CN104215240A - 协作惯导定位 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种协作惯导定位。当一移动设备的惯导误差远大于邻近的移动设备时，它利用邻近的移动设备来优化其惯导位置。基于测量出的两个设备之间相对位置，优化后的位置等于邻近设备的惯导位置与相对位置之矢量和。

Description

协作惯导定位

本申请要求申请号为61/830,105、申请日为2013年6月2日的美国专利申请的优先权。

技术领域

本发明涉及移动电子设备领域，更确切地说，涉及惯导定位。

背景技术

惯导定位（dead reckoning）是一种利用一时间间隔内的已知或估算速度、通过该时间间隔开始时的位置来推算该时间间隔结束时位置的方法。对于一名携带移动设备10的移动用户来说，惯导定位利用移动设备10的传感器（包括加速度传感器和指南针）来定位（图1A）。基于加速度传感器的读数，移动设备10确定用户是否走了一步（图1A和图1B中的每个点代表一步），并相应地算出移动用户的位移。基于指南针的读数，移动设备10确定移动用户每一步伐的方向。这些数据-位移和方向-组成了移动用户每一步伐的移动矢量S_i。

如图1A所示，一区域含有多个参考点R1、R2…。在每个参考点处，移动设备10的位置可以被精确地确定。参考点可以是一路标。路标具有特别的传感器读数（即传感器特征），其例子包括建筑物入口或电梯。参考点也可以是一地面真实事件（ground truth event）的发生地。地面真实事件是指为用户或用户自己确定移动设备位置的事件，如用户手动输入其位置，或获取一与其位置相关的图像。 当移动用户路过一参考点时，其定位误差重新置零。

惯导定位以如下方法估算位置：从一个参考点开始，惯导定位将一移动用户所有步伐的移动矢量相加，从而估算出他现在的位置（惯导位置）。由于移动设备的传感器质量较差，惯导位置的误差（惯导误差）是一积累误差，它与用户步伐数（从上一参考点算起）的立方成正比（图2）。惯导误差曲线具有一锯齿形状：随着步伐数的增加，惯导误差逐步增大，在达到下一个参考点时重置到零，然后再逐步增大。当移动用户在两个参考点之间不走直线时，惯导误差可能会变得很大。例如说，图1A中的路径P沿长方形ABCD绕了一圈，绕这一圈时用户走的多余步伐导致了极大的惯导误差（图2中的误差曲线E）。

Kramer等提出了一种采用对等惯导定位来提高惯导精确度的方法（peer-to-peer dead reckoning）（参见《A-GNSS a different approach》，Inside GNSS杂志，2009年9月/10月，第52-61页）。当两个具有不同惯导误差的移动设备相遇时（如在图1B的相遇点M），它们的共同惯导位置等于它们各自惯导位置的加权平均（以它们各自误差的倒数为权重）。如果第一设备的惯导误差远远大于第二设备，则第二设备的位置实际上被用作这两个设备的共同惯导位置，该共同惯导位置的误差约等于该第二设备的惯导误差。如图2中的误差曲线E*所示，在相遇点M，第一移动设备10的惯导误差降至第二移动设备10*的惯导误差。由于第二设备10*的惯导误差仅沿路径P*积累，它远远小于第一设备10。因此，对等惯导定位能降低惯导定位的误差。

虽然对等惯导定位能降低惯导误差，但是它受限于两个移动设备相遇（Kramer要求两个设备的距离小于2米）的概率。而两个移动设备相遇的概率取决于该区域中移动设备的密度，它是一个完全随机的变量。因此，对等惯导定位基本上没有实际应用。

发明内容

本发明的主要目的是提高惯导定位的精确度。

本发明的另一目的是使对等惯导定位能实际应用。

为了实现上述目的，本发明提出了一种协作惯导定位。它利用邻近的移动设备来优化本移动设备的惯导位置。与对等惯导定位不同的是，协作惯导定位不要求两个移动设备相遇，它可以让两个处于不同位置的移动设备相互协作。假设第一移动设备的惯导误差大于第二移动设备，为了利用第二设备较小的惯导误差，首先测量两个设备之间的相对位置（包括它们之间的距离和方向）。该测量最好采用声学（或电磁）测量法。声学（或电磁）测量法的误差很小，一般在2%左右。对于10米的距离测量，误差在20厘米左右。接着，计算第一设备的推导位置，它等于第二设备的惯导位置与第一第二设备之间相对位置的矢量和。第一设备优化后的位置（称为其协作惯导位置）等于第一设备的推导位置和其惯导位置的加权平均（以它们各自误差的倒数为权重）。如果第一设备的惯导误差远远大于第二设备，则第一设备的推导位置实际上被用作其协作惯导位置，该协作惯导位置的误差约等于该第二设备的惯导误差。因此，协作惯导定位能极大地降低惯导误差。更重要的是，因为协作惯导定位不要求两个设备相遇，它比对等惯导定位具有更为广泛的实际应用。

