CN104359483A - 一种无信号覆盖环境下的反向轨迹导航系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无信号覆盖环境下的反向轨迹导航系统及其实现方法，系统包括电源模块、功能开关、加速度传感器、陀螺仪、微处理器、存储器和显示屏。实现方法包括以下几个步骤：初始化；系统启动后确定用户每步的步长；使用步数判定算法判定当前步伐是否有效；通过方向判定算法计算得到相邻两步间的方向α；通过轨迹描述算法对用户的运动逐次进行计算，得到当前所处位置的坐标；计算当前位置到初始位置的距离，将当前位置与初始位置相连接，可计算出当前位置与初始位置间的方向；将距离数据及方向数据输出到显示屏显示。本发明在无信号覆盖环境下实现反向轨迹导航，价格低廉、体积小巧、便携性好、操作简便。

Description

一种无信号覆盖环境下的反向轨迹导航系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种反向导航系统，具体涉及一种无信号覆盖环境下的反向轨迹导航系统及其实现方法。

背景技术

导航系统目前实现方式有两大类。第一大类：依靠GPS定位、wifi信号定位、手机信号定位等，这些方案都受到信号覆盖范围的限制，在无信号或信号衰减幅度大的环境下，场所(如停车场)需要付出高昂的代价购买信号增幅设备增强空间内信号的强度，同时需要购买信号发射设备来支持定位。第二大类：使用惯导模块结合GPS的导航，这些方案系统复杂，体积大，成本高昂，操作复杂，便捷性差。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种无信号覆盖环境下的反向轨迹导航系统及其实现方法，可在无信号覆盖环境下使用，价格低廉、体积小巧、便携性好、能够实现反向寻找固定地点及物品。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的一种无信号覆盖环境下的反向轨迹导航系统，包括

