时钟。在移动平台连接到因特网的情况下，可作为对UTC（通用时间时钟）的参考来获得参考时钟且所有局部坐标将用UTC时钟来加时戳。

如图5中所示，所建立的公共参考系104可被传递到附加的移动平台。例如，已与移动平台100B建立公共参考系104的移动平台100A可将公共参考系104传递到不同的移动平台100C。公共参考系104通过发起物理接触被传递到新的移动平台100C。如上所述，从两个移动平台100A和100B之间的接触可生成由移动平台100A和100B共享的新参考系108、以及新参考时间（T_N0）。移动平台100A随后可生成从新参考系108到期望的公共参考系104的转换、以及从新参考时间（T_N0）到期望的参考时间（T0）加上任何流逝时间的转换。移动平台100A随后可将该参考系和时间转换传送（图5中由箭头109所示）给新移动平台100C，新移动平台100C随后如上所述地执行这些转换以采用公共参考系104和参考时间。移动平台100A、100B和100C随后可以公共参考系104来彼此无线地传达其相应的位置，如图6中所示。若期望，公共参考系104和参考时间可被传递到附加的移动平台。

图7是能够与另一移动平台建立公共参考系、基于其惯性传感器在局部参考系中确定其位置以及在公共参考系中与该另一移动平台交换位置的移动平台100的框图。如图7中所示，移动平台100包括传感器110，传感器110可包括诸如三维加速计和/或陀螺仪之类的惯性传感器、以及可用于确定位置和取向的其他传感器（诸如磁力计或压力传感器）。移动平台100还包括用于经由天线124如上所述直接或间接地与其他移动平台无线地通信的发射机/接收机（收发机）120。

传感器110和收发机120连接到移动平台控制单元150并与之通信。移动平台控制单元150接受并处理来自传感器110和收发机120的数据并控制该设备的操作。移动平台控制单元150可由处理器152以及相关联的存储器154、硬件156、软件158和固件157来提供。若期望，可使用附加处理器。如图所示，移动平台控制单元150包括位置引擎151，其基于来自传感器110的数据确定在局部参考系中的位置并且可被用于确定移动平台之间的空间关系。此外，移动平台控制单元150包括坐标转换单元153，其如上所讨论地执行局部参考系与公共参考系之间的转换并且至少临时存储在存储器154中。此外，移动平台控制单元150可包括卡尔曼滤波器155。卡尔曼滤波器155可被用于基于来自传感器110的信号来预测和估计移动平台的位置和航向。此外，倘若对等移动平台100B将其来自其传感器的数据提供给移动平台100A，则卡尔曼滤波器155可被用于预测对等移动平台100B的位置。因此，移动平台既能估计其自己的位置和轨迹也能估计对等移动平台的位置和轨迹。出于清楚起见，位置引擎151、坐标转换单元153和卡尔曼滤波器与处理器152分开地示出，但是若期望也可位于处理器152内。

将理解，如本文中所使用的，处理器能够但无须必然包括一个或多个微处理器、嵌入式处理器、控制器、专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器（DSP）、及类似物。术语处理器意在描述由系统实现的功能而非具体硬件。此外，如本文所使用的术语“存储器”是指任何类型的计算机存储介质，包括与移动平台相关联的长期、短期、或其它存储器，且并不被限定于任何特定类型的存储器或特定数目的存储器、或记忆存储在其上的介质的类型。任何处理的结果或中间结果，诸如在局部参考系和公共参考系中的位置以及所确定的空间关系，可被存储在存储器154中。

移动平台100还包括与移动平台控制单元150处于通信状态的用户接口160，例如移动平台控制单元150接受数据并控制用户接口160。用户接口160包括显示信息和控制菜单的显示器162以及按键板164或者用户能用来向移动平台100输入信息的其他输入设备。在一个实施例中，按键板164可被整合到显示器162中，诸如触摸屏显示器。例如当移动平台100是蜂窝电话时，用户接口160还可包括例如话筒和扬声器。