相应地，本发明提出一种协作惯导定位系统，其特征在于含有：一含有第一惯导模块的第一移动设备，该第一惯导模块获取该第一设备的第一位置；一含有第二惯导模块的第二移动设备，该第二惯导模块获取该第二设备的第二位置；一测量该第一和第二设备相对位置的相对位置测量模块；其中，如果该第一位置的误差大于该第二位置的误差，至少部份通过所述相对位置和所述第二位置获取该第一设备的优化位置。

本发明还提出一种协作惯导定位方法，其特征在于含有如下步骤：1）通过第一惯导模块获取第一设备的第一位置；2）通过第二惯导模块获取第二设备的第二位置；3）测量该第一和第二设备的相对位置；如果该第一位置的误差大于该第二位置的误差，至少部份通过所述相对位置和所述第二位置获取该第一设备的优化位置。

附图说明

图1A显示一移动设备10经过的路径P；图1B显示两个相向运动的移动设备10、10*，它们经过路径P和P*并在点M相遇。

图2比较图1A和图1B中移动设备10的误差曲线E、E*。

图3显示采用协作惯导定位时几个移动设备各自的位置和误差。

图4显示一种协作惯导定位法的多个步骤。

图5是一种协作惯导定位系统的功能框图。

图6披露了一种测量移动设备之间相对位置的方法。

注意到，这些附图仅是概要图，它们不按比例绘图。为了显眼和方便起见，图中的部分尺寸和结构可能做了放大或缩小。在不同实施例中，相同的符号一般表示对应或类似的结构。

具体实施方式

在本说明书中，符号“/”表示“和”或“或”的关系。移动设备的“位置”是指其坐标，它是一矢量；“惯导位置”是指通过惯导定位确定的位置；“协作惯导位置”是指通过协作惯导定位确定的位置。矢量由大写字母表示，标量由小写字母表示。

图3和图4披露了协作惯导定位的一个典型流程。区域X包括携带移动设备a、b、c、d的多个移动用户。每个移动设备可以是不同类设备中的一类，不同移动设备可以是同类设备，也可以是不同类设备。例如说，移动设备可以是手机、便携式电脑、上网本、平板电脑、个人电脑、移动工作站、娱乐设备、游戏机、车载电脑等。移动设备可以是含有海量存储器和强大处理器的高端设备，也可以是含有少量存储器和较差处理器的低端设备。由于协作惯导定位的概念可以应用到水下导航，移动设备也可以是潜水艇。

携带第一移动设备a的第一用户从参考点R₁开始沿路径P_a步行，并通过惯导定位来估测其位置（步骤110a）。这时，其估测的位置是惯导位置10a，它由位置矢量L_a来表示（步骤120a），圆20a表示惯导位置10a的方差。类似地，携带第二移动设备b的第二用户从参考点R₂开始沿路径P_b步行，并通过惯导定位来估测其位置（步骤110b）。这时，其估测的位置是惯导位置10b，它由位置矢量L_b来表示（步骤120b），圆20b表示惯导位置10b的方差。

由于路径Pa远比路径Pb长，惯导位置10a的方差20a远大于惯导位置10b的方差20b。如果方差20a超过一预定值，第一设备a可以向其附近的设备，尤其是附近具有较小惯导误差的设备，寻求“帮助”。另一方面，如果一设备的惯导误差较小（如小于一预订值），则它可以为附近的设备，尤其是附近具有较大惯导误差的设备，提供“帮助”。

一旦第二设备b被招募来提供“帮助”，则首先测量两个设备a、b之间的相对位置矢量L_ba（包括它们之间的距离和方向）（步骤130）。该相对位置的测量误差（厘米级）一般远远小于惯导误差（至少米级）(参见图6)。为了充分利用第二设备b较小的惯导误差，第二设备b的位置被用来推导第一设备a的位置。这个被推导出来的、第一设备a的位置被称为推导位置10a*。其位置矢量L_a*等于第二设备b的位置矢量L_b和设备a、b之间相对位置矢量L_ba之和，即L_a*=L_b+L_ba（步骤140）。相应地，其方差也是两者方差之和，即var(L_a*)=var(L_b)+var(L_ba)。由于var(L_ba)与var(L_b)相比可以忽略不计，推导位置10a*的方差约等于设备b位置的方差，即var(L_a*)≈var(L_b)。

第一设备a优化后的位置被称为其协作惯导位置10a’。其位置矢量L_a’等于其推导位置L_a*和惯导位置L_a的加权平均（以它们各自误差的倒数为权重）（步骤150）。它可以表达为：