电源模块，用于将电能供给加速度传感器、陀螺仪、微处理器、存储器和显示屏，并将高电平信号提供给功能开关；

功能开关，与微处理器相连接用于控制系统的运行；

加速度传感器，与微处理器相连接用于将加速度数据提供给微处理器；

陀螺仪，与微处理器相连接用于将方向数据提供给微处理器；

微处理器，根据加速度数据和方向数据，得出当前位置与初始位置间的距离与方向；

存储器，与微处理器输出端相连接用于存储计算过程中的数据；

和显示屏，与微处理器输出端相连接用于显示当前位置到初始位置间的方向和距离。

上述陀螺仪、加速度传感器具体采用的是单个三轴陀螺仪传感器、三轴加速度传感器或者采用九轴/十轴陀螺仪。

本发明的无信号覆盖环境下的反向轨迹导航系统的实现方法，具体包括以下几个步骤：

(1)初始化：系统启动前，先将所述陀螺仪水平放置1-2秒，并读取当前陀螺仪的角速度，然后按下所述功能开关微处理器开始运行；

(2)系统启动后确定用户每步的步长；

(3)使用步数判定算法判定当前步伐是否有效，如果有效则转向步骤(4)；

(4)在判定步伐有效后，通过方向判定算法计算得到相邻两步间的方向α；

(5)通过轨迹描述算法对用户的运动逐次进行计算，得到当前所处位置的坐标；

(6)计算当前位置到初始位置的距离，将当前位置与初始位置相连接，可计算出当前位置与初始位置间的方向；

(7)将距离数据及方向数据输出到显示屏显示。

步骤(2)中，用户每步的步长取决于用户的速度和身高。

步骤(3)中，所述步数判定算法具体包括以下几个步骤：

(1a)将所述加速度传感器和陀螺仪的坐标系定为X、Y和Z；

(2a)通过所述微处理器对加速度传感器以固定频率持续采样，并更新Z轴上加速度的最大值Max和最小值Min，将加速度平均值(Max+Min)/2称为阈值；

(3a)当加速度Max>阈值>Min时，判定当前步伐有效，步数加一，得到步伐数据。

步骤(4)中，所述方向判定算法由角速度数据以及间隔时间计算得出，具体计算方法如下：

方向α＝角速度对时间的积分其中，角速度ω是从所述陀螺仪直接读出，时间t的计算方法如下：

(1b)将所述加速度传感器的采样频率记为f；

(2b)将上一次判定步伐有效到本次判定步伐有效间的采样次数记为n；

(3b)时间t的计算公式t＝(n+1)/f。

步骤(5)中，所述轨迹描述算法具体包括以下几个步骤：

(1c)将直角坐标系内[x₀＝0,y₀＝0]坐标设置为初始位置，通过步骤(3)判定用户已迈出一步；

(2c)将步骤(4)中得到的第一步的方向数据α与用户步长一起计算，计算得出该位置在坐标系内的坐标为[sinα*1,cosα*1]即为[x₁,y₁]点；

(3c)将步骤(4)中得到的第二步的方向数据用α₁表示，与用户步长一起计算后，得到该位置在坐标系内的坐标为[sinα*1+sinα₁*1,cosα*1+cosα₁*1]即为[x₂,y₂]；

(4c)以此轨迹描述算法对之后的运动逐次进行计算，得到当前所处位置的坐标。

步骤(6)中，以[x₂,y₂]为例，则

通过公式∠β＝arctan(y₂/x₂)+90°得到[x₂,y₂]与y₀轴的夹角即为当前位置指向初始位置(0,0)的方向角，从而得到当前位置到初始位置(0,0)间的导航方向。

本发明可在无信号覆盖环境下使用，价格低廉则可以让更多用户受益，体积小巧便携性好为该方案提供了多种使用场景(如老人小孩寻家、停车场寻车)，操作简便(仅设计了电源开关和功能开关这两个按键)，能够反向寻找固定地点及物品。

附图说明

图1为本发明的系统原理框图；

图2为本发明的系统实现方法工作流程图；

图3为人行走时加速度传感器三轴采样波形图；

图4为通过轨迹描述算法得到当前所处位置坐标的原理图；

图5为计算当前位置到初始位置的距离及方向的原理图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明为用户提供了一种可在无信号覆盖环境下使用且价格低廉、体积小巧、便携性好、操作简便的反向寻找固定地点及物品的方案。价格低廉则可以让更多用户受益，体积小巧便携性好为该方案提供了多种使用场景(如老人小孩寻家、停车场寻车)，操作简便(仅两个按键)可以让用户更方便使用。

固定地点、物品时，在该地点或物品处启动系统并使用Mark键记录当前位置，如此在离开记录位置时系统即开始描绘运动轨迹，而当用户需要寻找记录的位置时仅需根据系统显示的方向、距离信息就能看到Mark点位置。

用作室内、室外定位时，用户在行进中通过Mark键记录诸如车辆、餐厅、卫生间、商铺、营地、水源等地点，当希望前往这些地点时仅需根据系统描绘的轨迹及提供的方向、距离信息即可到达。

参见图1，本发明包括控制单元、感应单元、运算单元和显示单元四大功能模块。通信方式及数据内容见表1：

表1

其中，控制单元包括电源开关(Power键)、与电源开关输出端相连接的电源控制芯片和与电源控制芯片输出端相连接的功能开关。用户通过电源开关开启系统，并给其他三个单元供电；通过功能开关(即mark键)开始记录初始位置，并将开始信号发送给运算单元。

其中，感应单元包括加速度传感器和陀螺仪(九轴/十轴陀螺仪传感器)：加速度传感器感知用户运动情况，并将数据提供给运算单元；陀螺仪感知用户运动方向变化情况，并将数据提供给运算单元。

其中，运算单元采用的是微型处理器：用于接受感应单元提供的数据进行计算，判定步伐的有效性，并计算运动轨迹，在坐标系内描绘用户当前所在的位置；将计算结果即当前位置与初始位置相连接，计算出当前位置与初始位置间的距离与方向；把距离与方向信息输出到显示单元。

