CN104614749A - 一种基于运动姿态的低功耗定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于运动姿态的低功耗定位方法，利用MEMS加速度传感器的可编程中断输出引脚，通知处理器进行相关的动作检测，从MEMS加速度传感器的FIFO中读出三轴加速度信息，根据这些信息并结合相应算法，判断出姿态信息，根据这些姿态信息，适时开启或关闭GNSS模块、GSM模块，以及自动调整定位间隔及上传间隔来控制功耗，达到电池电量优化利用。本发明方法既保证定位要求又能利用有限的电池容量，获得更长的使用时间。

Description

一种基于运动姿态的低功耗定位方法

技术领域

本发明涉及导航定位系统，具体涉及一种基于运动姿态的低功耗定位方法。

背景技术

今日卫星导航定位的应用已越来越普及，卫星导航定位被广泛应用在我们生活中，例如我们熟知的车载导航，大到车载导航，小到腕表等可穿戴等嵌入式产品都能见到卫星导航的身影。

对于嵌入式导航系统来说，低功耗设计技术成为许多设计人员逐渐关注的问题，其原因在于其产品多具有便携式和移动性较强的特征，而这些产品往往要靠电池来供电。实际上，这些年来，有关电池的储能密度并没有得到大的进步。而对于便携设备，尤其是手持消费品而言，如果单靠提高电池容量来提高续航能力，似乎并不完全切合实际。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种基于运动姿态的低功耗定位方法，既保证定位要求又能利用有限的电池容量，获得更长的使用时间。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于运动姿态的低功耗定位方法，利用MEMS(MEMS：微机电系统)加速度传感器的可编程中断输出引脚，通知处理器进行相关的动作检测，从MEMS加速度传感器的FIFO中读出三轴加速度信息，根据这些信息并结合相应算法，判断出姿态信息，根据这些姿态信息，适时开启或关闭GNSS(GNSS：全球卫星导航系统)模块、GSM模块，以及自动调整定位间隔及上传间隔来控制功耗，达到电池电量优化利用。

具体步骤如下：

步骤1：MEMS加速度传感器三轴加速度信息评估；

步骤2：建立运动姿态的模型；

步骤3：定位终端的数据采集和分析处理；

步骤4：算法移植

将相应算法移植到定位终端，定位终端根据采集到的数据，调用算法，得到相应姿态信息。

所述步骤3，采用电脑端工具对采集的数据消除干扰，进行优化处理。

根据姿态信息控制功耗的具体方法是：

终端启动进入启动模式，首先进行系统初始化，完成系统参数设置。

终端进入运行模式，检测GNSS能否定位，如果能定位，上传GNSS定位信息；如果不能定位，上传GSM基站信息；终端更新一次信息后，进入待机状态，此时终端的定位间隔、上传间隔由运动姿态控制。

终端进入待机模式，由MEMS加速度传感器的中断和RTC时钟唤醒处理器，处理器唤醒后进行运动门限和姿态检测，在判断终端为静止状态的情况下，仅在定时上传条件达到时启动GNSS和GSM模块；在判断终端进入睡眠状态的情况下，定时定位和上传都关闭，进入最低功耗模式；在判断终端进入运动状态的情况下，进入运动模式。

终端进入运动状态模式，首先结合终端当前的运动状态和之前的状态，判断终端携带者是进入室内或者来到户外，优化GNSS和GSM模块的开启；对运动状态包括步行、上下电梯、跑步或者在汽车上高速运动进行判断，在跑步或者在汽车上高速运动状态下，缩短定位间隔时间，使得后台上位置点更合理。

本发明根据对MEMS加速度传感器的数据采集，使用仿真工具对数据进行优化处理，最后将算法移植到定位终端上得出实际环境中的不同运动姿态信息(比传统的只有动静检测有更多更合理的配置)；本发明结合GNSS及GSM模块，根据当前的运动状态以及之前的运动状态，利用算法合理推理出即将进行的运动状态，从而取得系统工作状态的优化；本发明通过对工作状态的计算和预判，合理配置GNSS、GSM的工作模式，优化了系统功耗，延长整机的工作时间。经过实测，应用本发明方法的定位终端在配置了600mAH的可充电聚合物电池的情况下，给学生佩戴，能使用3天左右，而同类终端只能使用一天左右，因此，应用了本发明的定位终端在功耗上具有明显的优势。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明方法MEMS加速度传感器一实施例在静止时候输出的三轴加速度信息示意图；