移动平台100由此包括用于与第二移动平台建立公共参考系的装置，该装置例如可包括用于检测与第二移动平台的接触的装置（其可以是传感器110）、以及用于确定公共参考系的位置引擎151和坐标转换单元153。用于更新移动平台在局部参考系中的位置的装置可包括用于检测移动平台的移动并作为响应向位置引擎151提供数据的装置，其中位置引擎151更新位置。用于将移动平台在局部参考系中的位置转换成该移动平台在公共参考系中的位置的装置可包括坐标转换单元153，而用于将移动平台在公共参考系中的位置提供给第二移动平台的装置可包括无线收发机120。移动平台还可包括用于接收第二移动平台在公共参考系中的位置的装置（诸如无线收发机120）、以及用于基于接收到的第二移动平台在公共参考系中的位置来确定该移动平台与第二移动平台之间的空间关系的装置（其可以是位置引擎151），它可以将该移动平台在公共参考系中的位置与第二移动平台在公共参考系中的位置作比较。此外，用于确定空间关系的装置可包括用于将第二移动平台在公共参考系中的位置转换成第二移动平台在局部参考系中的位置的装置，其可以是坐标转换单元153，并且位置引擎151将该移动平台在局部参考系中的位置与第二移动平台在该局部参考系中的位置作比较。移动平台可包括用于将公共参考系传递到第三移动平台的装置，其可包括例如用于在该移动平台与第三移动平台接触时建立新参考系的装置（其可以是传感器110）、以及用于生成从新参考系到公共参考系的转换的装置（其可以是坐标转换单元153）、以及用于将该转换提供给第三移动平台的装置（其可以是无线收发机120）。此外，用于接收第三移动平台在公共参考系中的位置的装置可包括无线收发机120，且用于基于接收到的第二移动平台在公共参考系中的位置来确定该移动平台与第三移动平台之间的空间关系的装置可以是位置引擎151。应理解，所描述的装置可包括本文中公开的有助于所描述功能的一个或多个方面的附加或其他结构，诸如处理器152和存储器154，并且可包括其结构等效方案。

本文中所描述的方法体系取决于应用可藉由各种手段来实现。例如，这些方法体系可在卡尔曼滤波器155、处理器152中或在硬件156、固件157、软件158或其任何组合中实现。对于硬件实现，这些处理单元可以在一个或多个专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器（DSP）、数字信号处理器件（DSPD）、可编程逻辑器件（PLD）、现场可编程门阵列（FPGA）、处理器、控制器、微控制器、微处理器、电子器件、设计成执行本文中所描述功能的其他电子单元、或其组合内实现。

对于固件和/或软件实现，这些方法体系可用执行本文中描述的功能的模块（例如，程序、函数等等）来实现。任何有形地体现指令的机器可读介质可被用来实现本文中所描述的方法体系。例如，软件代码可被存储在存储器154中并由处理器152执行。存储器可以实现在处理器单元内部或处理器单元外部。如本文所使用的，术语“存储器”是指任何类型的长期、短期、易失性、非易失性、或其他存储器，且并不限于任何特定类型的存储器或特定数目的存储器、或记忆存储在其上的介质的类型。

如果以固件和/或软件实现，则各功能可作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上。示例包括编码成具有数据结构的计算机可读介质和编码成具有计算机程序的计算机可读介质。例如，计算机可读介质可编码有用于基于检测到的接触建立公共参考系的程序代码；用于基于来自惯性传感器的数据更新在局部参考系中的位置的程序代码；用于将局部参考系中的位置转换成公共参考系中的位置的程序代码；以及用于使得传输公共参考系中的位置的程序代码。此外，计算机可读介质可包括用于确定在公共参考系中的该位置与接收到的在公共参考系中的位置之间的空间关系的程序代码，或者用于将接收到的在公共参考系中的位置转换成接收到的在该局部参考系中的位置的程序代码、以及用于确定在局部参考系中的该位置与接收到的在该局部参考系中的位置之间的空间关系的程序代码。此外，计算机可读介质可包括用于基于不同的检测到的接触建立新参考系的程序代码；用于生成从新参考系到公共参考系的转换的程序代码；以及用于使得传输该转换的程序代码。

计算机可读介质可包括物理计算机存储介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，此类计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储或其他磁存储设备、或能被用来存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其他介质；如本文中所使用的盘（disk）和碟（disc）包括压缩碟（CD）、激光碟、光碟、数字多用碟（DVD）、软盘和蓝光碟，其中盘常常磁学地再现数据，而碟用激光光学地再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