其中，显示单元采用的是显示屏：用于显示运算结果及显示用户界面。

本系统还包括与电源开关及电源控制芯片输入端相连接的电池和与微处理器输出端相连接的存储器及LCD驱动芯片，LCD驱动芯片的输出端与LCD显示屏的输入端相连接。

本系统详细的通信方式及数据内容见表2。

表2

参见图2，电源开关使用电池提供的高电平信号控制电源控制芯片；

电源控制芯片开通后将电池提供的电能供给加速度传感器、陀螺仪、微处理器、存储器及LCD显示屏；将高电平信号提供给功能开关控制系统的运行；

加速度传感器和陀螺仪分别将运动变化数据和方向变化数据提供给微处理器进行运算；

微处理器将运算结果存储在存储器内并输出到LCD显示屏显示；

LCD显示屏显示用户界面和运算结果。

本发明依靠系统中陀螺仪感应器感知人体或物品的动作通过后台处理器运算后描绘运动轨迹，从而实现轨迹定位功能。

本发明根据简约化设计理论，仅设计了两个按键，分别为Power和Mark键。其中，Power用来控制电源开关，Mark用来控制记步开始与结束。

按下Power键，电源接通，数据初始化。本产品不设ROM存储，数据在断电以后会自动消失。

按下Mark键，微处理器根据固定的频率读取九轴陀螺仪的X/Y/Z三个方向的加速度数据以及该三个方向与水平面夹角的角速度数据，根据步数判定算法判定是否迈出一步。

判断迈出一步后，通过与RAM内集成数据进行计算，获取当前的步数和夹角，并显示在LCD显示屏上面。

本发明的基本原理包括以下几个步骤：

(1)初始化：由于陀螺仪感知物体运动角度的特性，在系统启动时，会要求用户将设备水平放置1-2秒，读取当前的陀螺仪的角度数据(角度判定算法见(4)方向判定算法)，确定标准坐标系。

(2)步长判定：在系统启动后，使用步长判定算法来判断用户每步的步长。每步距离取决于用户的速度和身高。如果用户身材较高或以较快速度跑步，步长就会较长。通过大量数据的收集以及资料的查阅，发明人拟定了一张步长数据表(见表3)，并且以一定的频率对步长数据进行更新。

表3

每2秒步数	跨步(m/s)
		0～2	身高/5
2～3	身高/4
		3～4	身高/3
4～5	身高/2
		5～6	身高/1.2
6～8	身高
		>＝8	1.2×身高

(3)步数判定算法：将加速度传感器和陀螺仪的坐标系定为X、Y和Z。由于在运动中，每运动一步，坐标系Z轴的加速度都比X、Y上的大，因此需要通过Z轴上加速度大小的变化来判定步伐有效。根据微处理器对加速度传感器的持续采样，持续计算更新加速度a_Z(Z轴的加速度)的最大值和最小值，每采样50次更新一次。加速度平均值(Max+Min)/2称为“阈值”。接下来的50次采样利用此阈值判断个体是否迈出步伐。当加速度Max>阈值>Min时，判定该步伐有效，得到步伐数据；

(4)方向判定算法：判定步伐有效后，需要判断相邻两步间的方向，该方向由角速度数据以及间隔时间计算得出。具体计算方法为：方向(用角度表示)＝角速度对时间的积分

时间t的计算方法：

1)加速度传感器的采样频率在此记为f；

2)上一次判定步伐有效到本次判定步伐有效间的采样次数n；

3)积分中时间t的计算公式t＝(n+1)/f；

角速度ω是从陀螺仪直接读出；

(5)轨迹描述算法：用户起点初始坐标设为为原点[0,0]，系统判定使用者迈出了一步，直角三角形1及直角三角形2的斜边即为步长且数值为1(单位为步)，将步骤(4)中得到的方向数据∠α与人体正常步长一起计算，计算得出当前位置在坐标系内的坐标为[sinα*1_(步),cosα*1_(步)]即图示中的[x₁,y₁]点，为了方便理解图中第二步的方向数据用∠α₁表示，与人体正常步长一起计算后得到当前位置在坐标系内的坐标为[sinα*1_(步)+sinα₁*1_(步),cosα*1_(步)+cosα₁*1_(步)],以此算法对之后的运动逐次进行计算得到所处位置的坐标(参见图4)；

(6)以第(5)过程的结果为上一步坐标输出计算当前位置与初始位置间的距离，以[x₂,y₂]为例， 以此重复，直到导航结束，通过公式∠β＝arctan(y₂/x₂)+90°得到[x₂,y₂]与y₀轴的夹角即为当前位置指向初始位置(0,0)的方向角，从而得到当前位置到初始位置(0,0)间的导航方向(参见图5)。

(7)将距离数据及方向数据输出到显示屏显示。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种无信号覆盖环境下的反向轨迹导航系统，其特征在于，包括