L_a’=[L_a/var(L_a)+L_a*/var(L_a*)]/[1/var(L_a)+1/var(L_a*)]。

相应地，惯导位置10a’的方差为：

var(L_a’)=1/[1/var(L_a)+1/var(L_a*)]。

如果第一设备a的惯导误差远远大于第二设备b，则第一设备a的推导位置L_a*实际上被用作其协作惯导位置L_a’，即L_a’≈L_a*，该协作惯导位置的误差约等于该第二设备的惯导误差，即 var(L_a’)≈var(L_a*)≈var(L_b)。因此，协作惯导定位能极大地降低惯导误差。更重要的是，因为协作惯导定位不要求两个设备相遇，它比对等惯导定位具有更为广泛的实际应用。

图5披露了一协作惯导系统10的功能框图。它含有处理器30、存储器40、惯导模块60和相对位置测量模块70。在其它一些实施例中，协作惯导系统10含有比图5更多的功能模块。当然，为了解释本发明，并没有必要画出所有的功能模块。

处理器30根据存储在存储器40中的指令处理输入，并将结果输出。存储器40存储软件。软件包括一个可执行的语句的集合，这些可执行的语句可以控制惯导模块60和相对位置测量模块70。

惯导模块60接受传感器数据，运行惯导算法，基于传感器数据的变化来估算移动设备的位置。它包括多个能探测运动、高度和/或方向的惯性传感器。这些传感器包括加速度传感器、指南针、陀螺仪等。它们收集有关移动设备移动、位置和/或方向的数据。

相对位置测量模块70利用声波(或电磁波)来测量移动设备之间的相对位置。声波包括可听声、超声波等声音信号。电磁波包括激光、红外线（IR）、微波（如蜂窝信号、WiFi信号、蓝牙信号、近场通讯信号等）等电磁信号。

图6披露了一种测量移动设备a（在位置10a*）和b（在位置10b）之间相对位置L_ba的方法。首先在第一设备a中选择两个在物理空间分离的信号接收器16x、16y，如手机中的两个话筒：一在手机底端并用于听用户声音的主话筒，一在手机顶端并用于听环境噪音的副话筒。接着测量第二设备b与这两个信号接收器16x、16y之间的距离d_bx、d_by.。这些距离可以采用声学（或电磁）测距法来测量。声学（或电磁）测距法比惯导定位具有更高的精度（厘米级相对于米级）。测距原理包括测量信号强度和/或信号传播时间（ToF）。ToF测量又包括脉冲测量和连续波测量（如移相测量法）等。同时，信号接收器16x、16y之间的距离d_xy是已知的，且移动设备a的方向角α（在x－y坐标系中相对于y轴）也可以很容易地通过磁场仪（或陀螺仪）测量出。基于已知的d_xy和测量出的d_bx、d_by、α，相对位置L_ba可以推算出来。例如，L_ba的长度（即距离）可以通过测量声波的传播时间来得到；L_ba的角度（即方向）可以通过测量来自设备b的声波到达接收器16x、16y时的相位差来得到。对于熟悉本专业的人士来说，除了以上方法，还可以采用其它测距法和测向法来测量移动设备之间的相对位置。

应该了解，在不远离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明的形式和细节进行改动，这并不妨碍它们应用本发明的精神。因此，除了根据附加的权利要求书的精神，本发明不应受到任何限制。

Claims (10)

1.一种协作惯导定位系统，其特征在于含有：

一含有第一惯导模块的第一移动设备，该第一惯导模块获取该第一设备的第一位置；

一含有第二惯导模块的第二移动设备，该第二惯导模块获取该第二设备的第二位置；

一测量该第一和第二设备相对位置的相对位置测量模块；

其中，如果该第一位置的误差大于该第二位置的误差，至少部份通过所述相对位置和所述第二位置获取该第一设备的优化位置。

2.一种协作惯导定位方法，其特征在于含有如下步骤：

1）通过第一惯导模块获取第一设备的第一位置；

2）通过第二惯导模块获取第二设备的第二位置；

3）测量该第一和第二设备的相对位置；

如果该第一位置的误差大于该第二位置的误差，至少部份通过所述相对位置和所述第二位置获取该第一设备的优化位置。

3.根据权利要求1和2所述的协作惯导定位系统和方法，其特征还在于：所述第一和第二设备的相对距离大于两米。

4.根据权利要求1和2所述的协作惯导定位系统和方法，其特征还在于：所述第一和第二惯导模块含有加速度传感器、指南针和/或陀螺仪。

5.根据权利要求1和2所述的协作惯导定位系统和方法，其特征还在于：通过至少两个物理空间分离的接收器测量该相对位置。

6.根据权利要求1和2所述的协作惯导定位系统和方法，其特征还在于：用声波测量该相对位置。

7.根据权利要求6所述的协作惯导定位系统和方法，其特征还在于：所述声波包括可听声和超声波。

8.根据权利要求1和2所述的协作惯导定位系统和方法，其特征还在于：用电磁波测量该相对位置。

9.根据权利要求8所述的协作惯导定位系统和方法，其特征还在于：所述电磁波包括激光、红外线和微波。

10.根据权利要求1和2所述的协作惯导定位系统和方法，其特征还在于：优化后的位置误差小于第一位置的误差。