尽管出于指导目的结合具体实施例解说了本发明，但是本发明并不被限定于此。可作出各种适应性改编和改动而不会脱离本发明的范围。因此，所附权利要求的精神和范围不应当被限定于前面的描述。

Claims (15)

1.一种用于交换移动平台的位置的方法，所述方法包括：

当第一移动平台与第二移动平台物理接触时建立所述第一移动平台与所述第二移动平台之间的公共参考系；

为所述第一移动平台更新所述第一移动平台在局部参考系中的位置；

将在所述局部参考系中的所述位置转换成所述第一移动平台在所述公共参考系中的位置；以及

传送所述第一移动平台在所述公共参考系中的所述位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：

接收所述第二移动平台在所述公共参考系中的位置；以及

基于接收到的所述第二移动平台在所述公共参考系中的位置确定所述第一移动平台与所述第二移动平台之间的空间关系。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，确定所述空间关系是通过将所述第一移动平台在所述公共参考系中的所述位置与所述第二移动平台在所述公共参考系中的所述位置作比较来执行的。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，确定所述空间关系是通过将所述第二移动平台在所述公共参考系中的所述位置转换成所述第二移动平台在所述局部参考系中的位置、以及将所述第一移动平台在所述局部参考系中的所述位置与所述第二移动平台在所述局部参考系中的所述位置作比较来执行的。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，更新所述第一移动平台的所述位置是使用来自加速计、陀螺仪、磁力计和压力传感器中的至少一者的数据来执行的。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述位置包括取向和海拔。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：

将所述公共参考系从所述第一移动平台传递到第三移动平台；

接收所述第三移动平台在所述公共参考系中的位置；以及

基于接收到的所述第三移动平台在所述公共参考系中的位置确定所述第一移动平台与所述第三移动平台之间的空间关系。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述公共参考系从所述第一移动平台传递到所述第三移动平台包括：

在所述第一移动平台与所述第三移动平台物理接触时建立新参考系；

生成从所述新参考系到所述公共参考系的转换；以及

将所述转换传送给所述第三移动平台。

9.一种移动平台，包括：

用于当所述移动平台与第二移动平台物理接触时与所述第二移动平台建立公共参考系的装置；

用于更新所述移动平台在局部参考系中的位置的装置；

用于将所述移动平台在所述局部参考系中的所述位置转换成所述移动平台在所述公共参考系中的位置的装置；以及

用于将所述移动平台在所述公共参考系中的所述位置提供给所述第二移动平台的装置。

10.如权利要求9所述的移动平台，其特征在于，进一步包括：

用于接收所述第二移动平台在所述公共参考系中的位置的装置；以及

用于基于接收到的所述第二移动平台在所述公共参考系中的位置确定所述移动平台与所述第二移动平台之间的空间关系的装置。

11.如权利要求10所述的移动平台，其特征在于，所述用于确定所述空间关系的装置包括用于将所述移动平台在所述公共参考系中的所述位置与所述第二移动平台在所述公共参考系中的所述位置作比较的装置。

12.如权利要求10所述的移动平台，其特征在于，所述用于确定所述空间关系的装置包括用于将所述第二移动平台在所述公共参考系中的所述位置转换成所述第二移动平台在所述局部参考系中的位置、以及将所述移动平台在所述局部参考系中的所述位置与所述第二移动平台在所述局部参考系中的所述位置作比较的装置。

13.如权利要求9所述的移动平台，其特征在于，所述位置包括取向和海拔。

14.如权利要求9所述的移动平台，其特征在于，进一步包括：

用于将所述公共参考系传递到第三移动平台的装置；

用于接收所述第三移动平台在所述公共参考系中的位置的装置；以及

用于基于接收到的所述第三移动平台在所述公共参考系中的位置确定所述移动平台与所述第三移动平台之间的空间关系的装置。

15.如权利要求14所述的移动平台，其特征在于，所述用于将所述公共参考系传递到所述第三移动平台的装置包括：

用于在所述移动平台与所述第三移动平台物理接触时建立新参考系的装置；

用于生成从所述新参考系到所述公共参考系的转换的装置；以及

用于将所述转换传送给所述第三移动平台的装置。