电源模块，用于将电能供给加速度传感器、陀螺仪、微处理器、存储器和显示屏，并将高电平信号提供给功能开关；

功能开关，与微处理器相连接用于控制系统的运行；

加速度传感器，与微处理器相连接用于将加速度数据提供给微处理器；

陀螺仪，与微处理器相连接用于将方向数据提供给微处理器；

微处理器，根据加速度数据和方向数据，得出当前位置与初始位置间的距离与方向；

存储器，与微处理器输出端相连接用于存储计算过程中的数据；

和显示屏，与微处理器输出端相连接用于显示当前位置到初始位置间的方向和距离。

2.根据权利要求1所述的无信号覆盖环境下的反向轨迹导航系统，其特征在于，

所述陀螺仪、加速度传感器具体采用的是单个三轴陀螺仪传感器、三轴加速度传感器或者采用九轴/十轴陀螺仪。

3.根据权利要求1所述的无信号覆盖环境下的反向轨迹导航系统的实现方法，其特征在于，具体包括以下几个步骤：

(1)初始化：系统启动前，先将所述陀螺仪水平放置一段时间，并读取当前陀螺仪的角速度，然后按下所述功能开关微处理器开始运行；

(2)系统启动后确定用户每步的步长；

(3)使用步数判定算法判定当前步伐是否有效，如果有效则转向步骤(4)；

(4)在判定步伐有效后，通过方向判定算法计算得到相邻两步间的方向α；

(5)通过轨迹描述算法对用户的运动逐次进行计算，得到当前所处位置的坐标；

(6)计算当前位置到初始位置的距离，将当前位置与初始位置相连接，可计算出当前位置与初始位置间的方向；

(7)将距离数据及方向数据输出到显示屏显示。

4.根据权利要求3所述的反向轨迹导航系统的实现方法，其特征在于，

步骤(2)中，用户每步的步长取决于用户的速度和身高。

5.根据权利要求3所述的反向轨迹导航系统的实现方法，其特征在于，

步骤(3)中，所述步数判定算法具体包括以下几个步骤：

(1a)将所述加速度传感器和陀螺仪的坐标系定为X、Y和Z；

(2a)通过所述微处理器对加速度传感器以固定频率持续采样，并更新Z轴上加速度的最大值Max和最小值Min，将加速度平均值(Max+Min)/2称为阈值；

(3a)当加速度Max>阈值>Min时，判定当前步伐有效，步数加一，得到步伐数据。

6.根据权利要求3所述的反向轨迹导航系统的实现方法，其特征在于，

步骤(4)中，所述方向判定算法由角速度数据以及间隔时间计算得出，具体计算方法如下：

方向α＝角速度对时间的积分其中，角速度ω是从所述陀螺仪直接读出，时间t的计算方法如下：

(1b)将所述加速度传感器的采样频率记为f；

(2b)将上一次判定步伐有效到本次判定步伐有效间的采样次数记为n；

(3b)时间t的计算公式t＝(n+1)/f。

7.根据权利要求3所述的反向轨迹导航系统的实现方法，其特征在于，

步骤(5)中，所述轨迹描述算法具体包括以下几个步骤：

(1c)将直角坐标系内[x₀＝0,y₀＝0]坐标设置为初始位置，通过步骤(3)判定用户已迈出一步；

(2c)将步骤(4)中得到的第一步的方向数据α与用户步长一起计算，计算得出该位置在坐标系内的坐标为[sinα*1,cosα*1]即为[x₁,y₁]点；

(3c)将步骤(4)中得到的第二步的方向数据用α₁表示，与用户步长一起计算后，得到该位置在坐标系内的坐标为[sinα*1+sinα₁*1,cosα*1+cosα₁*1]即为[x₂,y₂]；

(4c)以此轨迹描述算法对之后的运动逐次进行计算，得到当前所处位置的坐标。

8.根据权利要求7所述的反向轨迹导航系统的实现方法，其特征在于，

步骤(6)中，以[x₂,y₂]为例，则

通过公式∠β＝arctan(y₂/x₂)+90°得到[x₂,y₂]与y₀轴的夹角即为当前位置指向初始位置(0,0)的方向角，从而得到当前位置到初始位置(0,0)间的导航方向。