图2是将图1实施例戴在规律摆动的手臂上采集到的X轴加速度信息变化示意图；

图3是本发明方法流程图；

图4是姿态信息获取流程图；

图5是终端启动后工作流程；

图6是终端在不同姿态下功耗控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

本发明所提供的基于运动姿态的低功耗定位方法，如图3所示流程图，利用MEMS加速度传感器的可编程中断输出引脚，通知处理器进行相关的动作检测，从MEMS加速度传感器的FIFO中读出三轴加速度信息，根据这些信息并结合相应算法，判断出姿态信息，根据这些姿态信息，适时开启或关闭GNSS模块、GSM模块，以及自动调整定位间隔及上传间隔来控制功耗，达到电池电量优化利用。

图4是姿态信息的获取流程，图5是终端启动后工作流程，具体步骤如下：

步骤1：MEMS加速度传感器三轴加速度信息评估

图1是MEMS加速度传感器一实施例在静止时候输出的三轴加速度信息，可以看出X、Y轴0g左右，Z轴9.8g左右，很平稳。图2是戴在手臂上，手臂规律摆动采集到的数据，可以看到三轴加速度变化明显，并呈现出一定的规律(g＝9.8m/s2)。能够输出三轴加速度信息供姿态判定时候使用。

步骤2：运动姿态模型建立

以计步为例，在步行的时候，运动包括3个分量，分别是向前、侧向以及垂直方向，可以对应三轴加速度传感器的三个轴。

建立人体行走模型，脚蹬地离开地面是一步的开始，此时，由于地面的反作用力垂直加速度开始增大，身体重心上移上移，当脚到达最高位置时候，垂直加速度达到最大，然后脚向下运动，垂直加速度开始减小，直至脚着地，加速度减到最小值，接着下一次迈步发生。前向加速度由脚与地面的摩擦力产生的，双脚触地时增大，在一脚离地时减小。如果测出了步行中加速变化规律，每次对采集到的加速度信息进行处理，就可以获得步行的步数了。

步骤3：数据采集分析处理

在具体使用时候，定位终端放置情况是随意的，MEMS加速度传感器的三个轴可能不与人体行走模型定义的三个轴向重合，同时一些抖动也会干扰计步。为了能够精确的计步，需要对通过数据采集和仿真算法进行滤波及设计优化，尽可能消除干扰。

数据采集时将行走过程中的加速度信息采集下来，需要将信号进行滤波，以常人的步频在0.5～5HZ为例，通过设计软件(如Matlab算法)构建FIR滤波器(FIR：有限长单位冲激响应滤波器)，滤除不在频率范围内的信号，保留需要的信息，然后设计判定一步的标准：一个迈步周期仅出现一次加速度最大和最小值，有一个上升区间和下降区间；一个单调区间对应迈步周期的50％，因而，时间间隔应该在0.5个时间窗口之间；行走时，加速度极大值和极小值是交替出现的，而且其差的绝对值不小于预设的阈值1。根据这个标准，得到行走时候的步数。

步骤4：算法移植

将步骤3中的仿真算法移植到定位终端，由终端采集MEMS传感器输出的的加速度传感器数据，调用算法，得出步数。

对于算法移植以FIR滤波器为例：

对于一个横截型结构的FIR滤波器差分方程如下：

y(n)＝∑h(m)x(n-m)；

其中：y(n)输出数据，x(n)是输入数据，滤波器系数h(m)

可用直接法展开公式:y(m)＝h(0)*x(m)+h(1)*x(m-1)+….+h(N-1)*x(m-n-1)；(N为滤波器系数个数)。C语言实现如下：

步骤5：姿态运算汇总

对于不同的运动场景和姿态，如图3所示，重复2-4的步骤进行运动姿态的计算和获取。

代码以Posture_check为例，输入为加速度信息，返回值为姿态信息：

通过算法的仿真和移植，定位终端获得检测各种运动姿态(包括跑步，高速行进，上下电梯姿态等)的能力，从而给功耗控制提供足够的技术支撑。

基于上述运动姿态的功耗控制如图6所示，具体步骤如下：

步骤2-5讲述了终端检测各种运动姿态的实现方法，通过这些方法，定位终端可以获取运动姿态信息，并通过运动姿态信息对功耗进行优化。

终端启动进入启动模式，首先进行系统初始化，完成系统参数设置。

终端进入运行模式，检测GNSS能否定位，如果能定位，上传GNSS定位信息；如果不能定位，上传GSM基站信息；终端更新一次信息后，进入待机状态，此时终端的定位间隔、上传间隔由运动姿态控制。

终端进入待机模式，由MEMS加速度传感器的中断和RTC时钟唤醒处理器，处理器唤醒后进行运动门限和姿态检测，在判断终端为静止状态的情况下，仅在定时上传条件达到时启动GNSS和GSM模块；在判断终端进入睡眠状态的情况下，定时定位和上传都关闭，进入最低功耗模式；在判断终端进入运动状态的情况下，进入运动模式。

终端进入运动状态模式，首先结合终端当前的运动状态和之前的状态，判断终端携带者是进入室内或者来到户外，优化GNSS和GSM模块的开启；对运动状态包括步行、上下电梯、跑步或者在汽车上高速运动进行判断，在跑步或者在汽车上高速运动状态下，缩短定位间隔时间，使得后台上位置点更合理。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种基于运动姿态的低功耗定位方法，其特征在于，利用MEMS加速度传感器的可编程中断输出引脚，通知处理器进行相关的动作检测，从MEMS加速度传感器FIFO中读出三轴加速度信息，根据这些信息并结合相应算法，判断出姿态信息，根据这些姿态信息，适时开启或关闭GNSS模块、GSM模块，以及自动调整定位间隔及上传间隔来控制功耗，达到电池电量优化利用。

2.根据权利要求1所述的基于运动姿态的低功耗定位方法，其特征在于，所述姿态信息的获取包括步骤如下：

步骤1：MEMS加速度传感器三轴加速度信息评估；

步骤2：建立运动姿态的模型；

步骤3：终端数据采集和分析处理；

步骤4：算法移植

将相应算法移植到终端，终端根据采集到的数据，调用算法，得到相应姿态信息。

3.根据权利要求2所述的基于运动姿态的低功耗定位方法，其特征在于，所述步骤3中，在MEMS加速度传感器的三个轴不与人体行走运动姿态的模型定义的三个轴向重合时，根据正常人的步频范围，用滤波器设计软件设计滤波器，滤除不在正常频率范围内的信号，保留需要的信息，然后设计判定一步的标准，根据该标准，得到行走时候的步数。

4.根据权利要求3所述的基于运动姿态的低功耗定位方法，其特征在于，所述标准包括：一个迈步周期仅出现一次加速度最大和最小值，有一个上升区间和下降区间；一个单调区间对应迈步周期的50％，因而，时间间隔应该在0.5个时间窗口之间；行走时，加速度极大值和极小值是交替出现的，而且其差的绝对值不小于预设的阈值1。

5.根据权利要求2所述的基于运动姿态的低功耗定位方法，其特征在于，根据姿态信息控制功耗的具体方法是：

终端启动后，先进行初始化，然后多任务建立，系统参数默认设置，上传一次位置信息；

终端开机后，开始检测能否定位，如果能定位，上传定位信息，如果不能定位，上传基站信息；更新一次信息后，进入待机状态，此时终端的定位间隔、上传间隔由终端默认配置及运动姿态决定，或者由后台下发配置，再结合运动姿态自动配置；

终端在待机模式下，MEMS加速度传感器中断唤醒处理器进行姿态检测，如果达到运动门限，进行和运动相关的姿态判断，如果是静止状态，之前的位置信息已经上传，此时，就关闭GNSS和GSM模块；如果达到睡眠状态的门限，定时定位和上传都关闭，以此达到最大的节省功耗；

在运动状态模式下，结合终端保存的之前的状态，判断终端携带者是进入室内或者来到户外，进而优化GNSS和GSM模块的开启时间。

6.根据权利要求5所述的基于运动姿态的低功耗定位方法，其特征在于，所述运动状态包括步行、上下电梯、跑步或者在汽车上高速运动。

7.根据权利要求6所述的基于运动姿态的低功耗定位方法，其特征在于，在跑步或者在汽车上高速运动状态下，缩短定位间隔时间，使得后台上位置点更合理。